汽轮机DEH系统快控方法和故障诊断及容错控制的研究

论文摘要

现代汽轮发电机组的汽门调节控制系统从机械液压调节过渡到了以计算机为核心的数字电液调节（DEH），摆脱了长期以来可靠性差、调节精度低、稳定性不好的局面，提高了功率、频率的调节品质，但目前我国现有的大部分汽轮机DEH系统不具备汽门快速控制功能。汽轮机汽门快速控制是使电力系统在受到干扰时保持稳定运行的一种经济有效的措施，如果应用在电网结构比较薄弱的地区，可大幅度的提高电力系统的暂态稳定水平。本文以200MW汽轮机数字电液调节控制系统作为研究对象，对电网故障时汽门快速控制的原理和机构设计与优化控制进行了系统的理论分析与实验研究。同时对DEH系统的泄漏、堵塞、卡涩等故障诊断及其容错控制进行研究。分析了电网故障下汽门快速控制的作用原理，提出了对汽轮机DEH系统实现电液快控的新方法与优化控制策略，对所设计的快控系统进行了系统的理论分析与实验研究。同时，研究了DEH系统的故障机理和诊断方法，并首次提出基于位移、流量、压力反馈的汽轮机DEH系统容错控制方法。论文各章内容分述如下：第一章，阐述了本课题的相关研究背景和意义，在查阅国内外相关研究文献的基础上，综述了汽轮机调节系统的研究发展和应用现状，介绍了汽轮机快控系统的特点及应用，分析了汽轮机调节系统研究所面临的主要问题，给出了本课题的研究内容。第二章，完成了由机液调节系统到电液调节系统的改造并设计了汽轮机新型快控机构。分析了现有快控汽门的常用控制方法，阐述了汽轮机进汽阀门的工作原理及结构特点，对阀门进行了详细的受力分析。对200MW中间再热凝汽式汽轮机的机液调节系统进行电液改造，在此基础上设计出新型快控系统，具有对汽轮机进汽阀门的快速关闭和快速开启功能。第三章，建立快控系统的数学模型并进行仿真与实验研究。对整个电液伺服及快控系统进行数学建模，为全文提供了理论基础。利用AMESIM对调节系统进行了建模与仿真，分析了影响快开系统调节性能的多种因素，研究了快开系统的工作死区，在此基础上提出对死区区间内开度进行恢复的优化控制策略。搭建了快控调节系统实验台并完成了快控系统性能测试实验，对比分析了仿真和实验结果，通过实验验证了快控系统的快速调节性能。第四章，研究了汽轮机电液调节系统的内泄漏问题。首先分析了汽轮机电液系统产生内泄漏的原因，详细分析了系统中几种常见内泄漏故障机理并建立了数学模型，对传统内泄漏故障诊断方法存在的问题进行分析。然后分别研究了调节系统中的油动机、错油门滑阀、伺服比例阀部件在不同内泄漏量和不同泄漏部位下，活塞调节时间、油动机油压、流量等参数的变化情况，比较了对称泄漏和非对称泄漏对系统的影响。在仿真分析基础上给出了对系统内泄漏进行辨识的特征表，最后通过实验对分析结果进行验证。第五章，研究了调节汽门操纵机构的卡涩故障和DEH系统中伺服阀的堵塞故障。分析了汽轮机调节汽门操纵机构的结构和卡涩机理，针对特有的弹簧偏心卡涩故障展开研究，推导出弹簧偏心距的理论计算方程，在此基础上展开三种卡涩诊断方法的研究。对DEI-I系统中伺服阀工作状态下系统的输出信号进行分析，从而提取伺服阀堵塞时的故障特征并进行诊断，在仿真分析基础上得到伺服阀堵塞故障特征表，提出采用双重神经网络并根据据系统中活塞位移、油压等特征量的变化对伺服阀的堵塞情况进行诊断。研制出用于汽轮机DEH系统伺服阀的智能测试与故障分析诊断系统，可对各种常用伺服阀、伺服比例阀、比例阀进行全面的性能测试分析。提出伺服阀静态和动态性能一次测试的思想，首次在伺服阀测试系统中使用插装阀控制油路，系统具有全自动、响应快、流量大等优点，可以完成GB/T 15623-1995中的各项检测实验，对发电厂对伺服阀的检修及故障分析起到重要作用。第六章，提出汽轮机电液调节系统多反馈容错控制新方法。介绍了容错技术在汽轮机电液控制系统中的应用现状，设计了基于位移、流量、压力反馈的FTC汽轮机调节系统，制定了传感器故障诊断规则与容错控制规则，通过建模仿真比较了三种闭环反馈控制方式下系统的调节性能，最后通过实验验证了FTC汽轮机调节系统的可行性。第七章，总结本文的主要工作，阐述了本课题的研究结论和创新点，并对后续研究工作做出了展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景、目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 汽轮机调节系统的发展与现状
