一种燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统的制作方法

本发明涉及仿真试验技术领域，具体涉及一种燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统。

背景技术：

燃气轮机控制系统是燃气轮机技术中的关键核心部分，应具备适应性强，可靠性高、响应迅速等多项特点。随着燃气轮机技术的发展不断升级完善，燃气轮机控制系统工作时涉及到的运行数据和控制对象也日益增多，因此，如何搭建燃气轮机控制系统试验系统来验证燃气轮机控制系统的性能尤为重要。目前燃气轮机控制系统试验系统通常采用真实燃气轮机或者燃气轮机数学模型作为被控制对象，但真实燃气轮机存在建设周期长、成本高、在极端工况下运行有设备和人员损坏风险的缺点，燃气轮机数学模型存在精确程度低，只能计算少量工况和部分运行数据的缺点。

技术实现要素：

本发明针对当前燃气轮机控制系统试验系统存在的缺点，提出一种用燃气轮机半物理仿真模型替代真实燃气轮机或燃气轮机数学模型的试验系统，用以验证燃气轮机控制系统在燃气轮机全工况下的工作性能和长期运行稳定性，以及评估燃气轮机控制系统在燃气轮机极端工况、故障工况下的工作可靠性和环境适应性。该系统减少了燃气轮机控制系统试验系统的研发成本、缩短了建设周期、避免了设备和人员的风险，提高了燃气轮机控制系统试验系统的准确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统，包括经通信接口及网络相互连接的燃气轮机控制系统、燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型；

所述燃气轮机物理仿真模型包括转速监测试验台、igv调节测试台、模拟润滑油系统、模拟燃料系统和模拟空气系统，用于模拟燃气轮机实际运行过程并测量运行参数，以及将测量得到的运行参数数据传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型；

所述燃气轮机数学仿真模型基于燃气轮机的特性曲线进行计算机建模仿真，用于计算燃气轮机在全工况和极端工况下的动力学与热力学运行数据，以及接收所述燃气轮机控制系统的控制信号并将运行数据反馈给燃气轮机控制系统；

所述燃气轮机控制系统用于控制所述燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型的运行数据在全工况和极端工况下均在燃气轮机控制系统预设的数值范围内变化。

进一步的，所述转速监测试验台用于模拟燃气轮机转子的实际转动效果，包括用于模拟燃气轮机转子转动的测速圆盘、用于带动所述测速圆盘高速旋转的可调速电机、用于连接所述可调速电机与测速圆盘的联轴器和轴承，以及用于测量测速圆盘实际转速的转速探头；其中，所述可调速电机与燃气轮机数学仿真模型通讯连接，根据燃气轮机数学仿真模型计算出的燃气轮机转子转速数据调节自身转速，带动测速圆盘进行高速旋转并模拟燃气轮机转子的实际转动效果；所述转速探头与燃气轮机控制系统通讯连接，用于测量测速圆盘的转速数据并将该数据传递给燃气轮机控制系统。

进一步的，所述igv调节测试台用于模拟燃气轮机进气可调导叶系统调节igv开度的过程，包括进气可调导叶，用于驱动进气可调导叶的伺服装置，连接所述伺服装置与进气可调导叶的传动机构，用于测量伺服装置运动行程的线位移传感器，用于测量进气可调导叶旋转角度的角位移传感器；其中，所述伺服装置与燃气轮机控制系统通讯连接，在燃气轮机控制系统的控制下通过所述传动机构调节进气可调导叶的旋转角度；所述线位移传感器与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于测量伺服装置的运动行程并将数据传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型；所述角位移传感器与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于测量进气可调导叶的实际角度并将数据传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

进一步的，所述模拟润滑油系统用于模拟燃气轮机润滑油系统供给润滑油的过程，包括用于为润滑油系统供给润滑油的主润滑油泵、用于在主润滑油泵工作异常时供给润滑油的备润滑油泵、用于在主润滑油泵和备润滑油泵均无法工作时供给润滑油的事故润滑油泵，以及用于维持油箱真空度的油雾风机；所述主润滑油泵、备润滑油泵、事故润滑油泵和油雾风机均与燃气轮机控制系统和燃机轮机数学仿真模型通讯连接，根据燃气轮机控制系统传递的控制信号完成油泵和风机的启停动作，并将启停状态数据传递给燃气轮机数学仿真模型。

