一种大型动力系统的半物理控制回路模拟试验装置的制作方法

本发明涉及控制回路试验技术领域，具体涉及一种包含缩比真实物理系统、仿真系统、集控系统的半物理控制回路模拟试验装置。

背景技术：

大型动力系统控制回路模拟试验具有以下特点：

1)大型动力系统具有结构复杂、系统安全性要求高、技术含量高、系统尺寸庞大等特点，采用1:1的全系统试验来研究控制回路问题不现实，若仅针对部分子系统或设备进行试验，则无法进行系统相关的机理研究；

2)全系统缩比试验系统的异构性较差，在工况调试过程中，不能验证任意设计工况，试验的范围较小，也减弱了快速切入目标试验工况的能力；

3)控制回路仿真验证的精度有限，尤其是系统存在复杂设备，或者部分新研设备、子系统参数不完备的情况下，会使得仿真的精度进一步降低。

4)控制回路系统级仿真，仅能研究系统级问题，对于设备及子系统间的详细耦合机理问题，现有仿真技术条件还难以胜任。

基于单一试验或仿真手段的技术特点和局限性，人们提出了半物理试验(或仿真)的概念。所谓半物理试验是指将所研究的系统，部分采用真实物理模型，部分采用仿真模型，来进行试验研究。目前，半物理试验已经应用于航空、航天、武备、汽车、核电等多个领域。但目前还没有公开文献报道半物理试验技术在系统级领域的应用案例。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种半物理控制回路模拟试验装置，该装置可用于实现模拟实际工况条件下控制系统的动态特性分析、不同控制逻辑对比、高级应用系统测试等功能，相比于单一仿真方法，半物理试验在某些真实部件的特性方面，考虑更加全面和精细，因此其可信度更高；而相比于单一物理试验方法，具有研发周期短、成本低、工况覆盖全的特点。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种大型动力系统的半物理控制回路模拟试验装置，包括缩比真实物理系统、仿真系统和集控系统，

所述缩比真实物理系统包括保障水罐、保障离心泵、给水母管，以及并联设置于所述保障水罐与给水母管之间的ⅰ管路和ⅱ管路；所述ⅰ管路上依次设置ⅰ冷凝器热井、ⅰ凝水泵、ⅰ除氧器水空间、ⅰ给水泵，所述ⅰ冷凝器热井与所述保障水罐连接，所述ⅰ给水泵与所述给水母管连接；所述ⅱ管路上依次设置ⅱ冷凝器热井、ⅱ凝水泵、ⅱ除氧器水空间、ⅱ给水泵，所述ⅱ冷凝器热井与所述保障水罐连接，所述ⅱ给水泵与所述给水母管连接；所述给水母管之后设置若干支管连接至所述保障水罐；所述保障离心泵的进水口通过进水管路与外部水源连接，进水管路上设置开关阀v1，保障离心泵的出水口通过ⅲ管路连接至所述保障水罐，ⅲ管路上设置开关阀v3，保障水罐通过ⅳ管路连接至保障离心泵的进水口，ⅳ管路上设置开关阀v2；

所述缩比真实物理系统通过控制网与所述集控系统连接；

所述仿真系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括仿真服务器，软件部分包括整个动力系统的仿真模型；所述仿真系统为上位集控系统提供相应的虚拟信号，同时，仿真系统还接收集控系统发出的相应控制指令；

所述集控系统具备控制组态、通讯、数据存储的功能，能够完成对半物理控制回路模拟试验装置的过程控制，实现对缩比真实物理系统中泵、调节阀的操作，具备开源更改部分代码功能，保证模拟试验装置对所研究的过程控制具备对比分析控制逻辑的功能。

上述方案中，所述ⅰ凝水泵与ⅰ除氧器水空间之间依次设置调节阀r7、流量计f3和调节阀r11，流量计f3与调节阀r11之间设置一支路连接至所述保障水罐，该支路上设有调节阀r9；所述保障水罐与ⅰ冷凝器热井之间设置调节阀r3；可用调节阀r7和调节阀r11其中之一调节ⅰ冷凝器热井的水位；调节阀r3与调节阀r9配合用于调节ⅰ除氧器水空间的水位。

