燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志濤，明 亮，趙寧波，李淑英

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然會(huì)加大對(duì)高層次專門人才的需求，研究生規(guī)模的擴(kuò)大意味著高層次人才的增加，這會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到促進(jìn)作用。但是，這種促進(jìn)作用的體現(xiàn)是以我國(guó)研究生教育培養(yǎng)出高質(zhì)量、高層次、符合社會(huì)發(fā)展需要的人才為前提的。單純?cè)谝?guī)模和數(shù)量上的擴(kuò)大，難以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高質(zhì)量、高層次專門人才的目標(biāo)，反而會(huì)造成教育資源的浪費(fèi)和人們對(duì)研究生教育信任度的降低。因此，提高我國(guó)研究生教育的培養(yǎng)質(zhì)量是重中之重。

我國(guó)“兩機(jī)專項(xiàng)”重大工程的實(shí)施必然會(huì)加大對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)人才的需求。如何縮小研究生教育培養(yǎng)人才與實(shí)際工程需求人才之間能力的差距，是目前研究生教育迫切需要解決的問(wèn)題之一。然而，燃?xì)廨啓C(jī)這種大型的動(dòng)力裝置占地空間大，運(yùn)行和維護(hù)成本較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，很難進(jìn)行針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)際機(jī)組的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入、持續(xù)的思考，提出了科研支撐教學(xué)的人才培養(yǎng)理念。從如何讓學(xué)生有效參與科研到如何把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)條件，開(kāi)展了虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、自制教學(xué)儀器等教學(xué)改革和實(shí)踐。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將虛擬燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真模型與硬件相結(jié)合，直觀再現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在實(shí)際工作過(guò)程中的工作特性，可以豐富教師的教學(xué)手段和教學(xué)方式，改變以往沉悶的課堂教學(xué)，真正做到虛實(shí)結(jié)合，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新要求。

1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，主要包括燃?xì)廨啓C(jī)裝置仿真軟件、半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三部分內(nèi)容，能夠進(jìn)行分軸燃機(jī)穩(wěn)態(tài)變工況性能實(shí)驗(yàn)、三軸燃機(jī)穩(wěn)態(tài)變工況性能實(shí)驗(yàn)、分軸燃機(jī)動(dòng)態(tài)變工況性能實(shí)驗(yàn)、三軸燃機(jī)動(dòng)態(tài)變工況性能實(shí)驗(yàn)、單軸發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能自主設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。建立燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的作用：學(xué)生利用燃?xì)廨啓C(jī)裝置仿真軟件可以進(jìn)行裝置穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能仿真實(shí)驗(yàn)；通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真模型與發(fā)電系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)的聯(lián)合仿真可以進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)突變負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性分析及控制策略研究。

2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成與原理

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由上位機(jī)、監(jiān)控顯示屏幕、仿真機(jī)、物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)等四部分組成，各部分之間的連接關(guān)系如圖1所示。系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)裝置半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of semi-physical simulation experiment system for gas turbine plant

A.上位機(jī)：完成燃機(jī)建模、離線仿真、實(shí)時(shí)代碼生成等功能。主要用于仿真過(guò)程中仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、仿真結(jié)果處理。

B.仿真計(jì)算機(jī)：實(shí)時(shí)運(yùn)行燃機(jī)模型，并通過(guò)采集板卡、TCP/IP總線同上位機(jī)和物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信。

C.通信設(shè)備：采集板卡、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)路由器。

D.物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)：該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由拖動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速扭矩儀、柔性聯(lián)軸器、電子負(fù)載、機(jī)柜等組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器按預(yù)定控制方式驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)同軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)速扭矩儀采集電機(jī)輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。可編程交流負(fù)載作為發(fā)電機(jī)負(fù)載，通過(guò)編程控制負(fù)載按預(yù)定方案進(jìn)行變化，從而達(dá)到模擬燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況的功能。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)適用于模擬燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況，其中物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)部分由高精度調(diào)速電機(jī)接收燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真模型的數(shù)據(jù)指令，實(shí)時(shí)仿真模型通過(guò)板卡和扭矩儀采集發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和負(fù)載扭矩，實(shí)現(xiàn)仿真模型與物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)的連接，并對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行半物理仿真分析。

3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)新性

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最大創(chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)這一大型、高危險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行了半物理仿真設(shè)計(jì)，并按照實(shí)際的功能進(jìn)行位置布置，學(xué)生可以直觀了解教學(xué)內(nèi)容所涉及的對(duì)象。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深，使學(xué)生能夠了解之前所學(xué)的基礎(chǔ)課程是如何應(yīng)用到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組上的。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、仿真機(jī)、數(shù)據(jù)接口、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)物等，如圖2～圖6所示。在該系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)和調(diào)速器為數(shù)學(xué)模型，發(fā)電機(jī)、電力負(fù)載等其他部分為實(shí)物，其中實(shí)物部分都是按照一定功率比例縮小而成的。軟件部分主要包括燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真軟件和半物理仿真平臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件。通過(guò)該半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的研究，它能在一定程度上體現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在真實(shí)電力負(fù)載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真模型Fig.2 Real time simulation model of gas turbine

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控界面Fig.3 Measurement and control interface of gas turbine generator set semi-physical simulation experiment system

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行演示界面Fig.4 Operation demonstration interface of gas turbine generator set semi-physical simulation experiment system

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物部分Fig.5 Physical part of gas turbine generator set semi-physical simulation experiment system

圖6 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Real-time simulation system and monitoring system

4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)安全性

實(shí)際使用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)消耗大量人力和物力，如果操作有誤還可能造成安全事故。因此，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的半物理仿真法開(kāi)發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可以很好地模擬實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和控制技術(shù)，同時(shí)也可以降低實(shí)驗(yàn)成本，在很大程度上保證實(shí)驗(yàn)的安全性。

該實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)際系統(tǒng)的縮比模型，體積小于2 m3，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)采用常見(jiàn)可靠的產(chǎn)品，可以保證設(shè)備的安全性。另外，設(shè)備外部還設(shè)計(jì)了金屬防護(hù)罩，裝置運(yùn)行時(shí)，操作人員不會(huì)直接接觸到裝置，因此不會(huì)造成任何人身傷害。

5 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組半物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是針對(duì)研究生在動(dòng)力工程及工程熱物理、輪機(jī)工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)過(guò)程中面臨的理論枯燥、缺乏對(duì)教學(xué)內(nèi)容的直觀認(rèn)知等問(wèn)題研發(fā)而成的。目前，該系統(tǒng)由燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組實(shí)物系統(tǒng)和控制運(yùn)行演示系統(tǒng)三部分組成，利用數(shù)字仿真、半物理仿真和演示運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)場(chǎng)景的沉浸性和教學(xué)方式的交互性，很好地解決了教學(xué)內(nèi)容抽象、專業(yè)知識(shí)難以理解與實(shí)際運(yùn)用相脫節(jié)的問(wèn)題。