常规岛疏水系统设计

2024-07-26

常规岛疏水系统设计（精选7篇）

常规岛疏水系统设计篇1

一、研究背景

IG541 和FM - 200 灭火系统的特点分别如下:

( 一) IG541 系统。压力高, 可长距离输送药剂, 由于灭火浓度高, 所以需要的钢瓶数量较多。

( 二) FM - 200 系统。压力低, 输送药剂距离短, 一般不超过30 ~ 40m; 由于是卤代烷的同类气体替代品, 其要求灭火浓度低, 所以需要的钢瓶数量较少。但目前国际市场七氟丙烷气体的售价已经上涨了三倍。核电厂具体选用哪种气体消防系统需要根据布置设计是否合理, 经济造价是否最优及主体专业厂房布置等因素综合考虑。现以某小型反应堆常规岛厂房为例, 进行气体消防灭火系统的比选, 为以后工程设计提供参考依据。

二、工程概况

( 一) 该小型反应堆常规岛厂房需要设置的气体消防房间参数。见表1。

( 二) 气体灭火系统区域划分。本工程采用组合分配式气体灭火系统, 根据《气体灭火系统设计规范》中单套组合分配系统所保护的防护区不大于8 个的要求, 并根据工程厂房实际布置情况, 厂房保护区域的划分见表2。

( 三) IG541 气体灭火系统设计。

1. 设计参数。灭火系统设计浓度: 42% ; 防护区最低环境设计温度: 20℃ ; 灭火剂气体在101k Pa大气压和防护区最低环境温度下的质量体积S: 0. 7055m3/ kg。

2. 设计结果。第一套保护区域最大保护区容积约874.77m3。按照灭火浓度42% 计算, 选用惰性气体 ( IG541) 气体的设计用量约675. 42kg, 灭火剂贮存量约729. 46 kg, 充气量80kg的储存瓶, 存储压力按照15MPa计, 所需钢瓶44 个。第二套保护区域最大保护区容积约1007. 39m3, 选用惰性气体 ( IG541) 气体的设计用量约在777. 82kg, 灭火剂贮存量约840. 05 kg, 充气量80kg的储存瓶, 存储压力按照15MPa计, 所需钢瓶51 个。考虑到钢瓶贮量按1 × 100% 备用计, 共需要146 个贮气钢瓶。

( 四) FM - 200 气体灭火系统设计。

1.设计参数。灭火系统设计浓度:9%;防护区最低环境设计温度: 20℃ ; 灭火剂过热蒸汽在101k Pa大气压和防护区最低环境温度下的质量体积S: 0. 13716m3/ kg。

2. 设计结果。第一套保护区域最大保护区容积约874.77m3。按照灭火浓度9% 计算, 选用七氟丙烷气体的设计用量约601. 49kg, 灭火剂贮存量约649. 61kg, 充气量70L ( 充装80kg) 的储存瓶, 存储压力按照4. 2MPa计, 所需钢瓶9 个。第二套保护区域最大保护区容积约1007. 39m3, 选用七氟丙烷气体的设计用量约692. 90kg, 灭火剂贮存量约748. 09kg, 充气量70L ( 充装80kg) 的储存瓶, 存储压力按照4. 2MPa计, 所需钢瓶10 个。考虑到钢瓶贮量按1 × 100% 备用计, 共需要29 个贮气钢瓶。

三、IG541 与FM - 200 设计方案技术经济分析

根据设计计算可知: 七氟丙烷灭火系统方案凝结水配电间、发电机小间两个防护区实际喷放浓度分别为10. 39 和11. 48, 均超标 ( 不能超出10. 05% ) 。IG541 灭火系统方案的发电机小间 ( 距离钢瓶间含当量113 米) 压力完全满足要求, 末端压力不低于0. 2MPa。IG541 与FM - 200 气体灭火系统综合比较情况见表3。

四、结语

通过以上综合比较, 该工程常规岛厂房的气体消防保护无论从其灭火可靠性、系统安全、系统设计还是设备造价等各个方面, 采用IG541 气体灭火系统最为适合。对于后续其他工程常规岛厂房的气体灭火系统设计, 有一定的借鉴意义。在设备造价相当或相差不大的情况下, 宜优先选择IG541 气体灭火系统。若气瓶间建筑面积受限且系统管路长度较短 ( 一般在50m以下) 的情况下, 可以使用FM - 200, 但系统的可靠性和安全性必须保证。

摘要：核电厂常规岛常用的气体消防主要为IG541 (烟烙尽) 气体灭火系统及FM-200 (七氟丙烷) 等洁净气体灭火系统, 主要应用于主厂房的电气电子设备间及网孔楼的配电室、通信室等电气用房。通过对常规岛厂房常用气体消防设计的研究与比选, 达到常规岛电气房间气体消防系统设计安全可靠, 布置设计合理, 造价节省等方面要求。

关键词：气体消防,IG541,FM-200

常规岛疏水系统设计篇2

关键词：常规岛设备冷却水系统,过冷,换热器,SEN/SRI

0 引言

红沿河核电厂是我国东北地区首个核电厂,其厂址位于辽宁省红沿河镇,其参考电站为位于广东省的岭澳一期核电站。南北方厂址最突出的差异条件之一是冬季低温海水环境,红沿河厂址冬季海水最低温度可达-2.5°C,每年冬季低温持续3~6个月。红沿河核电厂常规岛设备冷却水系统参考岭澳一期的进行设计,无法满足该电厂冬季低温运行要求。因此,为了保障核电厂的安全可靠运行,红沿河核电厂常规岛设备冷却水系统设计需进行厂址适应性改进。本文介绍红沿河核电厂常规岛设备冷却水系统设计改进方案,提出推荐方案,经换热分析及计算验证,推荐方案能满足红沿河核电厂常规岛设备冷却水用户对温度限值的要求,满足机组冬季低温运行要求。

1 系统设计介绍

1.1 系统组成及流程[1]

常规岛设备冷却水系统是大型压水堆核电厂中一个必不可少的系统,其功能是为常规岛设备提供冷却水,将设备运转产生的热量导出,保证设备的安全运行。红沿河核电厂常规岛设备冷却水是闭式循环的,闭式循环冷却水热交换器(以下简称换热器)以海水作为冷却水源,其系统包括常规岛闭式冷却水系统(以下简称SRI系统)和辅助冷却水系统(以下简称SEN系统),其流程简图如附图1所示。

SRI系统是一个闭式循环回路,其功能是为设备提供冷却水。设备冷却水经过下游常规岛各设备(或称用户)后温度升高,再流经换热器使温度下降,然后供至下游各用户,形成闭式循环。换热器热侧(以下称SRI侧)为设备冷却水,冷侧(以下称SEN侧)是海水。换热器的冷却水源为海水,海水流经换热器把高温设备冷却水的热量带走,最终流回大海。海水由SEN系统提供。

1.2 设备对冷却水温的要求

红沿河核电厂1号机组的核岛设备冷却水系统于2011年1月份调试,期间出现结冰现象。与核岛设备冷却水系统一样,红沿河核电厂常规岛设备冷却水系统的冷却水源是海水,经分析可知,常规岛设备冷却水同样存在结冰的可能,影响系统安全运行;同时冬季设备所需实际冷却水量很少,远远偏离系统设计的冷却水额定流量,造成设备温度控制阀运行不稳定[2,3,4,5],难以调节到设备实际所需水量,影响设备冷却效果。

红沿河常规岛冷却水用户主要包括转动机械的冷却器及汽轮发电机辅助设备的冷却器,其中后者所需冷却水量占总水量的80%左右。经设备供应商确认,转动机械的冷却器要求冷却水温不低于0℃;汽轮发电机辅助设备的冷却器要求冷却水温不低于15℃,以保证系统调节及冷却效果可靠,满足系统长期稳定运行。此外,红沿河常规岛设备要求冷却水温不超过36.5℃。因此,红沿河核电厂常规岛设备要求冷却水温度不低于15℃,且不高于36.5℃。

1.3 系统设计方案分析

红沿河核电厂常规岛设备冷却水系统参考岭澳一期进行设计。岭澳一期核电厂的常规岛设备冷却水用户仅对冷却水温的上限值提出要求。红沿河核电厂的最低海水温度达到-2.5℃左右,每年冬季低温持续3~6个月。为了适应冬季低温海水环境,红沿河核电厂常规岛设备除了要求冷却水温的上限值外,还对冷却水温的下限值进行限定,即不低于15℃(见本文1.2节)。因此,为了保障核电厂的安全可靠运行,红沿河常规岛设备冷却水系统设计需进行厂址适应性改进,以满足设备冷却水温下限值要求,保证机组冬季安全稳定运行。海水温度为-2.5℃是极端工况,只要系统此工况能满足设备冷却水温下限值要求,即可保证机组冬季安全运行要求,即要求:当海水温度T0在-2.5℃时,SRI侧出口设备冷却水温度不低于15℃。经分析,红沿河常规岛设备冷却水系统厂址适应性改进方案有以下三个:

方案一:SRI侧旁通方案,即:从用户回来的SRI回水在换热器进口前分成两路,一路SRI回水经换热器进行冷却,另一路不换热经旁路,并在换热器出口母管进行冷热水混合使SRI侧出口水温满足用户要求。此方案通过在换热器入口侧增加调节阀,以匹配SRI侧总体管路损失并维持SRI总流量不变。该方案的缺点是:换热器低流量下的换热计算不准确[6,7,8],影响温度调节;存在SRI用户短时的冷冲击问题;系统运行不稳定,易引起因SRI冷却水泵出口压力低而跳闸;需调整SEN泵运行方式及运行逻辑。

方案二:SEN侧排水回流方案,即:将换热器SEN侧出口排水引入SEN泵入口前,使SEN泵吸入口冷、热海水混合,以达到提高进入换热器海水温度的目的。流程简图见图1。

方案三:SEN侧海水旁通方案,即:为补偿海水温度下降导致的换热器换热能力偏高的效应,在换热器SEN侧旁通一部分流量,并通过电动调节阀调节进入换热器的冷却流量,使得换热器的换热能力与SRI用户实际热负荷相匹配。该方案的缺点是:换热器低流量下的换热计算不准确,SRI温度难以精确调控;海水腐蚀冲刷、海生物生长等问题较难解决;运行、检修、定期试验等较为复杂。

方案一和方案三的系统运行与参考电站存在一定的差异,这对后期系统调试、运行带来一定的潜在风险。因此,本文推荐优先采用方案二。以下就针对方案二,进行系统换热能力分析计算,从理论上分析此方案能否满足系统适应冬季低温运行要求。

2 系统换热能力分析及计算

2.1 设计输入

2.1.1 系统设计方案简介

为了满足冬季低温运行要求(即换热器SRI侧出口水温不低于15℃),SEN系统设置海水回流,即通过将换热器SEN侧出口温排水回流到SEN泵前,使泵吸入口冷、热海水混合,以提高进入换热器的海水温度,使SRI侧设备冷却水控制在15℃~36.5℃之间。设备冷却水系统流程简图如图1所示。

2.1.2 SEN系统运行模式

SEN系统运行以海水15℃为界,分夏季、冬季两种运行模式。

夏季模式:夏季时(海水温度高于15℃),开启换热器SEN侧出口管线隔离阀,关闭SEN侧回流管线隔离阀。

冬季模式:冬季时(海水温度低于15℃),打开SEN侧回流管线隔离阀,并根据机组负荷(通过换热器出口设备冷却水水温判断),自动切换换热器SEN侧出口管线阀门的开关状态。