上述方案中，所述ⅱ凝水泵与ⅱ除氧器水空间之间依次设置调节阀r8、流量计f4和调节阀r12，流量计f4与调节阀r12之间设置一支路连接至所述保障水罐，该支路上设有调节阀r10；所述保障水罐与ⅰ冷凝器热井之间设置调节阀r4；可用调节阀r8和调节阀r12其中之一调节ⅱ冷凝器热井的水位；调节阀r4与调节阀r10配合用于调节ⅱ除氧器水空间的水位。

上述方案中，ⅰ管路与ⅱ管路之间设置v管路，v管路上设置开关阀v4，开关阀v4打开时，ⅰ管路与ⅱ管路连通；开关阀v4关闭时，ⅰ管路与ⅱ管路独立运行。

上述方案中，所述ⅲ管路上设置一分支连接至所述ⅰ冷凝器热井，该分支上设置调节阀r1和流量计f1；所述ⅲ管路上设置一分支连接至所述ⅱ冷凝器热井，该分支上设置调节阀r2和流量计f2。

上述方案中，所述仿真系统的仿真模型包括虚拟蒸汽发生器、虚拟蒸汽母管、虚拟主汽轮齿轮机组、虚拟主冷凝器、虚拟汽轮发电机、虚拟辅冷凝器。

上述方案中，所述集控系统包括操作员站、通讯员站、服务器和现场控制站；所述操作员站与通讯员站分别通过通讯网与所述服务器连接；所述缩比真实物理系统通过控制网与所述现场控制站连接，现场控制站通过通讯网与服务器连接。

本发明的有益效果在于：

(1)克服单一试验或仿真的局限性：半物理试验可以克服单纯试验研究或仿真研究的不足，同时，真实物理系统采用缩比设计后，其试验研究成本、周期大大减少，同时又能直观的反应出真实系统的重要特性。

(2)具备快速切入试验工况能力：在工况调试过程中，仿真系统可以存储任意设计工况，而对于缩比真实物理系统而言，其整体容量相对较少，可以通过系统外保障回路来快速达到任意工况，因此整个半物理控制回路模拟试验装置具备快速切入试验工况的能力，节约了大量时间和经济资源。

(3)可用于不同控制逻辑的对比分析，为过程控制的设计提供验证平台。缩比半物理控制回路模拟试验装置具备试验成本低、安全性高的特点，可快速的对同一个控制回路，不同的控制逻辑进行试验验证。

(4)可用于真实系统特殊工况的模型试验研究。对于特殊工况，缺少必要的试验数据支撑，单纯的仿真技术精度较差，采用半物理方案后，可以弥补仿真模型精度不足的问题。

(5)可为系统高级应用提供调试、测试平台：半物理控制回路模拟试验装置不仅能完成相应的系统模拟、控制逻辑对比以及管网水力特性试验，还能为故障诊断、健康监测、运维支持、辅助决策等高级智能应用系统提供调试、测试的平台。

(6)可用于指导操作规程，半物理控制回路模拟试验装置的dcs集控系统具备人机界面，可以利用其进行虚拟操作研究，对比不同的操作规程对系统特性的影响，优化操作规程。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明半物理控制回路模拟试验装置的总体构成图；

图2是图1所示半物理控制回路模拟试验装置的缩比真实物理系统图；

图3是图1所示半物理控制回路模拟试验装置的仿真系统仿真模型图；

图4是图1所示半物理控制回路模拟试验装置的集控系统图；

图5是本发明半物理控制回路模拟试验装置进行支路汽水平衡模拟试验示意图。

图中：10、缩比真实物理系统；11、保障水罐；12、保障离心泵；131、ⅰ冷凝器热井；132、ⅰ凝水泵；133、ⅰ除氧器水空间；134、ⅰ给水泵；141、ⅱ冷凝器热井；142、ⅱ凝水泵；143、ⅱ除氧器水空间；144、ⅱ给水泵；15、给水母管；16、节流元件；

v1～v4、开关阀；r1～r4、r7～r18、调节阀；f1～f8流量计；

20、仿真系统；21、虚拟蒸汽发生器；22、虚拟蒸汽母管；23、虚拟主汽轮齿轮机组；24、虚拟主冷凝器；25、虚拟汽轮发电机；26、虚拟辅冷凝器；27、仿真服务器；