进一步的，所述模拟燃料系统用于模拟燃气轮机燃料系统供给气体燃料的过程，包括用于调节燃料供给系统出口压力的压力控制阀、用于调节燃料供给系统出口流量的流量控制阀、用于在紧急状态下关闭燃料供应的燃料速关阀；所述压力控制阀与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于接收燃气轮机控制系统的控制信号并根据控制信号调节燃料供给系统出口压力，同时将出口压力信号传递给燃气轮机数学仿真模型；所述流量控制阀与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于接收燃气轮机控制系统的控制信号并根据控制信号调节燃料供给系统出口流量，同时将出口流量信号传递给燃气轮机数学仿真模型；所述燃料速关阀与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于接收燃气轮机控制系统的控制信号并根据控制信号完成开启或关闭动作，同时将自身的开启或关闭状态传递给燃气轮机数学仿真模型。

进一步的，所述模拟空气系统用于模拟燃气轮机的空气系统从压气机抽取空气的过程，包括高压抽气阀、中压抽气阀、低压抽气阀；所述高压抽气阀、中压抽气阀、低压抽气阀分别与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于接收燃气轮机控制系统的控制信号并根据控制信号完成开启或关闭动作，同时将自身的开启或关闭状态传递给燃气轮机数学仿真模型。

进一步的，所述燃气轮机物理仿真模型还包括信号发生器，所述信号发生器与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，用于模拟燃气轮机的机械故障、部件工作异常及燃气轮机变工况的异常运行数据和报警信息，并将所述异常运行数据和报警信息传递到燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

进一步的，所述燃气轮机控制系统还配置有计时装置，所述计时装置与igv调节测试台中的伺服装置、模拟润滑油系统中的主润滑油泵、备润滑油泵、事故润滑油泵和油雾风机、模拟燃料系统中的压力控制阀、流量控制阀和燃料速关阀、模拟空气系统中的高压抽气阀、中压抽气阀、低压抽气阀通讯连接，用于测量从燃气轮机控制系统发出控制指令到如上所述设备完成相应控制动作所需的设备动作时间数据。

进一步的，所述燃气轮机数学仿真模型中包括燃气轮机故障仿真模型，用于在燃气轮机数学仿真模型中模拟燃气轮机机械故障或部件工作异常出现的故障工况，并计算燃气轮机在故障工况下的运行数据。

进一步的，所述燃气轮机数学仿真模型还配置有计时功能模块，用于测量从燃气轮机故障仿真模型进入故障工况，到燃气轮机控制系统发出控制指令对燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型的运行数据进行调节，最终到燃气轮机数学仿真模型解除故障工况为止，燃气轮机控制系统所需的响应时间数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、所述燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统减少了燃气轮机控制系统试验系统的研发成本、缩短了建设周期、避免了设备和人员的风险，提高了燃气轮机控制系统试验系统的准确性和可靠性；

2、所述燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统可以针对燃气轮机运行的全工况、变工况、极端工况、故障工况均做出准确的仿真，能够更全面准确地对燃气轮机控制系统的性能进行评估；

3、所述燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统可以测量在出现故障工况时，从产生故障工况到燃气轮机控制系统产生控制指令并解除故障工况的具体响应时间，有利于燃气轮机控制系统的不断升级和优化；

4、所述燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统的被控制对象是一个完整的燃气轮机仿真模型，因此通过所述燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统验证和评估的燃气轮机控制系统可以直接移植到真实燃气轮机中使用，大大缩短了燃气轮机控制系统的开发周期。

附图说明

图1为本发明的燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统第一种实施例的组成及连接关系示意图。

图2为本发明的燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统第二种实施例的组成及连接关系示意图。

图3为本发明的燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统第三种实施例的组成及连接关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

实施例一

如图1所示，一种燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统，包括控制系统和仿真系统，控制系统包括燃气轮机控制系统和人机接口站，仿真系统包括燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型。

其中，燃气轮机控制系统、燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型经通信接口及系统控制网络相互连接。所述系统控制网络可选为双冗余环形工业以太网，采用tcp/ip协议完成各点之间数据交换和通讯，并通过安全网络隔离装置实现数据高级管理和共享。

燃气轮机物理仿真模型包括转速监测试验台、igv调节测试台、模拟润滑油系统、模拟燃料系统、模拟空气系统，用于模拟燃气轮机实际运行过程并测量运行参数，以及将测量得到的运行参数数据传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型；燃气轮机控制系统还配置有信号发生器，用于模拟燃气轮机的机械故障、部件工作异常及燃气轮机变工况的异常运行数据和报警信息，并将所述异常运行数据和报警信息传递到燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