2.1.3 换热计算输入数据

每台换热器设计热负荷:约10980 k W

每台换热器设计流量:

SRI侧冷却水流量1900m3/h;

SEN侧海水流量1954m3/h

每台换热器的换热面积约:465m2

2.2 换热计算的初步分析

系统设计海水回流管道是为了防止SRI侧水温过冷。本文通过理论换热计算,确定回流海水流量范围,并验证此方案在冬季运行工况下(即海水温度在-2.5℃~15℃之间变化时),能否保证SRI侧设备冷却水的出口温度控制在15℃~36.5℃之间。针对图1所示流程图,换热计算的初步分析如下:

(1)常规岛设备冷却水系统用户所需热负荷稳定,即换热器SRI侧冷却水总流量恒定。

(2)换热器的导热能力完全取决于换热器SEN侧出口海水流量M2,其流量越小,系统的导热能力越小。即系统进口海水流量M1一定时,回流海水流量Mh越大,系统导热能力越小。

(3)换热器的导热能力随SEN泵进口海水温度T0上升而降低。当SEN泵进口海水温度在-2.5℃~15℃之间时,海水温度为+15℃时的换热器导热能力最小,海水温度为-2.5℃时的换热器导热能力最大。

(4)当换热器导热能力大于系统用户所需排出的热负荷,则换热器SRI侧出口水温低于15℃,即SRI侧冷却水温过冷,不满足系统运行要求。而海水温度为-2.5℃时的换热器导热能力最大,因此,只要保证海水温度为-2.5℃时,SRI侧冷却水温不过冷,即可保证满足系统运行要求。

(5)系统换热是由非稳态逐渐趋向稳态,最终达到平衡。当系统达到换热平衡,海水温度T1、T2、Th保持不变,且回流海水温度与换热器出口海水温度相等,即Th=T2。

2.3 换热计算

本文为理论计算,不考虑系统实际运行带来的影响。

利用传统换热计算公式,初步试算出海水温度T0在-2.5℃~15℃时,回流海水流量为2800~3000m3h之间,可保证SRI侧设备冷却水出口温度控制在15℃~36.5℃之间。

换热器传热计算公式[9,10]:Q=A×K×LMTD

传热公式:Q=m×C×△T→△T=Q/(m×C)

式中

Q:传热量,SRI侧为放热,SEN侧为吸热;

A:换热面积;

K:总传热系数,为了更好地与实际运行相符,总传热系数从设备供应商处取得;

LMTD:平均对数温差,

其中,TSRIin表示SRI侧进水温度,TSRIout表示SRI侧出水温度,TSENin表示SEN侧进水温度,TSENout表示SEN侧出水温度;

m:热交换介质的质量流量;

C:热交换介质的比热;

△T:热交换介质的温度变化。

2.4 计算结果

计算结果见表1。

℃

说明:T0——SEN泵进口的新海水温度。

由表1可知:

(1)回流海水流量为2500m3/h时,当海水温度T0在-2.5℃~+3.0℃时,SRI侧出口设备冷却水温度在11.15℃~16.65℃,出现过冷(即低于设备要求的15℃);当海水温度T0在+3.0℃~+15℃之间变化时,SRI侧出口设备冷却水温度在16.65℃~28.65℃之间,满足系统安全运行要求的SRI温度限值(15℃~36.5℃)。

(2)回流海水流量为2800m3/h时,当海水温度T0在-2.5℃~-1.0℃时,SRI侧出口设备冷却水温度在14.85℃~16.35℃,出现过冷(即低于设备要求的15℃);当海水温度T0在-1.0℃~+15℃之间变化时,SRI侧出口设备冷却水温度在16.35℃~32.35℃之间,满足系统安全运行要求的SRI温度限值(15℃~36.5℃)。

(3)回流海水流量为3000m3/h时,当海水温度T0在-2.5℃~+15℃之间变化时,SRI侧出口设备冷却水温度在18.68℃~36.17℃之间,满足系统安全运行要求的SRI温度限值(15℃~36.5℃)。

3 结论

由2.4节计算结果可知,回流海水流量为2500m3/h时,海水温度T0高于+3.0℃不出现过冷;回流海水流量为2800m3/h时,海水温度T0高于-1.0℃不出现过冷;回流海水流量为3000m3/h时,海水温度T0在红沿河核电厂最低海水温度-2.5℃下,不出现过冷,满足系统安全运行要求。系统设计可按回流海水量为3000m3/h考虑,系统实际运行可根据实际海水温度适当调节回流海水流量,以满足系统安全运行要求。综上所述,本文推荐的方案二能满足红沿河核电厂机组冬季低温运行要求,通过将换热器SEN侧出口温排水回流到SEN泵前,使泵吸入口冷、热海水混合,提高进入换热器的海水温度,可满足系统安全运行要求的SRI温度限值15℃~36.5℃。根据红沿河核电厂调试运行经验,为了保障核电厂的安全可靠运行,北方沿海核电厂常规岛设备冷却水系统的设计宜考虑适应冬季低温海水的运行要求。本文推荐的设计方案可供北方沿海核电厂常规岛设备冷却水系统设计优化参考。

参考文献

[1]广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备(下册)[M].北京:原子能出版社,2005.

[2]中国电力规划设计协会.DLGJ167-2004火力发电厂调节阀选型导则[S].北京:中国电力出版社,2004.

[3]斯派克工程(中国)有限公司.蒸汽和冷凝水系统手册[Z].上海:上海科学技术文献出版社,2007.

[4]韩子俊.火电厂冷却水系统温度调节阀设置的探讨[J].电力建设,2003,24(10):37-41.

[5]黄仙明.火电厂闭式水系统压力波动原因分析[J].电力安全技术,2010,7(12):51-52.

[6]孙中宁,彭敏俊,林泽,等.换热器热工计算中传热温差计算方法的一致性问题[J].核动力工程,1997,18(4):325-331.

[7]路广遥,王经,孙中宁,等.换热器热力学计算中平均温差计算方法[J].核动力工程,2008,29(1):76-79.

[8]杨世铭.传热学(第2版)[M].北京:高等教育出版社,1987.

[9]史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,2009.

常规岛疏水系统设计篇3

常规PID控制具有结构简单、性能稳定可靠等优点,是工业控制中广泛采用的一种控制策略。工业过程多为多输入多输出(MIMO)系统,利用PID控制器对工业过程中的多变量系统进行控制,主要采用分散常规控制(decentralized control)或解耦控制(decoupling control)的策略。

分散常规控制首先根据系统模型及经验确定控制结构,也就是选取哪些作为操作变量和被控变量以及确定操作变量与被控变量一对一的配对关系[1],配对方法中最著名、应用最广泛的是1966年Bristol提出的相关增益矩阵(RGA)法[2]及其各类改进方法。确定了控制结构,即可兼顾各变量之间的相互影响关系整定对应的分散PID控制器参数,如DNA(direct Nyquist array)方法通过确定Gershgorin带的分布设计分散PID控制器[3]。

分散常规控制具有操作简单易于维护的特点,因而得到广泛应用,但其取得高控制性能的条件是各变量间无耦合作用或耦合较弱[4]。为了保证稳定性,工业上对于耦合系统如果采用分散常规控制策略往往只能采取较为保守的控制器设计方法,这就导致控制性能不佳[5]。对于各变量之间存在较大耦合的系统,尤其是维数较低的系统,可以设计解耦器将多输入多输出系统转化为近似独立的若干个单输入单输出系统,再以单输入单输出系统的参数整定方法进行PID控制器的设计[6]。但是,对于复杂的多输入多输出系统,尤其是维数较高的系统,动态解耦矩阵的设计存在困难甚至是不可实现的,而静态解耦效果提高不是很明显。

采用先进控制(advanced control)是解决多变量系统的有效手段之一,目前应用较为广泛的是基于模型的预测控制(model predictive control,MPC)。不少预测控制算法软件包[7,8]形成了商品化产品,如DMC-plus,RMPCT等。但是,使用这种先进控制器的成本高昂,对于小企业或小型装置来说,所带来的收益还不足以冲销成本支出,因此并不适宜。

本文针对方系统在其分散常规控制的基础上提出一种辅助PID控制器的设计,该辅助控制器以解耦为目标及设计原则。对于已有的分散常规控制系统,理论上可以为剩余的所有操作变量-被控变量控制对都增设PID控制器,从而形成多输入多输出的控制结构,达到减弱耦合提高控制性能的目的。

2 常规多变量控制系统的控制结构

对于n个输入n个输出的多变量系统,其常规控制结构如图1所示。

其中,ri(i=1,2,…,n)——设定值;ei(i=1,2,…,n)——系统偏差;ui(i=1,2,…,n)——操作变量;yi(i=1,2,…,n)——被控变量;G(s)——主配对已经位于对角线上的被控过程传递函数矩阵;C(s)——控制器传递函数矩阵。

$G (s) = [\begin{matrix} g_{11} (s) & g_{12} (s) & \dots & g_{1 n} (s) \\ g_{21} (s) & g_{22} (s) & \dots & g_{2 n} (s) \\ ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ g_{n 1} (s) & g_{n 2} (s) & \dots & g_{n n} (s) \end{matrix}] (1)$

对于传递函数矩阵G(s)的各个单元,一般可以取为一阶纯滞后(FOPDT)模型:

$g_{i j} (s) = \frac{k_{i j}}{τ_{i j} s + 1} e^{- l_{i j} s} (2)$

或二阶纯滞后(SOPDT)模型:

$g_{i j} (s) = \frac{k_{i j}}{ɑ_{2, i j} s^{2} + ɑ_{1, i j} s + 1} e^{- l_{i j} s} (3)$

二者可以描述工业过程中的大部分过程。控制器传递函数矩阵C(s)根据控制方案的不同具有不同的表现形式。对于分散常规控制系统,控制器矩阵只有主对角线上的单元非零,如式(4)所示。

$C_{d e c} (s) = [\begin{matrix} c_{d e c, 11} (s) & 0 & \dots & 0 \\ 0 & c_{d e c, 22} (s) & \dots & 0 \\ ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ 0 & 0 & \dots & c_{d e c, n n} (s) \end{matrix} 5 〗 (4)$

分散常规控制器传递函数矩阵的各个单元都是PID控制器,其传递函数为:

$c_{d e c, i i} (s) = Κ_{Ρ, i i} (1 + \frac{1}{Τ_{Ι, i i} s} + Τ_{D, i i} s) (5)$

对于解耦控制,广义控制器C(s)由解耦器D(s)与分散控制器Cdec(s)组成。

C(s)=D(s)Cdec(s) (6)

$D (s) = [\begin{matrix} d_{11} (s) & d_{12} (s) & \dots & d_{1 n} (s) \\ d_{21} (s) & d_{22} (s) & \dots & d_{2 n} (s) \\ ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ d_{n 1} (s) & d_{n 2} (s) & \dots & d_{n n} (s) \end{matrix} 5 〗 (7)$

其中式(6)中的Cdec(s)形式同式(4)中的Cdec(s)。将式(4)与式(7)代入式(6)可得解耦控制对于原被控过程的广义控制器表现形式:

$C (s) = [\begin{matrix} d_{11} (s) c_{d e c, 11} (s) & d_{12} (s) c_{d e c, 22} (s) & \dots & d_{1 n} (s) c_{d e c, n n} (s) \\ d_{21} (s) c_{d e c, 11} (s) & d_{22} (s) c_{d e c, 22} (s) & \dots & d_{2 n} (s) c_{d e c, n n} (s) \\ ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ d_{n 1} (s) c_{d e c, 11} (s) & d_{n 2} (s) c_{d e c, 22} (s) & \dots & d_{n n} (s) c_{d e c, n n} (s) \end{matrix} 5 〗 (8)$

理想状态下,动态解耦矩阵使对于控制器而言的广义被控对象各个闭环回路互不影响,也就是解耦后的传递函数矩阵需为对角型并且是非奇异的,即:

G(s)D(s)=GR(s)=diag{qii} (i=1,2,…,n) (9)

从而可得理想的解耦矩阵:

D(s)=-1GR(s) (10)

式(10)给出了由解耦后的等效系统及原对象的传递函数矩阵得到解耦矩阵的简要等式关系,但是,传递函数矩阵的求逆运算将产生极为复杂的解耦矩阵解析式[9],因此这种直接求逆的方法在维数较高的系统中存在极大的局限。

在分散常规控制中,各配对的控制器通常根据其它被控变量被闭环控制时的等效闭环传递函数进行设计,某个被控变量设定值的变化则被当成对其它变量的扰动[10]。从式(8)可以看出,若在分散常规控制的基础上直接设计:

$C (s) = [\begin{matrix} c_{11} (s) & c_{12} (s) & \dots & c_{1 n} (s) \\ c_{21} (s) & c_{22} (s) & \dots & c_{2 n} (s) \\ ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ c_{n 1} (s) & c_{n 2} (s) & \dots & c_{n n} (s) \end{matrix} 5 〗 (11)$

其中:

cii(s)=cdec,ii(s)即dii=1 (i=1,2,…,n) (12)

cij(s)≈dij(s)cdec,jj(s) (i≠j) (13)

使式(9)得到满足,则可以减弱各被控变量设定值改变时对其它变量的扰动,达到减弱耦合提高控制性能的目的。式(13)中的cij(s)可以取为PID形式,即:

$c_{i j} (s) = Κ_{Ρ, i j} (1 + \frac{1}{Τ_{Ι, i j} s} + Τ_{D, i j} s) (i \neq j) (14)$

其特性应与式(8)中解耦单元与主控制对PID单元的乘积近似。cij(s)(i≠j)即为本文所述的辅助控制器,从而与分散常规控制器共同形成了全配对的控制器矩阵。

3 理想解耦状态下控制器各单元间的关系

对于n维的多输入多输出方系统,根据解耦原理,则当一个被控变量的设定值发生改变时,其它被控变量应尽可能保持不变,则前向通道的传递函数应为对角型[11],即:

G(s)C(s)=diag ${\hat{q}_{i i} (s)} (i = 1, 2, \dots, n) (15)$

对于控制器矩阵的每一列,可以得到:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} G_{r, 1} (s) \\ G_{r, 2} (s) \\ ⋮ \\ G_{r, n} (s) \end{matrix} 5 〗 C_{c, i} (s) = [0 \dots 0 \hat{q}_{i i} (s) 0 \dots 0]^{Τ} \\ (i = 1, 2, \dots, n) (16) \end{array}$

其中Gr,i(s)表示G(s)的第i行,Cc,i(s)表示C(s)的第i列。式(16)等价于:

$[\begin{matrix} G_{r, 1} (s) \\ ⋮ \\ G_{r, i - 1} (s) \\ G_{r, i + 1} (s) \\ ⋮ \\ G_{r, n} (s) \end{matrix}] C_{c, i} (s) = 0 (i = 1, 2, \dots, n) (17)$

$G_{r, i} (s) C_{c, i} (s) = \hat{q}_{i i} (s) \neq 0 (i = 1, 2, \dots, n) (18)$

对于任一确定的i,对式(17)进行如下变换,将包含cii(s)的项移到等式右边可得:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} g_{11} (s) & \dots & g_{1 (i - 1)} (s) & g_{1 (i + 1)} (s) & \dots & g_{1 n} (s) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ g_{(i - 1) 1} (s) & \dots & g_{(i - 1) (i - 1)} (s) & g_{(i - 1) (i + 1)} (s) & \dots & g_{(i - 1) n} (s) \\ g_{(i + 1) 1} (s) & \dots & g_{(i + 1) (i - 1)} (s) & g_{(i + 1) (i + 1)} (s) & \dots & g_{(i + 1) n} (s) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ g_{n 1} (s) & \dots & g_{n (i - 1)} (s) & g_{n (i + 1)} (s) & \dots & g_{n n} (s) \end{matrix}] [\begin{matrix} c_{1 i} (s) \\ ⋮ \\ c_{(i - 1) i} (s) \\ c_{(i + 1) i} (s) \\ ⋮ \\ c_{n i} (s) \end{matrix}] \\ = - [g_{1 i} (s) \dots g_{(i - 1) i} (s) g_{(i + 1) i} (s) \dots g_{n i} (s)]^{Τ} c_{i i} (s) (19) \end{array}$

从而可以得到c1i(s),…,c(i-1)i(s),c(i+1)i(s),…,cni(s)由cii(s)的表示形式:

$[\begin{matrix} c_{1 i} (s) \\ ⋮ \\ c_{(i - 1) i} (s) \\ c_{(i + 1) i} (s) \\ ⋮ \\ c_{n i} (s) \end{matrix}] = F_{c, i} (s) c_{i i} (s) (i = 1, 2, \dots, n) (20)$

其中:

$\begin{array}{l} F_{c, i} = \\ - [\begin{matrix} g_{11} (s) & \dots & g_{1 (i - 1)} (s) & g_{1 (i + 1)} (s) & \dots & g_{1 n} (s) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ g_{(i - 1) 1} (s) & \dots & g_{(i - 1) (i - 1)} (s) & g_{(i - 1) (i + 1)} (s) & \dots & g_{(i - 1) n} (s) \\ g_{(i + 1) 1} (s) & \dots & g_{(i + 1) (i - 1)} (s) & g_{(i + 1) (i + 1)} (s) & \dots & g_{(i + 1) n} (s) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ & ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ g_{n 1} (s) & \dots & g_{n (i - 1)} (s) & g_{n (i + 1)} (s) & \dots & g_{n n} (s) \end{matrix}]^{- 1} [\begin{matrix} g_{1 i} (s) \\ ⋮ \\ g_{(i - 1) i} (s) \\ g_{(i + 1) i} (s) \\ ⋮ \\ g_{n i} (s) \end{matrix}] (21) \end{array}$

本文假设主对角线上的控制器cii(s)即分散常规控制器已经采用合适的方法得到,对于控制器矩阵每一列上的非主对角线单元即辅助控制器cij(s)(i≠j),理论上可直接以式(20)求解得到,从而完成辅助控制器的设计。

4 辅助控制器参数的获取

从式(21)中Fc,i(s)的求逆表达式可以看出,直接以式(20)求解cij(s)显然将使得其解析式极其复杂,不可能得到PID控制器的表达形式,因此只能通过恰当的方法近似求取。Astrom通过其实验研究结果表明:具有相似穿越(crossover)频率响应的过程不管他们的开环行为如何,都有相似的闭环响应[12];文献[11,12]则更加明确地指出:模型的开环频率响应不需要在所有频段都很准确,只需在穿越频率附近或控制器的工作频带范围内足够准确,就可以满足系统设计的要求[13,14]。因此可以通过特定点频域近似的方法求解辅助配对各控制器的参数。取s=jwk(k=1,2,…,m),则式(20)转换为:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} c_{1 i} (j w_{k}) \\ ⋮ \\ c_{(i - 1) i} (j w_{k}) \\ c_{(i + 1) i} (j w_{k}) \\ ⋮ \\ c_{n i} (j w_{k}) \end{matrix}] = F_{c, i} (j w_{k}) c_{i i} (j w_{k}) \\ (i = 1, 2, \dots, n ； k = 1, 2, \dots, m) (22) \end{array}$

设fij(jwk)为矩阵F(jwk)的元素,为便于表示,对其进行如下处理:

$f_{i j}^{´} (j w_{k}) = {\begin{cases} f_{i j} (j w_{k}) (i < j) \\ f_{(i - 1) j} (j w_{k}) (i > j) \end{cases} (23)$

对照式(14),可得:

$\begin{array}{l} Κ_{Ρ, i j} (1 + \frac{1}{j w_{k} Τ_{Ι, i j}} + j w_{k} Τ_{D, i j)} = f_{i j}^{´} (j w_{k}) c_{j j} (j w_{k}) \\ (i = 1, 2, \dots, j - 1, j + 1, n; j = 1, 2, \dots, n) (24) \end{array}$

对于确定的i与j,每一个不同的非零wk(k=1,2,…,m),式(24)都可以得到一个复数方程,该复数方程可以拆分为2个实数方程,其中有3个未知数KP,ij、TI,ij与TD,ij,因此可以取m≥2采用最小方差法进行求解[15]。wk取值范围为(0,wc,wc为多变量系统的关键频率,可以取其开环传递函数矩阵主对角线频域模型的最小穿越频率。若系统维数不高,可直接以0与wc两点频率特性进行拟合,则:

$\lim_{s \to 0} s c_{i j} (s) = \lim_{s \to 0} s f_{i j}^{´} c_{j j} (s) (25)$

cij(jwc)=fij′(jwc)cjj(jwc) (26)

式(25)、(26)可以求解出控制器矩阵非主对角线单元辅助控制器的参数:

kP,ij=ReJWC)CJJ(JWC) (27)

$Τ_{Ι, i j} = \frac{k_{Ρ, i j} Τ_{Ι, j j}}{k_{Ρ, j j} f_{i j}^{´} (0)} (28)$

$Τ_{D, i j} = \frac{Ι m [f_{i j}^{´} (j w_{c}) c_{j j} (j w_{c})]}{k_{Ρ, i j} w_{c}} + \frac{1}{Τ_{Ι, i j} w_{c}^{2}} (29)$

对于一阶纯滞后环节,大量研究表明采用PI控制器已经可以满足需要[16],因此从配对的微分控制作用可以不投用。对于二阶或更高阶的系统,则可以考虑加入微分作用。控制器矩阵通过这种设计,可以使系统近似满足式(15),实际上完成了对多输入输出系统的近似动态解耦。

在实际应用时,为了保证系统的稳定性,辅助控制器必需在相应的主控制器投用之后才能投用,即cij(s)(i≠j)投自动的前提是cjj(s)投自动,一旦cjj(s)切换为手动,cij(s)也需立即切换为手动,否则有可能造成系统不稳定。同时,主控制器的参数调整之后相应辅助控制器的参数也需进行相应调整,否则也有可能形成正反馈导致不稳定。

5 示例研究

以Shell公司的典型控制问题为例,其两入两出系统的传递函数矩阵为[17]:

$G (s) = [\begin{matrix} \frac{4.05 e^{- 27 s}}{50 s + 1} & \frac{1.77 e^{- 28 s}}{60 s + 1} \\ \frac{5.39 e^{- 18 s}}{50 s + 1} & \frac{5.72 e^{- 14 s}}{60 s + 1} \end{matrix}]$