30、集控系统；31、操作员站；32、打印机；33、通讯员站；34、通讯网；35、服务器；36、控制网；37、现场控制站。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明提供的大型动力系统的半物理控制回路模拟试验装置，包括缩比真实物理系统10、仿真系统20和集控系统30。

如图2所示，缩比真实物理系统10是利用缩比设计的管网结构，模拟控制回路中的水力系统设计，具备相关过程控制、水力性能模拟复现能力。在进行试验时，可以将仿真系统20切断，直接通过集控系统30、水力管网中的泵、调节阀、流量计等进行试验，利用集控系统30进行操作，并对管网中的数据进行采集存储。

缩比真实物理系统10包括保障水罐11、保障离心泵12、给水母管15，以及并联设置于保障水罐11与给水母管15之间的ⅰ管路和ⅱ管路。保障水罐11用于系统启动过程中，向其他各个容器、管路注水，同时，在系统试验时，用于模拟日用水舱。

ⅰ管路上依次设置ⅰ冷凝器热井131、ⅰ凝水泵132、ⅰ除氧器水空间133、ⅰ给水泵134，其中，ⅰ冷凝器热井131与保障水罐11连接，保障水罐11与ⅰ冷凝器热井131之间设置调节阀r3，ⅰ给水泵134与给水母管15连接，ⅰ给水泵134与给水母管15之间设置调节阀r13。ⅰ凝水泵132与ⅰ除氧器水空间133之间依次设置调节阀r7、流量计f3和调节阀r11，流量计f3与调节阀r11之间设置一支路连接至保障水罐11，该支路上设置调节阀r9。可用调节阀r7和调节阀r11其中之一用于调节ⅰ冷凝器热井131的水位，通过本试验装置可验证阀门设置在哪个位置对于ⅰ冷凝器热井131水位调节性能更好。调节阀r3与调节阀r9配合用于调节ⅰ除氧器水空间133的水位。

ⅱ管路上依次设置ⅱ冷凝器热井141、ⅱ凝水泵142、ⅱ除氧器水空间143、ⅱ给水泵144，其中，ⅱ冷凝器热井141与保障水罐11连接，保障水罐11与ⅱ冷凝器热井141之间设置调节阀r4；ⅱ给水泵144与给水母管15连接，ⅱ给水泵144与给水母管15之间设置调节阀r14。ⅱ凝水泵142与ⅱ除氧器水空间143之间依次设置调节阀r8、流量计f4和调节阀r12，流量计f4与调节阀r12之间设置一支路连接至保障水罐11，该支路上设有调节阀r10。可用调节阀r8和调节阀r12其中之一用于调节ⅱ冷凝器热井141的水位，通过本试验装置可验证阀门设置在哪个位置对于ⅱ冷凝器热井141水位调节性能更好。调节阀r4与调节阀r10配合用于调节ⅱ除氧器水空间143的水位。

此外，ⅰ管路与ⅱ管路之间设置v管路，v管路上设置开关阀v4，开关阀v4打开时，ⅰ管路与ⅱ管路连通，出现耦合关系；开关阀v4关闭时，ⅰ管路与ⅱ管路独立运行。因此通过本试验装置可验证ⅰ管路与ⅱ管路独立或耦合时各阀门的调节性能。

给水母管15之后设置四条支管连接至保障水罐11，每条支管上设置调节阀(分别为r15、r16、r17、r18)、流量计(分别为f5、f6、f7、f8)，并在调节阀出口配置节流元件16，用于模拟蒸发器上水阻力。