• 1.2.1 汽轮机机械液压调节系统
• 1.2.2 汽轮机模拟电液调节系统
• 1.2.3 汽轮机数字电液调节系统
• 1.2.4 我国汽轮机调节系统的发展历程
• 1.3 汽轮机快控系统的发展与现状
• 1.3.1 快控系统的作用及性能要求
• 1.3.2 国内外汽轮机快控调节研究进展
• 1.4 汽轮机调节系统研究面临的主要问题
• 1.5 课题来源与主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 汽轮机快控系统的设计
• 2.1 快控系统提高电网稳定性的机理
• 2.1.1 汽轮发电机的功角特性
• 2.1.2 汽轮发电机组的工作原理
• 2.1.3 电力系统的振荡和快关对稳定系统所起的作用
• 2.1.4 快控在超速保护中的应用
• 2.2 快控汽门的控制规律
• 2.2.1 开环控制
• 2.2.2 闭环控制
• 2.2.3 开、闭环相结合控制
• 2.3 汽轮机调节阀门工作原理及受力分析
• 2.3.1 汽轮机调节阀门工作原理与结构特点
• 2.3.2 调节阀门受力分析
• 2.4 快控系统的原理与机构设计
• 2.4.1 原机液调节系统的电液改造
• 2.4.2 快关调节机构的设计原理
• 2.4.3 快开调节机构的设计原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 汽轮机快控系统的仿真与实验研究
• 3.1 快控电液调节系统的数学建模
• 3.2 汽轮机快控系统的仿真与控制策略研究
• 3.2.1 快控系统的仿真分析
• 3.2.2 快开系统响应时间及超调分析
• 3.2.3 快控系统优化控制策略研究
• 3.3 汽轮机快控实验系统的搭建
• 3.4 汽轮机快控系统性能测试实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 汽轮机电液调节系统的内泄漏分析与实验研究
• 4.1 汽轮机电液系统内泄漏的故障机理
• 4.1.1 内泄漏故障的产生原因
• 4.1.2 内泄漏故障的数学模型
• 4.1.3 传统的内泄漏故障诊断方法介绍
• 4.2 汽轮机电液调节系统的内泄漏故障仿真研究
• 4.2.1 汽轮机电液调节系统泄漏部位及仿真模型
• 4.2.2 油动机内泄漏分析
• 4.2.3 错油门滑阀内泄漏分析
• 4.2.4 伺服比例阀内泄漏分析
• 4.3 汽轮机电液调节系统内泄漏故障实验研究
• 4.3.1 模拟内泄漏故障实验系统介绍
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 操纵机构卡涩及伺服阀堵塞的故障诊断研究
• 5.1 操纵机构弹簧偏心卡涩机理分析与诊断方法研究
• 5.1.1 卡涩机理分析
• 5.1.2 油压—位移检测法
• 5.1.3 神经网络诊断
• 5.1.4 力曲线拟合法
• 5.2 DEH调节系统中伺服阀的堵塞分析与双重神经网络诊断
• 5.2.1 DEH调节系统中伺服阀的堵塞机理分析
• 5.2.2 DEH系统建模仿真
• 5.2.3 各部位堵塞状态下特征分析
• 5.2.4 双重神经网络堵塞故障诊断
• 5.3 伺服阀智能测试与故障分析诊断系统的研究
• 5.3.1 测试诊断系统的硬件设计
• 5.3.2 测试诊断系统的软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 汽轮机电液调节系统的多反馈容错控制研究
• 6.1 多反馈容错式汽轮机电液调节系统设计
• 6.1.1 容错技术在汽轮机电液控制系统中的应用现状
• 6.1.2 多反馈FTC汽轮机调节系统的设计
• 6.2 调节系统仿真及诊断控制规则研究
• 6.2.1 多反馈容错式汽轮机电液调节系统仿真研究
• 6.2.2 传感器故障诊断规则与容错控制规则
• 6.3 多反馈容错式汽轮机电液调节系统实验研究
• 6.3.1 调节系统实验台的搭建
• 6.3.2 实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间的主要科研成果