操作变量为塔顶回流量u1与塔侧抽出量u2,被控变量为塔顶产品浓度y1与塔侧产品浓度y2。该过程是一个典型的多输入多输出系统,各变量之间存在严重的耦合。其静态增益:

$G (0) = [\begin{matrix} 4.05 & 1.77 \\ 5.39 & 5.72 \end{matrix} 2$

以RGA分析得其配对关系为(u1-y1,u2-y2),采用等效闭环传递函数与幅值及相角裕度的方法可以得到其分散常规控制器为:

c11:KP=0.312,TI=41.14

c22:KP=0.581,TI=41.55

被控对象传递函数各单元相位为-π时的频率:

$w_{c} = [\begin{matrix} 0.0687 & 0.0651 \\ 0.0984 & 0.1219 \end{matrix} 2$

因此取关键频率wc=0.068 7,由传递函数矩阵及分散常规控制器取s=0.068 7j得wc处的频率特性:

$G (0.0687 j) = [\begin{matrix} 1.13 e^{- 0 j} & 0.42 e^{- 3.26 j} \\ 1.51 e^{- 2.52 j} & 1.35 e^{- 2.29 j} \end{matrix} 2$

c11(0.068 7j)=0.331e-0.340j

c22(0.068 7j)=0.616e-0.337j

由式(21)、式(23)计算得:

f′12(0)=-0.437; f′12(0.068 7j)=0.369e-3.26j

f′21(0)=-0.942; f′21(0.068 7j)=1.117e-3.37j

进一步根据式(27)、(28)得到辅助控制器参数:

c12:KP=-0.204,TI=33.42

c21:KP=-0.312,TI=43.57

辅助控制器与原有的分散常规控制器实际形成了控制器矩阵:

$C (s) = [\begin{matrix} 0.312 (1 + \frac{1}{41.14 s}) & - 0.204 (1 + \frac{1}{33.42 s}) \\ - 0.312 (1 + \frac{1}{43.57 s}) & 0.581 (1 + \frac{1}{41.55 s}) \end{matrix}]$

另外设计相应的静态解耦控制器,分别对三种控制策略进行阶跃测试,y1设定值在0时刻做+1的阶跃,y2的设定值在500 min时做+1的阶跃,控制仿真曲线如图2所示。

比较图中各种控制策略的控制效果可以看出,通过本文方法设置了辅助控制器之后,基本上消除了各被控变量间设定值变动时的相互扰动,控制性能较原来的分散常规控制大幅提高,同时也优于静态解耦控制。

6 结论与展望

本文在原有分散常规控制的基础上以解耦原理及频域近似的方法设计辅助PID控制器,降低了各变量间的耦合作用,获得了比分散常规控制与静态解耦控制更好的控制性能。该控制策略的辅助控制器也是PID形式,对于在役的DCS系统,只需对组态稍加改进即可实现,硬件开销小,是提高已有系统控制性能的一种有效途经。

从多变量控制器的形式可以看出,本文所设计的辅助控制器加上原有的分散常规控制器形成了全配对的控制器矩阵,实现了多输入多输出的控制结构,实际上这是一种与分散常规控制(decentralized control)相对应的控制策略——集中常规控制(centralized control),国外已经有学者提出这种概念并将其转化为一个动态优化问题选择配对结构并求解PID参数[18]。

集中常规控制本质上是针对多变量被控过程直接设计PID控制器矩阵,这是一种新的控制策略。本文仅仅针对已经设计好分散常规控制器的方系统将所有剩余配对纳入控制系统设计了辅助控制器,在实际应用中,有些辅助配对完全可以不设置控制器,例如该配对增益极小或时间常数过大时;并且,在非方系统中,对于未纳入原分散常规控制方案的操作变量,也可以根据实际情况将其纳入辅助控制系统中。有关这种各配对控制器的取舍与非方系统辅助控制器的设计等问题尚有待进一步深入研究。

摘要：利用PID控制器对多变量系统进行控制,主要采取分散常规控制或解耦控制的策略。对于存在耦合的系统,分散常规控制无法消除各变量间的相互扰动,而直接设计动态解耦矩阵有时候会存在困难,静态解耦的效果却并不明显。针对已设计好分散常规控制器的方系统,以解耦为目标和原则,设计多变量系统中分散常规控制方案剩余配对的控制器作为辅助控制器,以频域近似的方法整定其PID参数,实现多输入多输出的控制结构,降低了各变量的相互耦合作用,提高了控制性能。通过对Shell公司的典型控制问题的辅助控制器设计与仿真实验,取得了比原有分散常规控制与静态解耦控制更好的控制效果,验证了控制策略的可行性与有效性。

常规岛疏水系统设计篇4

工程项目建造运行过程中, 工艺专业尤其是工艺系统的设计质量直接决定着该工程项目采购、建造、运行及维修维护的成本。基于此, 本文着重讨论火电厂工艺专业典型流体系统设计注意事项。

1 典型流体系统设计注意事项

下文着重介绍11类电厂典型流体系统设计/布置注意事项。

1.1 泵出入口管道

与泵连接的管道、阀门的布置应考虑在不妨碍其它设备运行的情况下拆除或更换泵、叶轮或活塞等部件[1]。

如需要在泵的入口接管嘴和管道之间布置大小头, 对于水平的入口接管嘴, 应使用偏心大小头。大小头的安装应保证不产生气袋, 且不积液。泵的出口接管可选用变径法兰以在必要时代替带颈法兰和大小头的组合。

如离心泵的出口设置止回阀, 那么应将其安装在泵出口关闭阀的上游。

加热器疏水泵应配置再循环管路和壳体排气管线, 并分别引回至加热器合适位置。再循环管路可是连续或间歇式运行。

当给水采用2台或以上并联布置时, 如其各自的再循环管线引至泵吸入口水源处, 该管线不设置止回阀。通过备用泵泄露管线回流的小流量可保持泵的温度, 因此不再设置独立暖泵管线。平衡鼓泄露管线应与再循环管线独立, 独立输送至除氧器[1]。

立式凝结水泵出入口应设置排气管线, 除非已设置与泵壳一体的排气点并经厂家认证可不再设置排气管线。每台泵的每一根排气管线都应与凝汽器单独相连。泵出口排气管线应在起动后和维护时关闭[1]。

1.2 与汽轮机连接的管线

在靠近汽轮机蒸汽进口处安装手动截止节流阀。如设置了脱扣节流阀, 可不设手动阀。

如汽轮机本身未设过滤器, 则应在手动节流阀和汽轮机之间设置过滤器。如汽轮机排汽管路上设有关闭阀, 且在关闭阀前已完成凝结水收集, 应在关闭阀前设置疏水点。DN150或以上的汽轮机排汽管道膨胀节应安装在机体铸铁法兰和固定弯头之间。可能产生凝结水的所有汽轮机部件及其连接管道, 均应布置合适的疏水管道。进入汽轮机的饱和蒸汽管线上的所有阀门前均应设置集水罐以收集凝结水。如节流阀是垂直安装的, 应在阀前设置疏水管。主蒸汽调节阀阀杆疏水管线上不应设置任何阀门。

1.3 蒸汽管线

如使用减压阀, 则应在系统低压侧布置1个或更多个卸压装置或安全阀, 也可将低压侧管道和设备设计为高压侧设计压力[2]。水平联箱上连接的支管应从联箱上部或侧面引出。

对于饱和蒸汽系统, 应在系统的低点和管道盲区端部设置疏水器。过热蒸汽系统在低点应设置疏水点并连接至疏水罐或其他安全排放点。

运行压力不同的蒸汽联箱或蒸汽设备的疏水管线, 应单独布置。疏水管线上阀门的口径应与疏水器相同。疏水器两端均应设计为便于拆除的连接形式。如多根疏水管线排放至同一联箱, 每根疏水管线上均应布置隔离阀和止回阀。在每个疏水器的上游均应设置过滤器。1.7 MPa或230℃以上参数闸阀应设置合适口径的旁路管道[3]。每根抽汽管线上均应设置1个电动闸阀和1个止回阀并由汽轮机上的油动快速切断阀和加热器高液位浮子控制器控制。

通往除氧器蒸汽联箱的抽汽管道应设置2个止回阀。其中一个由油动快速切断阀控制, 另一个由除氧器储罐高液位浮子控制。当辅助蒸汽引至除氧器、闪蒸器或锅炉汽动给水泵时, 应在抽汽管线上设置第3个止回阀以防辅助蒸汽回流至汽轮机。

饱和蒸汽抽汽管路, 应在汽机侧止回阀前疏水管线上设置1个闸阀、过滤器、疏水器, 并设置直接通往主凝汽器的旁路。抽汽管路疏水管线不应设置止回阀也不应设计联箱/支管, 以防止在止回阀附近产生回流或疏水不畅。如低压抽汽管路疏水管线上有环形水封, 则应在水封处设置带阀门的旁路, 以防在机组加速阶段或低负荷时抽汽管路与凝汽器压差很小时该部分管道堵塞。主汽阀前疏水管线应连接至疏水罐。主汽阀后疏水管线应连接至凝汽器本体。高再和低再的疏水管线应连接至凝汽器本体。

所有引入除氧器的外部蒸汽管线应通过单独的接管嘴直接引入除氧器的饱和蒸汽空间, 不应连接至通往除氧器的抽汽管线。当从送往除氧器的抽汽管线抽汽作为辅助蒸汽以加热空气或供建筑物设施使用时, 供汽点应设在2个止回阀之间。

大型机组蒸汽吹扫管线应在设计初期给予考虑, 以避免和其它管道、设备的冲突。

1.4 放气管道

直接向大气排放的主、辅蒸汽安全阀应在阀门出口处设置疏水口, 由管路引至安全排放点。各阀排气管不应接入联箱, 而应直接单独排向大气。

每级抽汽加热器都应设置独立排气管线, 并且不应与其它疏排管线汇流。每一根排气管线都应完全疏水以防形成环形水封。抽汽加热器壳侧排气管线应设置孔板并设置旁路, 除非加热器供货商有特殊设计。孔板应位于管线的最高点, 管线由孔板向两侧放坡。运行于环境压力或接近环境压力的加热器, 若有两条或更多设置阀门的排气管线, 则应将所有排气管线汇流并引入凝汽器的空冷腔室。

1.5 凝汽器抽气管线

当同时使用机械真空泵和射汽抽气器抽真空并安装有自动转换系统时, 则应将中间凝汽器的疏水收集至主凝汽器中, 而不采用传统的环形水封。这样可避免从射汽抽气器向机械真空泵转换时, 空气逆流至主凝汽器中。

射汽抽气器的供汽管线上应安装过滤器。辅助抽气器的排放管线应单独通过屋顶布置, 不能与安全阀排放管线共用。

1.6 凝结水管道

从除氧器至给水泵进口的管道应尽可能短、直, 以避免额外的摩擦阻力损失, 并保持凝结水较快流速;由此保证甩负荷工况时, 当除氧器内压力降低到泵入口管线内的凝结水汽化前, 泵入口管道内液体不会汽化。此段管道应尽量垂直, 如必须使用一段水平管道, 那么水平管应紧挨给水泵布置, 并且向给水泵放坡不小于15°[1]。