燃气轮机数学仿真模型基于燃气轮机的特性曲线进行计算机建模仿真，用于计算燃气轮机在全工况和极端工况下的动力学与热力学运行数据，以及接收所述燃气轮机控制系统的控制信号并将运行数据反馈给燃气轮机控制系统；燃气轮机数学仿真模型还配置有燃气轮机故障仿真模型，用于在燃气轮机数学仿真模型中模拟燃气轮机机械故障或部件工作异常出现的故障工况，并计算燃气轮机在故障工况下的运行数据。

燃气轮机控制系统用于控制燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型的运行数据在全工况和极端工况下均在燃气轮机控制系统预设的数值范围内变化。人机接口站用于为控制系统过程监视、控制、诊断、维护及优化管理提供操作和运行界面，以及将燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型的实时数据和异常报警信息显示给用户，并将用户指令传递到燃气轮机控制系统。

实施例二

如图2所示，本实施例中的燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统，包括控制系统和仿真系统，控制系统包括燃气轮机控制系统和人机接口站，仿真系统包括燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型。

其中，燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通过scnet通讯接口及网络连接，燃气轮机物理仿真模型通过ionet通讯接口及网络连接燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

燃气轮机物理仿真模型包括转速监测试验台、igv调节测试台、模拟润滑油系统、模拟燃料系统及模拟空气系统(图中仅给出igv调节测试台)。其中，igv调节测试台包括伺服装置，由拉杆、拉动环和连杆构成的传动机构，进气可调导叶，线位移传感器和角位移传感器。伺服装置与燃气轮机控制系统通讯连接，在燃气轮机控制系统的控制下通过所述传动机构调节进气可调导叶的旋转角度；线位移传感器和角位移传感器与燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通讯连接，线位移传感器用于测量伺服装置的运动行程并将数据传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型，角位移传感器用于测量进气可调导叶的实际角度数据并传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

在燃气轮机启动过程中，需要调节进气可调导叶的角度，改变进气流量，从而扩大压气机的稳定工作范围，避免压气机出现喘振现象。

本实施例中，燃气轮机控制系统在燃气轮机启动过程中，由组态计算得到进气可调导叶角度预期数据，并通过ionet通讯接口向伺服装置传递调节控制指令；伺服装置根据控制指令调节所连接的拉杆向前移动，拉杆的移动带动安装在支架上拉动环沿圆周进行转动，连杆在转动环转动的过程中随之移动并旋转进气可调导叶的角度，最终达到改变进气流量的模拟效果。

配置在igv调节测试台上的线位移传感器测量伺服装置将拉杆向前移动的线位移数据，并通过ionet通讯接口将所述线位移数据传递给燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

燃气轮机控制系统对所述线位移数据进行组态运算得到进气可调导叶角度计算数据，通过对比所述进气可调导叶角度计算数据和所述进气可调导叶角度预期数据的大小，判断是否继续对进气可调导叶进行调节。

燃气轮机数学仿真模型通过对线位移数据仿真计算得到当前工况下的进气流量运行数据，用于燃气轮机数学仿真模型计算整体的仿真运行数据。

燃气轮机数学仿真模型计算整体的仿真运行数据，通过scnet通讯接口传递到燃气轮机控制系统，用于燃气轮机控制系统的组态运算。

配置在igv调节测试台上的角位移传感器测量进气可调导叶的实际角度数据，并通过ionet通讯接口将所述实际角度数据传递给燃气轮机控制系统；燃气轮机控制通过对比所述实际角度数据和所述进气可调导叶角度计算数据，评估燃气轮机控制系统在igv调节的功能上是否满足预期的性能指标。

人机接口站同燃气轮机控制系统通讯连接，从燃气轮机控制系统中获得燃气轮机控制系统的组态运算结果和燃气轮机数学仿真模型的运行数据并显示在屏幕上，供用户查看。

实施例三

如图3所示，本实施例中的燃气轮机控制系统半物理仿真试验系统，包括控制系统和仿真系统，控制系统包括燃气轮机控制系统、人机接口站和计时装置，仿真系统包括燃气轮机物理仿真模型和燃气轮机数学仿真模型。

燃气轮机物理仿真模型包括转速监测试验台、igv调节测试台、模拟润滑油系统、模拟燃料系统及模拟空气系统(图中仅给出转速监测试验台和部分模拟燃料系统)。燃气轮机数学仿真模型用于计算燃气轮机在全工况和极端工况下的动力学与热力学运行数据，以及接收所述燃气轮机控制系统的控制信号并将运行数据反馈给燃气轮机控制系统，还配置有燃气轮机故障仿真模型和计时功能模块。