保障离心泵12的进水口通过进水管路与外部水源连接，进水管路上设置开关阀v1，保障离心泵12的出水口通过ⅲ管路连接至保障水罐11，ⅲ管路上设置开关阀v3，保障水罐11通过ⅳ管路连接至保障离心泵12的进水口，ⅳ管路上设置开关阀v2。在系统启动过程中，打开开关阀v1，关闭开关阀v2，打开开关阀v3，并启动保障离心泵12，向保障水罐11中供水。水位至规定值后，关闭开关阀v1，打开开关阀v2，水经保障离心泵12、开关阀v2和开关阀v3，模拟日用水舱中循环流动。此外，ⅲ管路上设置一分支连接至ⅰ冷凝器热井131，该分支上设置调节阀r1和流量计f1；ⅲ管路上设置一分支连接至ⅱ冷凝器热井141，该分支上设置调节阀r2和流量计f2；可通过保障离心泵12直接向ⅰ管路和ⅱ管路供水。

结合集控系统30和仿真系统20，可以依靠缩比真实物理系统10开展变工况过程中各设备控制动态特性的试验研究，并对不同的控制逻辑进行验证。通过缩比真实物理系统10中泵、阀、管路、罐体等，可用来研究泵、阀对罐体水位调节的动态特性，以及管网的水力特性、泵组间的匹配特性。

参照图1和图3所示，仿真系统20包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括仿真服务器27，软件部分包括整个动力系统的仿真模型，包括虚拟蒸汽发生器21、虚拟蒸汽母管22、虚拟主汽轮齿轮机组23、虚拟主冷凝器24、虚拟汽轮发电机25、虚拟辅冷凝器26。仿真系统20可以独立运行，也可以与缩比真实物理系统10联合运行。仿真系统20为上位集控系统30提供相应的虚拟信号，如主机转速、蒸汽母管压力等缩比真实物理系统10中不包含的设备信号；同时，仿真系统20还接收集控系统30发出的相应控制指令。

如图4所示，集控系统30包括操作员站31、打印机32、通讯员站33、通讯网34、服务器35、控制网36、现场控制站37，操作员站31与通讯员站33分别通过通讯网34与服务器35连接；缩比真实物理系统10通过控制网36与现场控制站37相连，现场控制站37通过通讯网34与服务器35相连。集控系统30具备控制组态、通讯、数据存储的功能，通过对半物理控制回路模拟试验装置的信息采集与设备控制，可以模拟动力系统的部分现场仪表、执行器的信息流传递过程。

集控系统30主要完成对半物理控制回路模拟试验装置的过程控制，实现对缩比真实物理系统10中泵、调节阀的操作，具备开源更改部分代码功能，可以保证模拟试验装置对所研究的过程控制具备对比分析控制逻辑的功能。同时，在操作员站31、服务器35中集成的控制组态、数据存储模块，使得模拟试验装置具备数据曲线实时保存、调用、对比分析等功能。在集控系统30的操作员站31上具备人机界面，可以利用其进行虚拟操作研究，对比不同的操作规程对系统特性的影响，优化操作规程。

本发明半物理控制回路模拟试验装置可以承担如下功能试验：

1、动力系统动态特性分析试验。

凝给水部分采用真实物理模型，在试验过程中，水位、压力、流量的变化过程通过真实工质及真实测量信号直接反馈给操作台。同时，管网的水力特性、泵组间的匹配特性等工艺性质，更为准确，因此半物理试验台可以直接用于研究动力系统动态特性，其精度相比于单一仿真方法更高，考虑的因素更为真实和全面。

2、不同控制逻辑的对比试验。

本发明可用于不同控制逻辑的对比分析，为过程控制的设计提供验证平台。缩比半物理控制回路模拟试验装置具备试验成本低、安全性高的特点，可快速的对同一个控制回路，不同的控制逻辑进行试验验证。