除氧器储罐上应设置通往凝汽器的疏水管线, 管线流量应为凝结水流量的4%左右。凝汽器入口处应设置带限位开关的电动闸阀, 当储罐液位达到高位时打开;另外应设置单独的液位开关, 当储罐水位恢复到合适高度时关闭电动阀。除氧器储罐和电动阀之间应使用三通连接手动疏水阀。

1.7 Cl2管道

Cl2容器至用户之间的干Cl2管道应选用Sch.80钢管。Cl2管线阀门应选用对应管道设计压力/温度等级的铜或钢制隔膜阀, 以避免泄露。

1.8 冷却水管道

对于使用水套冷却的轴承, 冷却水应优先通过下半部再通过上半部, 除非设备制造商指定需选用并行冷却水管路。带水套的自找正轴承的冷却水应使用并行管路。

油冷器、气缸水套和压缩机机后冷却器的冷却水管路上的阀门应使用不小于DN20 mm的截止阀。小型泵轴承的冷却水管可选用更小口径的阀门。如冷却水管路上使用电磁阀, 则应设置旁路。

开式冷却水的排出口在调节阀操作处应可见。如开式水向沟道排放时, 排水管出水口应比沟道顶部低10 mm左右。当若干疏水管线同时排向沟槽时, 其布置应保证每一根排水管道的出水量清晰可见。

H2、空气、润滑油、密封油等冷却器的冷却水管道入口管线应选用闸阀, 出口管线应使用截止阀或其它类型调节阀以确保冷却器在任何时候内部都充满冷却水。

如凝汽器循环水排水设计利用负压虹吸功能, 则循环水排水应优先排放至循环水的出水口而非循环水管线上, 从而避免潜在的空气泄露以防破坏循环水管道内的负压。

1.9 压缩空气管线

活塞式压缩机出口管线通常不设置止回阀;如需配置止回阀, 应选用抗冲击式止回阀以抵抗持续的冲击。必要时应在空压机出口管线上设置缓冲罐。

2台或以上空压机的吸入口管线不应互相连接, 每个空压机应有自己独立的吸入管线 (以及过滤器) 。

1.1 0 燃气管线

电厂使用的天然气中应加入增味剂以达到检漏的目的。增味剂的接入点应设在靠近厂区入口的供汽管线上。燃气管线的放气管线应直接穿过屋顶向大气排放, 不应与其它管道汇合。

如使用环形燃烧器, 则应在每个燃烧器和其对应的隔离阀之间布置DN20 mm堵头, 以便在锅炉检修时使用压缩空气吹扫燃烧器, 或者用于测量管道气压分布时安装压力计[3]。

燃气隔离电磁阀的压力信号点应尽可能靠近燃烧器并应处于每个燃烧器隔离阀上游。所有燃烧器的供气控制阀应尽可能布置在可一边操作一边通过窥视孔观察到火焰的位置。燃气燃烧器导管应从总管顶部引出, 对于湿燃气管线, 应设置疏水收集罐或气液分离器。

1.1 1 燃油管线

主燃油供给管线上应设置过滤器。连接各个燃烧器的供油支管应从燃烧器联箱的顶部引出, 以避免颗粒杂质进入燃烧器。

除非使用蒸汽夹套或其它措施为燃油泵提供暖泵线, 否则应在出口止回阀处布置带阀门的DN15 mm旁路管道, 以使燃油泵能在小流量下持续怠速运转, 以保持一定的预热温度。

燃油泵和管道应布置在远离风机入口的地方, 以消除由于泵或管道失效, 导致燃油被吸入风机而引发火灾的风险。

燃油加热器的油侧泄压阀排放管线应连接至回油管线上泵进口阀的油罐侧, 以尽量远离燃油泵, 避免因再循环引起燃油过度加热。

2 结语

从火电厂典型流体系统设计/布置方面讨论了火电厂工艺系统设计、审查的特别注意事项。对于具体的工程项目, 工艺系统设计人员应结合具体的厂址条件、用户要求及相关法律法规要求, 并充分借鉴其它类似电厂先进设计运行经验, 选用最优流体系统设计方案确定最经济合理的管道及其附件选型、管道及其附件布置, 以达到工程投资尽可能经济、运行成本及维护费用尽可能低的目标[4]。

摘要：叙述了在常规火电工艺专业典型流体系统设计过程中应该注意的注意事项, 确保工程投资尽可能经济, 运行成本及维护费用合理化。

关键词：常规火电,典型流体系统,设计注意事项

参考文献

[1]中华人民共和国电力工业部.DL/T 5054-1996中国标准书号[S].北京:中国电力出版社, 1996.

[2]中华人民共和国电力行业标准.DL 5000-2000中国标准书号[S].北京:水利电力出版社出版, 1994.

[3]宋贵良.锅炉计算手册[M].吉林:辽宁科学技术出版社, 1995.

常规岛疏水系统设计篇5

配对方法中最著名、应用最广泛的是1966年Bristol提出的相关增益矩阵(RGA)法[4]。RGA的最大优势在于计算简便,但由于RGA只利用了稳态增益, 而没有考虑过程的动态特性,有时会得出错误的关联分析结果。为此,为了克服RGA的缺陷,提出了不少改进的配对方法[5,6,7,8,9,10,11]。其中Xiong Q等提出了有效RGA(ERGA),引入系统的开环稳态增益和带宽或截止频率,定义了ERGA的形式[5]。相比于RGA,计算虽然复杂,但能反映动态信息。笔者基于开环阶跃响应进行时域分析,充分考虑到系统的动态信息,给出了一种新的关联分析方法,即动态相对增益阵(Dynamic-RGA)。通过动态相对增益阵对多变量系统进行关联度分析,能够得到较好的配对结果。

1 动态相对增益阵(Dynamic-RGA)

基于RGA和NI的配对规则的优势是判定回路之间的关联度仅仅依靠稳态增益[12],稳态增益的获取是很容易的。与此同时,这种配对规则的缺点也是只用了稳态信息,而忽略了动态信息,有时会得出错误的关联分析结果,在此用以下例子说明动态信息的重要性。

考虑如下传递函数的2×2系统:

undefined

基于文献[4]中的计算方法求得RGA阵为undefined,按照RGA的定义应该是采用(y1-u1)、(y2-u2)配对,表示配对后闭环系统稳定性的Niederlinski指数NI大于0,系统稳定。但是注意到传递函数阵对角线元素的开环时间常数为10,远远大于非对角元素,采用(y1-u2)、(y2-u1)配对方式(NI>0)响应更加迅速。李少远和蔡文剑使用最优PI控制器设计的方法对此类例子进行的仿真表明,(y1-u2)、(y2-u1)的配对更加合理[13]。为不失一般性,再考虑一个具有时滞的传递函数阵:

undefined

其RGA值为undefined,对角元素配对和非对角元素配对的NI都大于0,根据配对准则采用(y1-u1)、(y2-u2)配对,但是McAvoy T等使用最优PI控制器设计的方法证明(y1-u1)、(y2-u2)配对导致不理想的闭环性能指标,反而非对角配对具有较好的效果[9]。导致对角配对效果差的主要原因是其传递函数的动态特性。显而易见,对角线上的元素其时间常数和时滞是100和40,远远大于非对角线元素(10和4),响应速度快的回路充分利用时间解耦,以至于使慢速回路的影响消弱。这两个例子充分说明了动态信息对于回路配对准则的影响,基于此在下文中提出了新的配对方法。

上述分析清晰地指出了RGA配对规则的不足,表明了动态信息对关联度分析的重要性。笔者基于此提出了一种新的配对方案——动态相对增益阵(Dynamic-RGA):

undefined

RGA(t)为动态响应过程中不同时刻对应的相对增益阵,可以表示多变量系统不同时刻的关联度。为了对系统关联度给出一个全局的衡量标准,笔者采用RGA(t)在特定时间段[t0,tn]内的积分均值,即动态相对增益阵进行系统关联度分析。下面将对动态相对增益阵进行详细解释说明。

传统的RGA是在开环稳态增益的基础上建立的,只包含了稳态信息,而忽略了动态信息,在此基础上笔者提出了RGA(t)的概念,对传递函数阵中各个元素在开环单位阶跃响应下进行时域分析。已知在响应曲线到达稳态时对应的幅值大小为开环稳态增益,那么可以推出各个时刻对应响应曲线的幅值为该子系统各个时刻的“开环稳态增益”,称之为开环动态增益。利用RGA的定义笔者将各个时刻传递函数阵中所有元素对应的开环动态增益组成一个阵列,然后求出不同时刻的相对增益阵RGA(t),即可判断多变量系统这个时刻的关联度,具体求解为,假设n×n传递函数阵的开环稳定系统为:

undefined

G(s)中的每一个传递函数在单位阶跃函数的作用下,得其单位阶跃响应阵:

undefined

然后对单位阶跃响应阵进行拉普拉斯反变换得:

undefined

RGA可由下式得到[4]:

Λ=G(0)⊗G(0)-T (4)

其中G(0)为系统的开环稳态增益矩阵,结合RGA的概念推广到RGA(t):

RGA(t)=Y(t)⊗Y(t)-T (5)

在式(5)中, Y(t)为系统的开环动态增益矩阵,即单位阶跃响应曲线幅值阵随时间t变化的情况,当t→∞时,Y(t)=G(0)也就是阶跃响应曲线的稳态值所组成的阵为系统开环稳态增益阵。Y(t)-T为Y(t)逆的转置,运算符⊗为Hadamard乘法,即矩阵元素乘法。

当Y(t)逆矩阵不存在时,系统不存在关联作用[14],设时刻θ是Y(t)逆矩阵存在的最小时刻,则当t≥θ时系统开始存在关联作用,这时能很快判定出动态响应过程中各个时刻系统的关联度,而不是只局限于最终稳态点的关联程度,即动态过程中的相对增益阵,当t→∞时,RGA(t)=RGA。

对于前面所提到的具有时滞的传递函数矩阵undefined求其RGA(t)。如图1所示,当响应时间大于4min时,系统开始存在关联作用,一开始非对角占优,即(y1-u2)、(y2-u1)配对系统关联作用较小,随着时间的推移,对角元素开始占优,即(y1-u1)、(y2-u2)的配对更加合理,随着时间的递推直至稳态也就是RGA反映的配对效果:

undefined

最后为了确定动态相对增益阵,必须明确式(1)中的积分下限t0和积分上限tn。在RGA(t)的分析中,得知当Y(t)逆矩阵不存在时,系统不存在关联作用,设时刻θ是Y(t)逆矩阵存在的最小时刻,即系统存在关联作用的最小时刻。因此确定式(1)的积分下限t0=θ。

对如下过程:

Y(s)=G(s)U(s) (6)

