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(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074)

U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器(steam generator, SG)是核動力艦船中連接一回路與二回路的樞紐設(shè)備。蒸汽發(fā)生器的水位必須控制在合理的范圍內(nèi)，水位過高或過低都會影響核動力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用文獻(xiàn)[1]提出的分段線性數(shù)學(xué)模型，在傳統(tǒng)PID控制[2-6]基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種SG水位的前饋反饋串級控制系統(tǒng)。

1 蒸汽發(fā)生器的簡化數(shù)學(xué)模型

自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

1-冷卻劑入口；2-入口腔室；3-U形管；4-汽水分離器；5-蒸汽出口；6-干燥器；7-給水口；8-出口腔室；9-冷卻劑出口

圖1蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

來自一回路的冷卻劑將從一回路帶來的熱量通過SG傳遞給二回路的汽輪發(fā)電機(jī)，SG二次側(cè)給水進(jìn)入SG后，憑借自然循環(huán)壓頭的作用在環(huán)形通道內(nèi)進(jìn)行自然循環(huán)。假設(shè)一回路冷卻劑溫度等參數(shù)恒定不變，僅從質(zhì)量平衡的角度出發(fā)，文獻(xiàn)[1]提出了SG的分段線性數(shù)學(xué)模型，見式(1)。

(1)

式中：Y——SG的水位；

G1——幅值；

G2——幅值;

τ2——阻尼時(shí)間常數(shù)；

T——振蕩周期;

τ1——阻尼時(shí)間常數(shù)；

Qfw、Qs——給水流量和蒸汽流量。

2 蒸汽發(fā)生器水位的動態(tài)特性

2.1 給水流量擾動下的動態(tài)特性

圖2為不同功率下，給水流量階躍變化時(shí)SG水位的動態(tài)響應(yīng)。圖中縱坐標(biāo)中0代表穩(wěn)態(tài)時(shí)的相對值，不是真實(shí)值。當(dāng)給水流量增加時(shí)，由于給水溫度比蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和溫度要低，在給水進(jìn)入SG的初期首先吸熱，使得SG內(nèi)的汽泡數(shù)量減少，導(dǎo)致SG水位下降，出現(xiàn)所謂的“虛假水位”現(xiàn)象。另一方面，隨著給水的增加，水位在達(dá)到最低點(diǎn)后會逐漸上升。在低功率下，SG的虛假水位現(xiàn)象要比高功率下的嚴(yán)重。這是因?yàn)榈凸β蕰r(shí)流量相對較少，測量不夠準(zhǔn)確，使得反饋信號作用受到限制。

圖2 給水流量階躍變化時(shí)SG水位的響

2.2 蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性

圖3為不同功率下蒸汽流量階躍變化時(shí)SG水位的動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，SG內(nèi)的汽相壓力降低，汽化強(qiáng)度增加，使得液相表面的汽泡體積迅速增加，導(dǎo)致水位的迅速增加，出現(xiàn)所謂的“虛假水位”現(xiàn)象。另一方面隨著蒸汽用量的增加，水位最終呈下降的趨勢。同樣，在低功率下SG的虛假水位現(xiàn)象要比高功率嚴(yán)重。

圖3 蒸汽流量階躍變化時(shí)SG水位的響

3 前饋反饋串級控制

反饋控制系統(tǒng)主要是根據(jù)被控量和給定值的偏差信號來進(jìn)行控制。與反饋控制相比，前饋控制直接根據(jù)擾動信號對被控量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)快速性好[7]。

綜合前饋控制與反饋控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器水位的前饋反饋串級控制系統(tǒng)，原理見圖4。

圖4 SG水位的前饋反饋控制原理圖

該系統(tǒng)由兩個閉合的反饋回路及前饋部分組成：內(nèi)回路由給水流量信號Qfw、給水流量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)α2、副調(diào)節(jié)器(PI)、調(diào)節(jié)閥組成，也稱副回路；外回路由水位控制對象y、差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)α3、主調(diào)節(jié)器(PID)和內(nèi)回路組成，也稱主回路；前饋控制部分由蒸汽流量信號Qs和蒸汽流量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)α1組成。

副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)Qs擾動時(shí)，迅速改變給水流量，使水位變化較少；當(dāng)Qfw自發(fā)擾動時(shí)，及時(shí)予以消除。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，使穩(wěn)態(tài)時(shí)的水位等于給定值。主調(diào)節(jié)器的輸出信號作為副調(diào)節(jié)器的給定信號，兩者相互獨(dú)立，相互影響小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量也優(yōu)于單沖量控制系統(tǒng)。

在SG中，由于蒸汽流量隨負(fù)荷變化，使沸騰部分的汽泡量因局部壓力變化而變化，水位呈現(xiàn)所謂的瞬時(shí)“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位現(xiàn)象的出現(xiàn)使得單沖量控制不能獲得良好的調(diào)節(jié)特性。通過引進(jìn)Qs和Qfw的失配信號，就能抑制調(diào)節(jié)閥受虛假水位的影響。當(dāng)失配信號被加到水位偏差信號上時(shí)，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。

4 結(jié)果與分析

圖5和圖6分別為30%功率下，水位與給水流量隨蒸汽流量階躍變化的響應(yīng)。

圖5 蒸汽流量階躍變化時(shí)水位的響應(yīng)，30%功

200 s時(shí)蒸汽流量突然增加25 kg/s，圖中縱坐標(biāo)中0代表穩(wěn)態(tài)時(shí)的相對值，不是真實(shí)值。可以看出，與簡單PID控制系統(tǒng)相比，SG水位的前饋反饋控制系統(tǒng)能夠有效地抑制虛假水位現(xiàn)象，降低了超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

圖6 蒸汽流量階躍變化時(shí)給水流量的響應(yīng)，30%功

從圖6可以看出，在簡單PID控制系統(tǒng)中，當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，由于虛假水位現(xiàn)象的影響，給水閥產(chǎn)生誤動作，導(dǎo)致給水流量瞬間減少，使得蒸汽流量與給水流量的偏差變得更大，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。而前饋反饋控制卻可以減小甚至消除這種由于給水閥的誤動作造成的誤差，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖7和圖8分別為15%功率下，水位與給水流量隨蒸汽流量階躍變化的響應(yīng)。

圖7 蒸汽流量階躍變化時(shí)水位的響應(yīng)，15%功

圖8 蒸汽流量階躍變化時(shí)給水流量的響應(yīng)，15%功

與30%功率下的情況相同，前饋反饋串級控制抑制了虛假水位現(xiàn)象對SG動態(tài)特性的影響，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)；并且，在低功率水平下，前饋反饋串級控制可以將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大大減少，體現(xiàn)了良好的調(diào)節(jié)快速性。

5 結(jié)束語

蒸汽發(fā)生器水位的前饋反饋串級控制系統(tǒng)的前饋部分根據(jù)主要擾動信號直接對被控量進(jìn)行調(diào)節(jié)，反饋回路則克服其余擾動信號的影響。系統(tǒng)不但能很好地抑制“虛假水位”現(xiàn)象的影響，而且調(diào)節(jié)過程中超調(diào)量小、調(diào)節(jié)及時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

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