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论文方式解析-虚拟仿真电站自动评分系统的设计

2021-04-28 18:28:50

  自动化专业的专业课有很多,在每个学期结束之后几乎都有专业课程设计实验。一般情况下是学生按照老师要求完成实验并且提交结果和报告,然后再由专业课的老师检查实验的结果和报告,最后给出学生成绩和评价。每次成绩的给定主要是由指导老师主观给出,缺少客观性、科学性和公平性。因此,自动评分系统的设计具有很强的应用性,可以更好地满足老师与学生在教学中的各种需求,也能更好地体现学生的真实水平。

  虚拟仿真是一种利用计算机系统模拟出类似真实场景的技术,近年来由于计算机的迅速发展和应用,这项技术变得愈加完善。虚拟仿真技术是虚拟现实技术中的一种,这项技术推动了国内各大高校的教学改革工作,促进了理论教学与实践教学相结合的发展方向。

  目前,我们学校电厂方向的专业主要有自动化、电气工程及其自动化、热能动力工程这3个专业,服务对象主要是火力发电厂,学校也设立了很多相关专业课主要培养我们学生能够掌握发电厂热力设备及控制设备的基本工作原理、结构、特性等相关工作的专业技术能力。由于发电厂的高温高压且系统庞大复杂价格昂贵等特点,因此在实验室建立完善的虚拟仿真电站来代替火电厂的庞大系统在高校教学工作中显得格外重要。然而随着电力体制深化改革,发电企业对机组运行的安全和经济性要求越来越高,对机组的安全运行、维护、安装、检修等水平提出了更高的要求,这就要求我们学生具备扎实的基本功、更好的操作能力。因此,必须在虚拟仿真电站设计自动评分系统来更好的提高学生的动手能力及发现问题、解决问题的能力,从而提高我国大学生的综合水平,为推进虚拟仿真应用于实践教学这一项目的建设做出贡献。

  我们在虚拟仿真电站上设计自动评分系统,学校为了检验学生对教学内容的接受和理解是否到位,往往会采用考试的方式来对学生进行考核,因为考试可以对学生的学习效果以及技能达标做出比较合理且快捷方便的检测。然而很多年来绝大部分的考核方式还是采用传统的评分方法,即由老师或者命题人员出好试卷,再印刷成试卷,接下来由考生进行笔试答卷,最后再由专人阅卷。这样的考核方式与如今飞速发展且要求高效率的社会不相适应。因此,研究并且开发自动评分系统对于我国的教育行业具有极为深远的意义,随着我国计算机技术的快速发展和计算机的普及使用,推广应用这种自动评分系统必然能够成为可能。

  1.2国内外研究现状

  上世纪80年代末美国VPL公司创始人拉尼尔最早提出了“虚拟仿真技术”这一概念,然后经过几十年的不断发展,在国外这项技术已经变得相对完善和成熟。美国作为首次提出这一概念的国家在虚拟仿真领域无疑是发展最为迅速的,欧洲相比美国在虚拟仿真技术方面起步稍晚,最具代表性的是上世纪90年代英国研发的DVS系统,该系统在当时处于领先地位,另外日本的NEC公司、东京大学等机构对虚拟仿真技术领域也做出了极大的贡献。

  然而我国在虚拟仿真领域的发展是相当局限的,与欧美国家相比存在着较大差距,原因主要是我国起步较晚且在90年代我国的计算机技术的发展并不成熟,但是随着政府相关部门和技术专家的高度重视,我国开始研究虚拟仿真领域的相关技术,经过近年来的努力,虚拟仿真技术在我国实现了从无到有,从茫然到成熟的发展。然而我国的虚拟仿真领域仍然存在缺陷,例如价格成本高、应用范围局限,目前仍属于中高端消费。

  1.3本论文主要研究内容及章节安排

  本论文借用虚拟仿真电站,以汽轮机系统为基础,设计一套自动评分系统,论文第一部分先介绍汽轮机各个系统的设备以及工艺流程,然后第二部分利用分解操作步骤综合得分的思想来对自动评分系统进行设计与研究,将汽轮机各操作步骤进行分解,例如汽轮机系统的检查与启动。第三部分根据操作步骤绘出程序流程图。

  第二章汽轮机各系统及工艺流程

  2.1润滑油系统

  本次毕业设计对某电厂二期2×660MW超临界汽轮机组做出详细介绍。汽轮机润滑油系统是一个封闭的系统,润滑油存放于储油箱内,为汽轮机径向轴承、推力轴承、盘车装置、脱扣装置提供润滑油。在汽轮机运行过程中,由于轴承摩擦升温使得润滑油温升高可能导致发生事故,因此必须保证润滑油泵运行平稳,油压、温度和流量满足机组正常运行的要求时,汽轮机组方可启动。在机组正常运行期间,润滑油系统也会不间断持续运行,当机组停止运行且盘车装置停止时,润滑油系统便不再向各轴承供油。