设传递函数阵中的元素可描述为一阶纯滞后对象,即:

undefined

采用系统开环单位阶跃响应进行时域分析,而传递函数阵中元素的单位阶跃响应的主要响应部分(63.2%)发生在时间Tij+τij内,因此选择积分上限:

tn=max{T11+τ11,…,Tij+τij,…,Tnn+τnn}

则在积分时间内包括了所用元素阶跃响应的大部分动态信息。

对于传递函数阵中的元素可描述为二阶纯滞后对象,即:

undefined

由于二阶纯滞后对象单位阶跃响应可能存在振荡特性,所以其阶跃响应主要部分发生在调节时间ts,ij内,undefined。因此,对于二阶纯滞后对象选取积分上限:

tn=max{ts,11,…,ts,ij,…,ts,nn}

对比与RGA的配对规则,Dynamic-RGA的配对规则如下:

a. 尼德林斯基指数NI为正;

b. 配对的Dynamic-RGA元素接近于1;

c. 被选择配对的ERGA元素必须是正数;

d. 大的Dynamic-RGA元素应该避免。

利用Dynamic-RGA方法测量整个响应过程中各个回路之间的关联作用,其意义为:

a. Dynamic-RGA的侧重点与RGA不同,RGA是侧重于稳态信息,Dynamic-RGA中包含了系统响应过程的大部分信息,提出了注重响应动态信息的概念;

b. Dynamic-RGA仅仅用了开环传递函数的信息并且提供了对整个动态过程关联作用的综合描述,简便有效。

2 实例分析

例1 考虑如下传递函数的2×2系统:

undefined

分别计算其RGA、ERGA阵列如下:

undefined

采用Dynamic-RGA方法,确定积分下限t0=1.1min(大于1min即可,笔者取1.1min),积分上限为tn=101min。

undefined

根据RGA和ERGA配对规则,选用(y1-u1)、(y2-u2)配对(NI=1.2),而Dynamic-RGA给出的配对结果是(y1-u2)、(y2-u1)(NI=6.0)。为了验证配对方案合理性,笔者依据不同的回路配对方案,基于文献[15]的IMC-PID参数设计方法优化各回路的PID控制器参数。y1的设定值在0min时做了+1的阶跃,y2的设定值在120min时做了+1的阶跃。控制仿真曲线如图2所示。

从图2的控制仿真比较曲线可以看出,采用Dynamic-RGA方法得到的(y1-u2)、(y2-u1)配对方案,能够得到较好的控制效果。

例2 考虑如下3×3的精馏塔过程[16]:

undefined

针对以上精馏塔过程,文献[17]的多变量系统性能分析得出,使用再沸器热负荷u1控制塔底板温度y1,使用回流比u3控制塔压y2,使用塔顶馏出量u2控制回流釜液位y3得到最佳的控制效果。分别计算其RGA、ERGA阵列如下:

undefined

根据Dynamic-RGA方法,确定积分下限t0=1.9min,积分上限为tn=460min。

undefined

根据以上3种配对规则,均采用(y1-u1)、(y2-u3)、(y3-u2)配对(NI=39.7),与文献[17]最佳配对方案一致。

例3 考虑如下3×3系统(取自文献[18]):

undefined

分别计算其RGA、ERGA阵列如下:

undefined

根据笔者的方法,确定积分下限t0=3.6min,积分上限为tn=13.7min,为最大调节时间。

undefined

根据RGA和ERGA配对规则,选用(y1-u3)、(y2-u2)、(y3-u1)配对(NI=1.45),而Dynamic-RGA给出的配对结果是采用(y1-u2)、(y2-u3)、(y3-u1)配对(NI=2.3998)。

为了验证配对方案的合理性,笔者依据不同的回路配对方案,基于文献[15]的IMC-PID参数设计方法优化各回路的PID控制器参数。y1的设定值在0min时做了+1的阶跃,y2的设定值在300min时做了+1的阶跃,y3的设定值在600min时做了+1的阶跃,控制仿真曲线如图3所示。

从图3的控制仿真比较曲线可以看出,上例中的Dynamic-RGA配对方案是最合理的,即采用(y1-u2)、(y2-u3)、(y3-u1)配对。

通过以上的实例计算和仿真结果可以看出,笔者提出的新的变量配对方法Dynamic-RGA能够得到合理的配对结果。RGA只考虑了系统的稳态信息,不能表示系统的整个过程响应,所以可能得到错误的配对结果。ERGA带宽或截止频率选择不同的话,可能得到不同的矩阵从而产生不同的配对结果。这种方法频率计算选择为带宽频率时,对系统时滞不敏感,从而产生错误的配对结果。

3 结束语

常规岛疏水系统设计篇6

故障录波器用于变电站, 其主要功能为长期监视电力系统运行状况, 在故障时能够准确地记录故障前后的各种电气量的变化情况和开关量动作情况, 为分析故障和判断保护动作是否正确提供依据[1,2,3], 并对故障线路进行测距, 提高巡线人员的工作效率[4]。管理系统是故障录波器的重要组成部分, 它提供了参数配置功能, 通过人机界面实现用户操作和数据库行为的映射, 极大地方便了用户对故障录波器的管理。

目前变电站大致可分为基于202的常规站和基于IEC61850的数字站[5]。随着智能化电子设备、光电互感器以及计算机高速网络的发展, 数字站会逐步取代常规站。不过在未来一段时间内, 常规站仍然还会占据一席之地, 而且会出现常规站和数字站混合使用的情况, 如果对于常规站和数字站各使用一套管理系统, 会给管理工作带来不便。兼容常规站和数字站的管理系统可以很好地适应当前常规站和数字站并存的情况。

本文介绍的是与国电南自合作研发的DRL800嵌入式电力系统连续记录装置。该装置在兼容常规站和数字站的配置同时, 实现了长录波功能, 能够进行故障分析和故障测距, 录波分析软件为B/S架构[6], 支持Web发布, Web校时, 远程下载Comtrade[7]文件, 并利用数据库进行信息共享, 方便远程用户的查询。

1 系统构成

系统联网方案如图1所示。存储卡数据, 61850模拟通道数字量以及GOOSE[8]开关量数据接入协议转换器, 通过协议转换器处理后统一传给服务器, 客户则通过HTTP协议与服务器通信, 并将通道波形信息, 故障信息和测距信息等显示在浏览器上。

故障录波系统由协议转换器、监控服务器、管理系统和Web服务器四部分构成, 其中管理系统、监控服务器和Web服务器均运行在服务器端, 框架图如图2所示。

1.1 协议转换器

协议转换器基于PowerPC硬件和Vxworks系统, 可以接收三种数据报文:常规存储卡数据、基于IEC61850标准的采样值和GOOSE开关数字量。协议转换器在接收这三种报文以后, 根据同步采样合并策略对模拟量采样值数据和开关量数据进行同步, 通过TCP/IP协议将数据按照自定义的格式封装以后, 传送至服务器端, 以供监控服务器处理。为了提高效率, GOOSE开关数字量和61850模拟通道数字量数据均不通过TCP/IP协议, 直接通过数据链路层传输, 这使得系统实时性得到很大提高[9]。协议转换器还具有掉电处理、故障告警和监视硬件工作状态的功能。

1.2 监控服务器

监控服务器由数据接收模块、启动判断模块、故障分析模块和消息处理模块组成, 如图3所示。

数据接收模块接收来自协议转换器的数据, 并将数据传送至启动判断模块进行分析。当需要对零漂和精度调节系数进行校正时, 管理系统会向监控服务器请求实时数据, 根据实时数据算出当前的增益系数和偏移因子。另外, Web客户端的波形显示、谐波分析和矢量图生成也需要大量的实时数据, Web客户端向Web服务器提出请求, 再通过消息处理模块提交给数据接收模块, 数据接收模块与Web客户端建立连接并传送实时数据以供Web客户端使用。

启动判断模块根据从数据库服务器中读取的配置信息, 对接收到的实时数据进行分析, 判断是否发生模拟量突变、模拟量越限及开关量启动。如果不发生启动, 则生成常态录波文件并将起始时间、结束时间、文件名和文件路径等信息记录到数据库;否则生成暂态录波文件, 通过故障分析模块对Comtrade文件进行分析得出故障信息, 并将故障类型、Comtrade文件名及路径插入数据库, 以供Web客户端下载。测距成功则还需记录故障线路、故障设备、故障相别和故障距离, 并生成hdr文件。

消息处理模块用于处理监控服务器和协议转换器、Web服务器以管理系统之间的通知报文。Web服务器和管理系统会通知消息处理模块请求实时数据, 而管理系统在配置更新以后, 也会发送消息告知消息处理模块, 使得监控服务器重新读取配置信息。协议转换器会将运行状态、网络参数修改应答和校时应答发送给消息处理模块, 通过消息处理模块告知Web服务器和管理系统。

1.3 Web服务器

Web服务器处理来自Web客户端的配置信息请求, 并通过监控服务器处理实时数据请求, 将实时数据发送至Web客户端, 以供波形显示和绘制矢量图。

1.4 管理系统

管理系统提供配置更改、配置更新、配置更新通知、参数校正、用户通知、读取配置、导入数据库文件、导出数据库文件功能;针对用户管理提供用户登录、用户退出、新建用户、删除用户和修改密码功能;针对数字站还提供导入数字站配置文件和导出数字站配置功能。

管理系统为本文的重点, 下面介绍其框架和功能的具体实现。

2 管理系统框架及实现

管理系统分为数据管理模块、界面显示模块、显示控制模块、用户通知模块、文件管理模块和用户管理模块, 如图4所示。

2.1 管理系统各个部分的功能

2.1.1 数据管理模块

数据管理模块在存储配置信息的同时, 实现配置更改、配置更新、配置更新通知、参数校正和读取配置功能。配置更改, 包括新建站点、删除站点、新建设备、删除设备、新建模拟量通道、删除模拟量通道、新建开关量通道、删除开关量通道以及站点、设备、模拟量和开关量参数的修改;配置更新则是把更改过后的配置信息传入数据库中, 以供监控服务器和Web服务器查询使用;配置更新通知则是在参数更新后, 通知监控服务器重新读取数据库以获得最新的配置信息;参数校正分为零漂校正和精度调节系数校正, 功能是计算出零漂系数和精度调节系数, 从而获知各模拟量通道的增益系数和偏移因子, 以供Comtrade文件形成、启动判断、故障分析以及Web客户端波形显示使用;读取配置则是将已经存在于数据库的配置信息显示到管理系统中, 以供用户查看和修改。

2.1.2 用户管理模块

用户管理模块实现用户登录、用户退出、新建用户、删除用户和修改密码功能。用户登录, 是将输入的用户名和密码与数据库中对比, 信息正确时获取用户权限, 否则通过用户通知模块告知登录失败;用户退出则是清除当年的登录信息;新建用户, 是在用户权限允许的情况下添加一个新的用户, 并将其用户名和密码保存于数据库中;删除用户, 是在用户权限允许的情况下从数据库中删除一个已经存在的用户;修改密码则提供修改当前用户密码的功能。

2.1.3 文件管理模块

文件管理模块提供导入数据库文件、导出数据库文件、导入数字站配置和导出数字站配置功能。导入数据库文件, 是将已经存在的包含配置信息的数据库文件导入到数据库中;导出数据库文件, 是将正在使用的配置信息导出到指定的数据库文件中, 可用来备份配置信息;导入数字站配置, 是将指定的数字站模拟量配置文件和数字量配置文件导入数据库中, 再通过监控服务器传给协议转换器;导出数字站配置, 则是将指定的数字站模拟量配置和数字量配置导出到指定文件中, 以供用户查阅修改。

2.1.4 显示控制模块

显示控制模块根据用户权限和配置信息的不同, 控制配置信息在界面显示模块中显示的方式。超级用户能够看到线路信息中的同杆线路编号、同杆线路阻抗、正序电容、零序电容及电容补偿度等普通用户无法获知的信息。另外针对常规站和数字站, 配置信息的显示也有所不同。