以ⅰ凝水泵132、ⅱ凝水泵142的控制逻辑验证为例，验证以下两种凝水泵控制逻辑的优劣：1)ⅰ凝水泵132、ⅱ凝水泵142定速运行，ⅰ冷凝器热井131、ⅱ冷凝器热井141的水位分别由调节阀r7、调节阀r8进行调节；2)ⅰ凝水泵132、ⅱ凝水泵142定速运行，ⅰ冷凝器热井131、ⅱ冷凝器热井141的水位分别由调节阀r11、调节阀r12进行调节。在调节阀位置变化时验证两种控制逻辑对冷凝器热井水位的调节性能，两种控制逻辑可以提前写好并下装至集控系统30。

3、研究母管制下泵的并联控制问题。

在缩比真实物理系统10中，ⅰ凝水泵132与ⅱ凝水泵142是并联运行的，ⅰ给水泵134与ⅱ给水泵144是并联运行的，可以在并联的两个泵采用同转速定速运行、同转速调速运行、不同转速定速运行、不同转速调速运行、不同转速定速与调速并联运行等不同模式时，对系统的动态运行特性进行研究。此外，在缩比真实物理系统10中，调节阀r3、调节阀r4所在的补水支路与调节阀r9、调节阀r10所在的储水支路可以对ⅰ除氧器水空间133、ⅱ除氧器水空间143的水位进行调节。对母管制单元而言，上下对称的两个回路可能会存在负荷不均匀的情况，如果不进行解耦设计，会造成一侧支路持续补水、一侧支路持续储水的情况，逐渐拉低系统运行效率，同时进一步导致支路除氧器性能不均，给系统带来危害，缩比真实物理系统10可以对此问题进行研究。

4、支路汽水平衡模拟试验。

如图5所示，首先利用保障离心泵12及相应管路将保障水罐11供水，然后通过操作员站31将仿真系统20启动，调入预设工况，按照实际系统操作流程，依次启动相应设备或子系统。在支路汽水平衡模拟试验中，仿真系统20启动虚拟蒸汽发生器211、虚拟蒸汽发生器212、虚拟主汽轮齿轮机组23、虚拟主冷凝器24、虚拟汽轮发电机25、虚拟辅冷凝器26，其操作与真实动力系统相似，缩比真实物理系统10启动ⅰ凝水泵132、ⅰ给水泵134。虚拟蒸汽发生器211、虚拟蒸汽发生器212通过集控系统30分别接收调节阀r15、调节阀r16后流量数据，用于给定虚拟蒸汽发生器21水量，缩比真实物理系统10接收仿真系统20凝水流量，并通过调节阀r1和流量计f1保证上水量与仿真系统20中凝水总量实时相等，进而确保整个半物理热力系统汽水平衡。操作员可通过人机界面进行压力、水位、流量等数据的实时监测和存储。

5、可以直接用于真实系统某些特殊工况的模型试验研究。

对于特殊工况，缺少必要的试验数据支撑，单纯的仿真技术精度较差，采用半物理方案后，可以弥补仿真模型精度不足的问题。例如，离心泵模型，现有仿真技术一般采用一维公式或部分设计点进行拟合，而半物理控制回路模拟试验装置直接采用真实的离心泵(凝水泵、给水泵)，在模拟离心泵正常或故障运行时，更为准确。

6、集控系统30可以为故障诊断、健康监测、运维支持、辅助决策等高级智能应用系统提供调试、测试的平台。

以动力系统启动过程辅助决策系统为例，启动过程辅助决策系统可以实现半物理控制回路模拟试验装置的自启动控制，将其下装到集控系统30的服务器35中，启动过程辅助决策系统可以按照一定的顺序和时间间隔完成半物理控制回路模拟试验装置仿真系统20中模型的启动以及缩比真实物理系统10中泵、阀、管路的运行，从而对启动过程辅助决策系统进行验证。在动力系统启动过程辅助决策系统的研究中，集控系统30的操作员站31上具备人机界面，可以显示半物理控制回路模拟试验装置启动的进程及存在的问题，并允许在操作员站31上中断或终止启动过程辅助决策系统，使半物理控制回路模拟试验装置退回到安全状态。因此，半物理控制回路模拟试验装置可成为研究启动过程辅助决策系统的平台。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。