  2.1.1润滑油系统组成

  润滑油系统的组成较为复杂,一般由以下几方面组成:润滑油泵、主油泵、储油箱、冷油器、滤油器、盘车装置、排烟系统以及相互之间连接的各种管道、仪表、阀门等,其中润滑油主油泵是由汽轮机主轴直接驱动,来保证机组运行期间润滑油系统的可靠性。如图1为润滑油主油泵。

  图1润滑油主油泵

  2.1.2润滑油系统工艺流程

  润滑油系统的工作过程分为静止和正常运行两种状态,静止状态时需要完成对轴承的冷却、降温,投入顶轴油为轴颈建立油膜。正常运行时,汽轮机发电机组的全部用油都由润滑油主油泵提供。如图2为汽轮机组润滑油系统示意图。

  图2汽轮机组润滑油系统示意图

  2.2密封油系统

  密封油系统向密封瓦供油,使密封油压高于发电机内气体压力的设定值,以防止发电机内气体沿转轴向外泄露,同时也要确保密封瓦温度与油温控制在正常范围内。

  密封油系统中主要包括氢侧油路和空侧油路这两个部分,这些回路可以有效地密封发电机内部氢气并且可以润滑和冷却密封瓦,保证发电机组的正常运行。如图3密封油系统运行回路流程图。

  图3汽轮机密封油系统运行流程图

  2.3EH油系统

  EH油系统主要包括EH供油系统,执行机构,危急遮断系统。EH油系统主要是向汽轮机提供高压动力油,使其保证系统正常运行和汽轮机的安全,满足汽轮机在各种运行工况下对转速和负荷的变化要求以及对动力油的油温、油压和油量的需求。

  2.4凝结水系统

  凝结水系统主要是凝汽器到除氧器之间的管道和设备,为除氧器和给水系统提供凝结水,这种凝结水一般是蒸汽在汽轮机做功后,经循环冷却水冷却凝结的水,然而实际上由于热力系统存在一定的水汽损失导致真正使用的凝结水还包括除盐水箱的补给水以及低压加热器和高压加热器的疏水。因此凝结水主要是由除盐水箱补给水、汽轮机内蒸汽做功后的凝结水、低加和高加的疏水组成。

  2.4.1凝结水系统的功能

  主要功能:凝结水系统的主要功能就是把凝结水送到除氧器,但是在整个运行过程中必须要对凝结水进行一些必要操作,例如除去凝结水中的氧气和盐份,来提高热循环效率且保证系统安全可靠运行。

  2.4.2凝结水系统的工艺流程

  主要流程:凝汽器→凝结水泵→除盐装置→轴封加热器→低压加热器→除氧器。还装有再循环管路,至循环水母管的放水管。

  凝结水系统的运行方式:

  2.5给水系统

  给水系统主要是包含电厂机组系统中从除氧器到省煤器之间的管道以及其他设备。给水系统的作用主要是将除氧器中的给水运送至锅炉的省煤器入口,这个运行过程中需要经过加压、加热才能完成。给水系统是火力发电厂汽轮机给水系统的重要组成部分,主要由以下几部分构成:除氧器、电动给水泵、汽动给水泵、高加及给水管道。

  2.5.1给水系统设备

  (1)除氧器:把送至除氧器的凝结水通入加热的蒸汽对凝结水进行持续加热,在加热过程中由于水中各气体沸点的不同,水蒸气压力升高上升至水面,其余气体开始逐渐分离析出,当加热至除氧器压力的饱和温度时水蒸气与其他各种气体完全分离开来,此时除氧器中只剩下水蒸气,其他气体含量趋于零,这就是除氧器的工作原理。如图4为除氧器工作原理图。

  自加热蒸汽

  蒸汽平衡管

  图4除氧器工作原理图

  (2)电动给水泵:电动给水泵启动简单且方便调整,它将电能转化为给水的内能和动能,将除氧器水箱内的给水提高压力输送至锅炉省煤器入口,向锅炉提供所需的给水。

  (3)汽动给水泵:主要包括前置泵和小型汽动给水泵两台水泵。前置泵从除氧器水箱中取得给水,采用小汽轮机驱动的给水泵加压将给水输送至锅炉。给水泵是必要的汽轮机辅助设备。