2.1.5 界面显示模块

界面显示模块根据读取的配置信息和用户权限的不同, 将配置信息按一定规则显示给用户, 方便用户查看当前的配置情况。

2.1.6 用户通知模块

数据管理模块、用户管理模块和文件管理模块各项操作产生的信息, 通过用户通知模块生成用户直接可见的结果, 将各类操作是否成功以及失败原因告知用户, 使管理系统人机交互更加友好。

2.2 管理系统实现

本管理系统基于Linux操作系统, 界面开发采用Gtk库[10], 数据库采用mysql。Gtk和mysql均为开源软件, 且兼容于Windows平台, 有助于开发成本低、跨平台的软件。

数据管理模块中配置信息的存储采用GtkTreeStore结构, 界面显示模块的实现采用GtkTreeView结构。对于模拟量通道, 采用站点挂载设备, 设备挂载模拟量通道的三级树形结构;对于开关量通道, 采用站点挂载开关量通道的二级树形结构, 对于模拟量启动通道, 采用站点挂载模拟量通道, 模拟量通道挂载模拟量启动通道的三级树形结构;对于线路配置, 采用站点挂载线路的二级树形结构;对于只允许超级用户修改的零漂精度调节, 采用站点挂载设备, 设备挂载模拟量通道的三级树形结构。GtkTreeStore适合此类数据组织形式。对于常规站, 模拟量通道和开关量通道存在采集板号和板通道号属性, 而数字站则不存在, 为了兼容常规站和数字站, 模拟量通道和开关量通道均设有采集板号和板通道号。对于常规站, 采集板号有效值在0～5之间, 模拟量通道的板通道号有效值在0～15之间, 开关量通道的板通道号有效值在0～31之间, 于是对采集板号和板通道号, 管理系统设置-1为无效值, 并通过显示控制模块, 使得在站点为数字站时, 采集板号和板通道号对用户不可见。这样就实现了常规站和数字站共用同一个数据管理模块。除了不同站点类型以外, 针对不同权限的用户, 界面显示模块也会选择性显示配置信息。这种情况下适合使用MVC模式。

2.2.1 MVC模式

MVC模式是一种软件架构模式, 它将软件系统分为三个基本基本部分:Model (模型) 、View (视图) 和Controller (控制器) , 其目的为实现程序设计的动态化, 简化后续修改扩充, 同时程序某一部分能够复用。在MVC模式中, Model即数据模型, 用于封装应用程序所需要的数据及数据处理方法;View即视图, 其功能为实现数据有目的的显示;Controller即控制器, 用于处理用户行为和数据模型的改变并做出响应, 起到不同层面的组织作用。

MVC模式具有以下优点:

(1) 由于同一个Model可以被多个View复用, 代码的可重用性得到大大提高;

(2) Model与View和Controller保持相对独立, 因此可以很方便地改变数据处理方法;

(3) Controller提高了程序的灵活性和可配置性, 可以根据用户的需求适当对Model处理, 并将适当的View返回用户。

本管理系统中, 数据管理模块为Model, 界面显示模块为View, 显示控制模块为Controller。

2.2.2 数据管理模块实现

对于数据管理模块, 管理系统将数据分为模拟量通道模型、开关量通道模型、模拟量启动通道模型、线路配置模型和站点信息模型5类, 均使用GtkTreeStore结构, 分别称为AnaChannelModel, DfrsModel, AnaStartModel, LineCfgModel和StationModel。GtkTreeMo-del中每组数据均使用GtkTreeIter存储, 并通过GtkTreePath访问。

数据管理模块提供配置更改、配置更新、配置更新通知、参数校正和读取配置功能。配置更改包含新建站点、删除站点、添加设备、删除设备、添加模拟量通道、删除模拟量通道、添加开关量通道、删除开关量通道和参数修改。新建站点分三步, 首先设定站点参数, 包括站点名称、站点编号、IP地址、数据端口、命令端口、额定电压、额定电流、下辖设备数、下辖开关量通道数、模拟量通道容量、开关量通道容量及稳态文件目录;其次设定站点下面各个设备所含的通道数、设备类型及设备的一次变比和二次变比, 最后对前两步的配置进行确认后, 将配置信息填到若干GtkTreeIter对象中, 添加到AnaChannelModel, DfrsModel, AnaStartModel, LineCfgModel和StationModel中。删除站点则是从所有的GtkTreeModel中删除指定站点的配置信息。添加设备, 是在指定站点中添加一个设备和若干属于该设备的通道, 其中需要用户输入设备名、设备类型、模拟量通道数、一次变比和二次变比, 并修改AnaChannelModel, AnaStartModel和LineCfgModel。删除设备则是从相应的GtkTreeStore对象中删除指定的设备和所包含的通道。添加模拟量通道和删除模拟量通道, 是在指定的设备中添加或删除模拟量通道, 并在AnaChannelModel和AnaStartModel中添加或删除GtkTreeIter。添加开关量通道和删除开关量通道, 则是在指定的站点中添加或删除开关量通道, 并在DfrsModel中添加或删除GtkTreeIter。参数修改则是通过修改指定的GtkTreeIter中的数据实现。

配置更新, 是从相应的GtkTreeSTore对象中读取符合条件的信息, 将其传入数据库中。配置更新通知则是在配置更新成功时, 通知监控服务器重新读取数据库, 并告知用户通知模块已成功更新;如果配置更新操作失败, 则通过用户通知模块告知失败原因。

参数校正, 分为零漂调节和精度调节, 通过向监控服务器请求指定站点的实时数据并按照一定的算法获得零漂系数和精度调节系数, 从而算出偏移因子和增益系数。

零漂系数算法如下:

$Ζ_{d} = - \frac{Κ Ι V}{4 Ν} \sum_{i = 0}^{Ν - 1} u (i) (1)$

式中:Zd为零漂系数;KIV为常数, 大小为0.034 527;N为每周波采样点数;u (i) 为协议转换器未接收到实时数据时的采样值。

精度调节系数算法分两种情况。对于直流量, 算法如下:

$Ρ_{r} = (\frac{Κ Ι V}{4 Ν} \sum_{i = 0}^{Ν - 1} u (i) + Ζ_{d}) / S_{v} (2)$

式中:Pr为精度调节系数;u (i) 为协议转换器接收到实时数据后的采样值;Sv为指定直流通道的标准值。

对于交流量精度调节系数的计算, 算法如下:

$\begin{array}{l} Re = \sum_{i = 0}^{Ν - 1} u (i) \cos (2 i π / Ν) (3) \\ Ι m = \sum_{i = 0}^{Ν - 1} u (i) \sin (2 i π / Ν) (4) \\ Ρ_{r} = \frac{Κ Κ 1 \sqrt{Re^{2} + Ι m^{2}}}{2 S_{v}} (5) \end{array}$

式中:Re和Im分别为采样值一次谐波的实部及虚部;KK1为常数, 大小为0.024 414。

增益系数算法如下:

$A_{m} = Κ Κ 1 / 2 \sqrt{2} Ρ_{r} (6)$

偏移因子算法如下:

$Ο_{f} = Ζ_{d} / Ρ_{r} (7)$

得到Am和Of后, 就可以通过采样值计算当前实际值:

$y (i) = A_{m} \times u (i) + Ο_{f} (8)$

式中:y (i) 为实际值, 即Web界面显示的幅值。

数字站由前置端自动校正, 所以不需要零漂和精度调节的功能。

2.2.3 界面显示模块实现

对于界面显示模块, 管理系统提供模拟量通道视图、开关量通道视图、模拟量启动通道视图、线路配置视图、站点信息视图和零漂精度调节视图6类, 均采用GtkTreeView结构, 分别称为AnaChannelView, DfrsView, AnaStartView, LineCfgView, StationView和AjustView, 其中AnaChannelView和AjustView共用AnaChannelModel。

2.2.4 显示控制模块实现

GtkTreeView对显示的列通过GtkTreeViewCo-lumn和GtkCellRenderer对象控制, GtkTreeViewCo-lumn确定显示的内容, GtkCellRenderer与GtkTreeViewColumn绑定以确定显示的风格。GtkTreeViewColumn可以动态地添加到GtkTreeView或从中删除, 显示控制模块中对不同权限显示或屏蔽不同信息可以通过添加或删除GtkTreeViewColumn实现。根据用户权限, 添加或删除LineCfgView中的正序电容、零序电容、电容补偿度、同杆线路编号和同杆线路阻抗所对应的GtkTreeViewColumn, 如图5所示。

GtkTreeView每一行显示风格还能够通过g_object_set函数控制。根据站点类型的不同, 管理系统显示或屏蔽AnaChannelView和DfrsView中关于采集板号和板通道号的信息。另外根据在GtkTreeStore中的位置不同, 管理系统显示或屏蔽部分信息。在AnaChannelView和AjustView中, GtkTreePath的深度为1时, 只显示站点名称;深度为2时只显示设备信息;深度为3时, 显示除站点名称和设备名称外的所有信息。在DfrsView、LineCfgView中, GtkTreePath深度为1时, 只显示站点名称;深度为2时显示除站点名称以外, 所有当前用户权限允许的条件下的所有信息。在StationView中, 则是显示所有信息, 图6为常规站和数字站的模拟量通道对比图。

2.2.5 其余模块实现

用户管理模块获取用户输入的用户名和密码, 在mysql数据库中查询是否匹配, 不匹配时通过用户通知模块告知用户名或密码有误, 匹配则告知登录成功, 获取权限信息并送给显示控制模块和数据管理模块, 确定显示的内容和数据的处理方式。

对于文件管理模块, 实现方式为用对话框形式封装用户的输入信息, 并调用mysql自带的管理工具将信息写入数据库。导入数据库操作利用mysql自带的管理工具, 将数据库文件导入到数据库中, 操作成功则通过用户通知模块告知用户, 操作失败显示失败原因, 如文件权限问题或数据库文件语法错误。导出数据库也是利用mysql自带的管理工具, 将数据库中存在的配置信息导出到指定文件, 并告知用户成功或失败。导入数字站配置文件是将指定的数字站配置文件导入到配置信息中, 并通过监控服务器传给协议转换器。导出数字站配置文件则是将指定数字站配置信息导出到指定文件。

用户通知模块则是接收各个模块的信息, 以对话框的形式显示出来, 使得人机交互更加友好。

3 结语

该长录波器录波分析软件部分采用B/S架构, 移植性较强, 可以对常态数据和暂态数据进行记录, 管理系统能够同时配置常规站和数字站, 有效解决了当前常规站和数字站并存的问题。

本系统还有可以改进的地方。将管理系统和Web发布整合到一起, 则可以实现远程管理, 使得管理工作更加便利。

参考文献

[1]张延冬, 焦彦军, 张举.基于嵌入式系统的故障录波器设计[J].电力自动化设备, 2004, 24 (10) :61-64.

[2]骆健, 丁网林.国内外故障录波器的比较[J].电力自动化设备, 2001, 21 (7) :27-31.

[3]任建文, 周明, 李庚银.电网故障信息综合分析及管理系统的研究[J].电网技术, 2002, 26 (4) :38-41.

[4]束洪春, 司大军, 陈学允.基于多算法的输电线路故障测距系统[J].电网技术, 2004, 28 (7) :49-52.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T860.3-2004/IEC61850-2变电站通信网络和系统第2部分[S].北京:中国电力出版社, 2004.

[6]桂勋, 郭凯, 谭永东, 等.基于网络的全图形化故障录波分析软件系统[J].继电器, 2004, 32 (24) :44-49.