转速监测试验台包括用于模拟燃气轮机转子转动的测速圆盘、用于带动测速圆盘高速旋转的可调速电机、用于连接可调速电机与测速圆盘的联轴器和轴承，以及用于测量测速圆盘实际转速的转速探头；其中，可调速电机与燃气轮机数学仿真模型通讯连接，转速探头与燃气轮机控制系统通讯连接；模拟燃料系统配置有用于调节燃料供给系统出口压力的压力控制阀和用于调节燃料供给系统出口流量的流量控制阀。

其中，燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型通过scnet通讯接口及网络连接，模拟燃料系统和转速监测试验台通过ionet通讯接口及网络连接燃气轮机控制系统和燃气轮机数学仿真模型。

本实施例的燃气轮机数学仿真模型中配置有燃气轮机故障仿真模型。在燃气轮机稳定工作时，启动燃气轮机故障仿真模型，向燃气轮机数学仿真模型中传递一个高于燃气轮机额定转速的异常转速数据，所述燃气轮机数学仿真模型进入超速的故障工况；燃气轮机数学仿真模型中配置的计时功能模块在所述燃气轮机数学仿真模型进入故障工况时自动开始计时。

燃气轮机数学仿真模型通过ionet通讯接口，将转速监测试验台上配置的可调速电机转速调节至同所述异常转速数据相同；所述可调速电机带动联轴器和轴承旋转，继而带动测速圆盘按照所述异常转速数据进行高速旋转，模拟燃气轮机转速高于额定转速的故障工况。

转速监测试验台上配置的转速探头测量得到所述测速圆盘的转速数据，即异常转速数据，并通过ionet通讯接口传递到燃气轮机控制系统。

所述燃气轮机控制系统接收到异常转速数据，通过人机接口站的显示屏向用户显示超速报警信息。

所述燃气轮机控制系统接收到异常转速数据，经过组态计算，通过ionet通讯接口向模拟燃料系统中的压力控制阀传递减小燃料供给系统出口压力到预期出口压力值的控制指令；所述压力控制阀接收到燃气轮机控制系统的控制指令后，执行该控制指令，并将新的燃料供给系统出口压力数据通过ionet通讯接口传递给燃气轮机控制系统、燃气轮机数学仿真模型。

所述燃气轮机控制系统配置的计时装置在燃气轮机控制系统向所述压力控制阀传递控制指令后，对压力控制阀的设备动作时间数据开始计时；所述计时装置在所述压力控制阀向燃气轮机控制系统传递的燃料供给系统出口压力数据达到预期出口压力值后计时停止，计算所述压力控制阀的设备动作时间数据。

所述燃气轮机控制系统接收到异常转速数据，经过组态计算，通过ionet通讯接口向模拟燃料系统中的流量控制阀传递降低燃料供给系统出口流量到预期出口流量值的控制指令；所述流量控制阀接收到燃气轮机控制系统的控制指令后，执行该控制指令，并将新的燃料供给系统出口流量数据通过ionet通讯接口传递给燃气轮机控制系统、燃气轮机数学仿真模型。

所述燃气轮机控制系统配置的计时装置在燃气轮机控制系统向所述流量控制阀传递控制指令后，对流量控制阀的设备动作时间数据开始计时；所述计时装置在所述流量控制阀向燃气轮机控制系统传递的燃料供给系统出口流量数据达到预期出口流量值后计时停止，计算所述流量控制阀的设备动作时间数据。

所述燃气轮机数学仿真模型接收到新的燃料供给系统出口压力值和燃料供给系统出口流量值后，重新进行仿真计算生成燃气轮机运行数据。

由于燃料供给系统出口压力值和出口流量值减小，燃料的供给量降低，燃气轮机的转速数据计算结果逐渐降低；在燃料供给系统出口压力数据和燃料供给系统出口流量数据分别达到预期出口压力值和预期出口流量值后，燃气轮机数学仿真模型中的转速计算数据重新恢复到燃气轮机额定转速；所述燃气轮机数学仿真模型从故障工况恢复到正常工况。

燃气轮机数学仿真模型中的计时功能模块停止计时，并计算从所述计时功能模块开始计时到停止计时的响应时长；所述响应时长为燃气轮机控制系统在燃气轮机超速时从故障工况恢复到正常工况所需的响应时间，用于评估燃气轮机控制系统在故障工况下的工作可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。