  (4)高加设备:高压加热器利用汽轮机中的一部分蒸汽对给水进行加热,这种热量转换装置主要应用于机组的回热系统,提高传热效率,提高电厂经济效益。

  2.5.2给水系统工艺流程

  给水系统工艺流程:凝结水系统供给的凝结水进入除氧器进行一系列加热、除氧工作,然后经前置泵升压,然后经滤网进入给水泵入口,流经多层高压加热器加热给水,最后进入省煤器向锅炉提供合适温度和压力的给水,同时提供出水母管的一路高旁减温水、锅炉再热器的蒸汽减温水。如图5为给水系统工艺流程图。

  

  图5给水系统工艺流程示意图

  

  第三章自动评分系统的设计

  3.1自动评分系统的组成

  针对汽轮机的虚拟仿真电站自动评分系统的组成包括:虚拟汽轮机系统电站、数据库和评分模块,系统的结构图如图1所示。操作者在虚拟汽轮机电站中操作,计算机的数据库记录相关数据,评分模块读取相关数据,从而给出操作者的成绩。

  图1自动评分系统结构图

  3.2汽轮机系统的检查及启动

  3.2.1润滑油系统的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 调速油泵,交流,润滑油泵出入口门应开启 20

  2 油系统循环前检查主油箱底部无积水 20

  3 运行冷油器进出口开启 15

  4 备用冷油器进口门关闭 15

  5 出口门关闭 10

  6 油系统循环种,检查系统无漏泄现象 20

  7 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 关闭主油箱事故放油一、二次门 10

  2 关闭主油箱底部放水门、取样门 10

  3 关闭汽轮机冷油器A、B放油门 10

  4 开启冷油器电动滤水器进、出门,关闭旁路门 10

  5 主油箱排烟风机A、B入口蝶阀开启 5

  6 将汽轮机润滑油箱充油至1695mm左右 10

  7 检查冷油器一台投运正常 10

  8 冷油器切换阀位置正确 5

  9 主油箱回油滤网前、后油位差在规定范围内 10

  10 检查油箱电加热正常并送上电源 10

  11 油箱油温合适时,投入电加热运行 5

  12 检查电加热器应自动停止运行 5

  13 合计 100

  3.2.2低压加热器的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 低压加热器疏水器入口门开启 25

  2 出口门,旁路门关闭 25

  3 低加汽侧放水阀关闭 25

  4 低价空气门开启 25

  5 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 打开水侧排气阀 20

  2 稍开低压加热器进口门 20

  3 关闭低压加热器水侧排气阀 10

  4 水侧起压后,关闭低压加热器进口门 10

  5 注水结束后,分别开启低压加热器出口门和入口门,然后关闭低加旁路门 10

  6 开启低加启动排气门 10

  7 打开抽汽逆止门,稍开进汽电动门预暖 10

  8 预暖结束后开大进汽电动门 10

  9 合计 100

  3.2.3凝结水系统的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 凝汽器热水井放水阀关闭 20

  2 凝结水泵出入口门开启 20

  3 空气门开启 20

  4 凝结水再循环门开启 20

  5 凝汽器热水井补水完毕关闭补水阀 20

  6 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 启动一台除盐水泵 10

  2 启动一台凝结水泵 10

  3 全开出口门,调整凝结水流量大于260吨每小时 5

  4 检查凝结水泵的声音、振动、温度是否正常 10

  5 水质不合格开启低加出口电动排污门换水 10

  6 向除氧器进水时,适当关小循环门或投自动 5

  7 投入另一台凝结水泵联锁,然后开启备用泵出口电动门 5

  8 凝结水母管注水门有水溢出后关闭 5

  9 调节除氧器水位调节门向除氧器进水 5

  10 除氧器水位达到正常则除氧器水位投自动 10

  11 全面的检查系统管道无泄漏 10

  12 检查轴封加热器汽侧水位不应有上升现象 5

  13 当凝结水经过低加向除氧器上水时,应检查各低加汽侧水位不应有上升现象 10

  14 合计 100

  3.2.4电动给水泵的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 电动给水泵入、出口压力正常 20

  2 电动给水泵油箱油位正常,油质合格 20

  3 电动给水泵润滑油压正常 10

  4 给水泵冷油器入口和出口油温正常 10

  5 前置泵轴承油位正常 20

  6 泵壳无泄漏,油系统无漏油 20

  7 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 开启电动给水泵最小流量调节阀 20

  2 开启电动给水泵卸荷水手动门 10

  3 将电动给水泵电机开关送至工作位置 20

  4 启动电动给水泵,检查电动给水泵运行正常 10

  5 检查辅助油泵自动停运 20

  6 开启电动给水泵出口电动门 10

  7 调整液力耦合器开度增大给水流量 10

  8 合计 100

  3.2.5EH油系统的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 检查EH油系统压力在规定范围内 20