[7]国家技术监督局.电力继电器第24部分:电力系统暂态数据交换通用格式[S].北京:中国标准出版社, 2007.

[8]宋丽军, 王若醒, 狄军峰, 等.GOOSE机制分析、实现及其在数字化变电站中的应用[J].电力系统保护与控制, 2009 (14) :31-35.

[9]王柯, 邹锐, 陈娟.数字化变电站故障录波器通信规约研究[J].贵州电力技术, 2008 (7) :26-28.

[10]KRAUSE Andrew.The foundation of GTK+develop-ment[M].[S.l.]:Apress, 2007.

常规岛疏水系统设计篇7

Solidworks软件功能强大, 技术创新, 是领先的、主流的三维CAD解决方案。Solidworks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。Solidworks软件对每个从事设计工作的工程师来说, 操作简单方便、易学易用。使用Solidworks, 整个产品设计是百分之百可编辑的, 零件设计、装配设计和工程图之间是全相关的。

蒸汽疏水阀属于自动阀门类, 用于蒸汽管网及蒸汽设备中能自动排除高温凝结水、空气及其他不凝结气体并防止水蒸汽泄漏的特殊阀门, 是一种机械产品。Solidworks设计软件应用于蒸汽疏水阀产品的设计研发, 通过3D建模对新开发设计的疏水阀产品进行分析检查, 设计优化, 设计进程会更快。

2 设计应用

以钟型浮子式蒸汽疏水阀产品设计开发为例, 应用Solidworks软件进行疏水阀产品的建模设计, 设计包括:零部件设计和装配设计。

2.1 零部件设计

钟型浮子式蒸汽疏水阀结构分为:阀体、阀盖、支架、吊桶、控制架、阀芯、阀座、定位销等部件, 在进行产品设计时, 可以先设计产品的每个零部件, 然后进行装配过程设计, 并根据要求设计配合零件。也可以先设计装配总图, 再设计各零部件, 先建立装配结构过程, 然后逐步添加零件或几何结构的设计, 以产生子装配件或部件。Solidworks按设计顺序进行3D建模。

首先依据各部件的装配关系把要设计的产品分解成若干个零部件, 确定这些零部件的几何尺寸和装配顺序的位置的约束关系, 根据约束条件再逐个对零件进行概念设计及详细设计, 某单个零件在Solidworks建模过程中, 要先建立零件毛坯基体模型, 再参照零件粗加工工艺过程, 逐步创建零件的特征。最后再按照零件精加工工艺对零件创建精加工工序特征。各特征建立的顺序应尽可能与零件的加工顺序相一致。单个零部件中不仅包含自身特征和属性信息, 也包含与其他零部件之间的关联信息, 当零件参数发生改变时, 可以自动传递到其他相关零部件, 促使有关零部件自动更新。所以零件设计总是基于装配的关联设计, 某一个零件或装配顺序的任何修改都将传递至所有相关联的零部件图、总装配图和工程图中, 因此, 零部件的设计过程中, 始终保持整个产品设计的一致性、完整性和相关性。

2.2 零部件参数化设计

在设计开发中, 参数化是指零件的结构形状已定型, 通过一个或一组参数来确定设计对象, 参数与设计对象的控制尺寸有准确的对应关系, 从而使设计的结果可受参数的驱动。蒸汽疏水阀为系列化产品, 不同排量对应不同的阀座孔直径, 因此Solidworks的参数化设计大大地提高了系列化产品的设计速度。

蒸汽疏水阀的结构主要取决于蒸汽疏水阀的排量Q:

undefined

式中:Q——蒸汽疏水阀排量, kg;

A——蒸汽疏水阀阀座孔面积, cm2;

g——重力加速度, m/s2;

P1——蒸汽疏水阀入口压力, MPa;

P2——蒸汽疏水阀出口压力, MPa;

C——排量系数 (取0.42～0.15) 。

A=πd2/4

式中:d——蒸汽疏水阀阀座孔直径, cm。

式 (1) 反映出排量Q与阀座孔直径有关, 而阀座孔直径尺寸又与阀芯、控制架、支架、吊桶和阀体相关联。因此, 疏水阀的阀座、阀芯、控制架、支架、浮子是整个产品的核心零件, 它们在很大程度上决定了蒸汽疏水阀的结构形式和使用性能。

在参数化建模设计前, 首先对零件进行分析, 从整体上形成关于零件建模的思路, 明确设计需要创建的各种特征以及相互之间的内在联系, 最后明确该零件需要多少个参数进行驱动。

Solidworks中的系列零件设计表是通过嵌入的MicrosoftExcel工作表来指定参数, 可以使用材料明细表建构多个不同配置的零件或装配体。系列零件设计表保存在模型文件中, 对Excel表格的修改实现尺寸驱动, 从而能够完成设计的系列参数化。

2.2.1 建立零件实体

在零件模板中创建阀座的3D实体模型, 在FeatureManager 特征管理树中, 用右键单击左侧Solidworks工具栏中[注解]文件夹, 选择“显示特征尺寸”会把所有特征相关的尺寸显示出来。在图形区域中右键单击要修改的特征尺寸, 然后选择“属性”, 在对话框中重新命名特征。

2.2.2 插入系列零件设计表

选择“插入” →“系列零件设计表” →“新建”, 一个嵌入的Excel工作表出现在Solidworks用户界面窗口, 如图2所示, 在默认情况下, 第三行 (单元格A3) 包含第一个新配置的默认名称。“第一实例”, 为便于察看修改将其重命名为“阀座1”, 列表标题栏单元格B2为激活状态, 命名为“阀座孔径”。

2.2.3 编辑Excel表实现零件参数系列化配置

系列零件设计表是嵌入到零件文件中的, 而不是链接到文件, 因此, 假如改变原有的Excel电子表格文件, 却不会影响其他零件文件。选择“编辑系列零件设计表”命令, Excel建立的系列零件设计表出现在Solidworks图形区域中, 根据设计需要编辑该表格, 可以改变单元格的参数值, 添加行内可以增加的配置, 或是添加列以增加参数的控制。根据阀座孔孔径尺寸, 即可得到图2 所示的系列化配置表。在表格外单击[ 配置管理器] 标签, 同时系统自动关闭系列零件设计表, 可以看到Excel工作表驱动生成的参数系列化配置。

通过Solidworks建立的零件参数配置, 当设计需要相关零件不同系列尺寸时, 只需在[配置管理器] 中选取所需系列类型, 系统即可自动生成该零件的3D模型。需要注意的是如果直接在3D 模型 (而不是表格) 中进行参数更改, 则不会反映在原始的Excel工作表或嵌入的表格中。如再次计算系列零件设计表时, 配置会根据模型中的数据进行更新。保存Excel表格及其实体零件, 建立零件实体库, 完成实体零件库的建立。

通过参数化设计能够大幅提高建模效率, 同时满足标准化设计的要求。

2.3 零件结构的有限元分析

有限元分析技术是机械设计, 尤其是阀门产品结构设计和分析中必不可少的计算工具。把有限元技术应用到蒸汽疏水阀关键部件的设计过程中, 可为设计高温、高压产品提供有价值的参考数据。COSMOS/press是内嵌在Solidworks的完全集成的工程分析系统, COSMOS/press可对设计的零部件进行应力分析、频率分析、变形分析和优化分析。

蒸汽疏水阀阀体大多为精铸件, 阀体结构和局部壁厚在满足性能的同时要便于铸造。以钟形小浮子式蒸汽疏水阀阀体为例进行COSMOS/ press有限元分析。WCB材料机械性能见表1。

(1) 利用COSMOS/press插件对设计的阀体建立约束, 施加载荷, 进行分析计算。约束固定面选取阀体中法兰及进、出口两个端面, 其水平及垂直方向位移均为零。施加的载荷主要来自阀体内部压力容器所承受蒸汽和凝结水压力P=3.2MPa , 工作温度T=203℃, 方向垂直于阀体内表面。

(2) 应用COSMOS/press计算分析, 输入相关参数, 系统运行各种计算功能, 得到阀体的应力、位移分布、变形云图如图3所示, 结果如图4所示。

分析数据可通过eDrawings的动画格式演示和保存并生成HTML报告。系统给出详细的综合分析报告, 设计师直观地了解到阀体在受载荷情况下的应力变化和变形情况等重要数据参数。

对COSMOS/press的分析计算与理论计算的结果进行比较, 其出现最大应力、最大位移量的结点位置基本一致, 其变化规律也相近, 说明其数据分析准确, 快速, 结果符合强度设计要求。

2.4 装配设计

蒸汽疏水阀的模拟装配设计过程, 是零件按照相互的装配关系完成的3D装配模型。Solidworks系统在装配零件时同步进行动、静态干涉检查。一旦发现干涉或设计不合理之处可及时修改与调整, 提高设计质量。

在阀座组件模拟装配过程中, 经动态干涉检查, 发现阀座与支架产生碰撞, 至使疏水阀的关闭系统出现故障。通过在3D模拟装配中反映出来的问题, 及时得到了解决。

Solidworks还可以根据装配过程给装配图中指定零件添加运动轨迹, 生成用于表达装配关系的爆炸视图如图5所示, 清晰地展现产品的结构。生成爆炸视图, 最后录制成AVI格式影视文件, 用以动态地演示设计意图及进行干涉检查。设计者通过干涉检查的反馈信息最大限度地减少错误, 提高工作效率, 使得设计流程更加顺畅。

3 结束语

应用Solidworks对蒸汽疏水阀三维建模过程中, 通过采用虚拟设计装配和COSMOS/press有限元分析技术, 设计者在模型图中能够方便、快捷地对疏水阀各零件进行模拟设计和受力分析。通过对零件模型的有限元分析, 可使设计人员直观全面地了解零件在工作状态下的应力分布规律和变形情况, 以指导设计改进, 提高设计的准确性和可靠性。另外, Solidworks参数化模型的设计, 借助Excel电子表格快速准确地生成同系列零件中的任何一个零件, 这是一种不需要二次开发, 即可完成实体零件库的建立, 为零件的系列化建模、装配和分析提供了有效的技术支持。总之, 在疏水阀产品设计中充分应用Solidworks等先进的3D软件, 进行相关参数化的设计建模, 可提高疏水阀零件的建模效率和通用性, 并有效提高设计效率, 大大缩短产品的研发周期。对降低疏水阀生产成本和提升疏水阀产品的市场竞争力都有极大的帮助。

摘要：介绍了在蒸汽疏水阀零部件设计过程中应用Solidworks进行参数建模设计, 应用Solidworks内嵌的COS-MOS/press有限元分析模块对设计的零部件进行了应力分析, 检查零件在承载状态下的工作性能及受力情况。借助Solidworks三维设计及装配技术, 有效地提高了设计效率、缩短了研发周期。

关键词：SOLIDWORKS,蒸汽疏水阀,三维建模,有限元分析

参考文献

[1]杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1992.

[2]崔凤奎.SolidWorks机械设计[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[3]蓝汝铭.SolidWorks2005机械设计基础教程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.

[4]三维机械设计系统 (Solidworks2010 SP0.0) .

[5]张晋西, 郭学琴.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[6]詹迪维.SolidWorks机械设计教程[M].北京:机械工业出版社, 2009.

【常规岛疏水系统设计】推荐阅读：

风电机组系统常规参数07-10

常规综合自动化系统06-21

常规与非常规解法08-05