  2 EH油温正常,冷油器工作正常 20

  3 EH油泵电机温度正常,无杂音 20

  4 检查油母管压力小于0.21Mpa 20

  5 检查过滤泵运行正常 20

  6 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 调出抗燃油系统画面 10

  2 确认连锁开关在断开位 5

  3 分别启动EH循环泵和EH再生泵 10

  4 检查电流、轴承振动、温度及声音正常 10

  5 油箱油温偏大时,投入抗燃油再生装置监视再生装置滤油器压差 10

  6 检查EH油泵进、出口门开启 10

  7 启动EH油泵,电流指示正常 5

  8 抗燃油系统油压正常 5

  9 检查EH油系统无报警 5

  10 保证一台油泵运行,投入联锁开关 10

  11 EH油温升高时,投入冷油器冷却水 10

  12 检查EH油系统油压和油箱油位下降情况 10

  13 合计 100

  3.2.6凝结水泵的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 凝结水泵无摩擦、振动、声音正常 25

  2 密封水及冷却水压力正常 25

  3 凝结水泵推力轴承温度小于70摄氏度 25

  4 轴承油位正常、油温正常、油质良好 25

  5 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 启动一台凝结水泵 20

  2 开启低加水侧排空气门 20

  3 放尽空气后关闭排空气门 20

  4 进行凝结水泵连锁试验 20

  5 另一台凝结水泵并投上联锁 20

  6 合计 100

  3.2.7汽动给水泵的检查及启动

  检查:

  序号 操作项目 分值

  1 检查油箱油位正常,油系统阀门正确 20

  2 检查冷油器已投入运行 10

  3 冷却水进出口阀门已开启 10

  4 检查密封水系统已投入 10

  5 全开前置泵入口手动阀 10

  6 开启前管道疏水阀,稍开电动阀暖管 10

  7 低压汽源管暖管 20

  8 轴封蒸汽管暖管 10

  9 合计 100

  启动:

  序号 操作项目 分值

  1 打开主汽门 20

  2 操作meh操作盘,选取复位按钮 10

  3 在画面上按运行按钮,选择自动投运方式 10

  4 检查高、低压轴封部分、推力轴承、支持轴承、泵组内部声音正常 10

  5 手动打闸一次,检查各汽门关闭正常 15

  6 重新挂闸,开启速关阀,选自动投运方式 15

  7 关闭各处疏水门 10

  8 开启速关阀门杆漏汽至轴封回汽门 10

  9 合计 100

  3.3自动评分模块设计

  评分模块设计是评分系统的核心内容,也是此系统是否成功的关键所在。评分模块采用逐步分解考核方式,将每一步操作步骤列入考核范围并配有一定的分值,操作者逐步进行操作来获取分值,最后系统自动计算总分,即操作者获得的最终考试成绩。

  自动评分系统的功能主要是用来评估操作者的操作水平,评分功能设计是系统的重点设计。将汽轮机系统虚拟电站的操作分解为多个考试项目,根据不同的考试项目,设计不同的评分准则。接下来我们将会以低压加热器的检查操作项目为例设计详细的评分标准。首先将操作项目分为四个步骤:首先开启低压加热器疏水器入口门;然后关闭低压加热器出口门、旁路门;接着低加汽侧放水阀关闭;最后低加空气门开启。为每一个操作步骤设定不同的分数而总分设定为一百分。其程序流程图如图2所示

  N

  Y

  N

  Y

  N

  Y

  N

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  图2程序流程图

  等到操作者完成一系列操作之后,然后点击提交,自动评分系统就会自动的给出本次操作者的成绩,如图3所示,

  图3成绩单

  为了使得评分系统更加完善还可以在自动评分系统中设置分数段,90分到100分为优秀,70分到79分为中等80分到89分为良好,最后60分为及格。从图3成绩单来看,该同学的成绩仅达到中等,说明该同学对低压加热器的检查这一操作项目还未做到熟练操作,还需要继续努力。以上仅是以低压加热器的检查这一操作项目为例来对此次自动评分系统的设计做出的阐述,后续还会将这套自动评分系统应用于整个汽轮机系统。

  

  第四章总结

  此次自动评分系统的设计是在虚拟仿真电站上操作来完成各项操作项目,以汽轮机各系统为基础来进行设计和研究的,运用了分散考核与综合得分这一根本思想将复杂的操作流程简化为多个操作步骤来进行评判,最终得出操作员考核成绩。在传统得高校教学模式中,学生在进行汽轮机系统操作项目的考核中往往是由指导老师一对一的给出考核成绩,这种考核方式往往具有一定的主观性,无法客观的给出学生成绩,而且传统的考核方式具有费时费力等必然的缺点,使用自动评分系统则可以做到更加的客观、公正,由计算机直接给出操作员的成绩,可以排除人的主观因素,使得考核结果可以真正的体现出学生的操作水平。