張永生 馬運義

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

基于PID的船用汽輪機功頻控制系統(tǒng)

張永生 馬運義

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

根據(jù)船用汽輪機的熱力學(xué)原理與汽輪機功率模型，設(shè)計一種基于常規(guī)PID的船用汽輪機功頻控制系統(tǒng)，并運用Matlab／Simulink仿真模塊對其進行仿真計算。結(jié)果表明，當(dāng)二回路負(fù)荷發(fā)生變化時，該控制系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)汽輪機的進汽量，使汽輪機的功率能夠快速跟蹤發(fā)電機功率的變化，并維持汽輪機的轉(zhuǎn)速（頻率）不變。

汽輪機；功率；頻率；PID

1 引言

汽輪機功頻控制系統(tǒng)是汽輪機普遍采用的控制系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者對汽輪機的數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)均進行了大量研究。張楊偉等［1］建立了船用核汽輪機實時仿真的兩相流模型，對變化負(fù)荷工況下船用核汽輪機裝置的動態(tài)特性進行了計算。文獻［2］介紹了船用汽輪機的數(shù)學(xué)模型，包括進氣量、機械效率、功率以及轉(zhuǎn)速模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)速系統(tǒng)。Son［3］基于船用汽輪機推進電力裝置MST 23，采用傳遞函數(shù)法研究了船用汽輪機推進裝置的動態(tài)特性。以上文獻均側(cè)重于汽輪機模型的研究。而蘇杰［4］等提出的將魯棒廣義預(yù)測自校正控制算法應(yīng)用于汽輪機的轉(zhuǎn)速控制，則可提高汽輪機系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，對汽輪機模型的不確定性具有良好的適應(yīng)性和魯棒性。孫建華等［5］與Han等［6］將模糊控制和常規(guī)PID控制相結(jié)合，實現(xiàn)了汽輪機轉(zhuǎn)速的快速跟蹤和穩(wěn)定控制，但他們沒有同時考慮汽輪機轉(zhuǎn)速與功率的耦合關(guān)系。文獻［7］應(yīng)用線性系統(tǒng)極點配置方法，提出了一種既能使汽輪機功率跟隨負(fù)荷變化，又可保證汽輪機轉(zhuǎn)速按指令進行控制的新方法。

本文基于常規(guī) PID控制，采用 Matlab／Simulink模塊實現(xiàn)了汽輪機功頻控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)汽輪機功率跟蹤發(fā)電機功率變化的同時，還能保證汽輪機轉(zhuǎn)速不變。

2 汽輪機功率模型

質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

轉(zhuǎn)子運動方程：

式中，ρs為蒸汽密度，kg／m3；Vt為汽輪機的汽腔體積，m3；Gin為汽輪機的進汽量，kg／s；Gout為汽輪機的出汽量，kg／s；us為蒸汽的內(nèi)能，J；J為汽輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg／m3；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r／min；Nt為汽輪機功率，W；Ng為發(fā)電機功率，W。

進汽量計算方程：

式中，k為阻力系數(shù)；V為閥門開度；Pin為汽輪機進口壓力；Pout為汽輪機出口壓力。

效率計算方程：

理想膨脹做功按等熵過程求出［8］：

式中，S1為汽輪機進口熵值，kJ／kg；S2為汽輪機出口熵值，kJ／kg；hin為汽輪機進口焓值，kJ／kg；hout為汽輪機出口焓值，kJ／kg；houtS為汽輪機出口等熵焓降的焓值，kJ／kg。

3 汽輪機功頻控制系統(tǒng)

汽輪機控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成汽輪機的啟動、調(diào)速、停車，以及在一定工況下維持穩(wěn)定運行。本文所研究的船用汽輪機只用于帶動發(fā)電機發(fā)電，無須倒車裝置，其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要功能是在不同工況下維持汽輪機轉(zhuǎn)速不變。

汽輪機的功頻控制系統(tǒng)原理如圖1所示。轉(zhuǎn)速采樣器α1與功率采樣器α2將測得的信號與相應(yīng)的設(shè)定值進行比較，然后將差值信號送入PID調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，輸出的信號用于控制進汽調(diào)節(jié)閥的開度，以實現(xiàn)汽輪機功率與轉(zhuǎn)速（頻率）的調(diào)節(jié)。

圖1 汽輪機功頻控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of power and frequency control system for steam turbine

4 仿真結(jié)果分析

本文采用Matlab／Simulink模塊實現(xiàn)了汽輪機功頻控制系統(tǒng)，并與蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進行了耦合計算［9］。為驗證汽輪機功頻控制系統(tǒng)的正確性，設(shè)計了以下工況變化：200 s之前為100%蒸汽負(fù)荷的穩(wěn)定狀態(tài)；在200 s時引入一個擾動，即發(fā)電機功率階躍下降20%。汽輪機轉(zhuǎn)速、功率以及蒸汽發(fā)生器各主要參數(shù)隨時間的變化如圖2和圖3所示。其中，縱坐標(biāo)為各參數(shù)的標(biāo)幺值，它是實際值與額定值的比值。

圖2 汽輪機轉(zhuǎn)速與功率隨時間的變化Fig.2 The transient response of speed and power of steam turbine

圖3 蒸汽發(fā)生器各參數(shù)隨時間的變化Fig.3 The transient response of main parameters of steam generator

由圖2可看出，當(dāng)發(fā)電機的功率發(fā)生變化時，汽輪機的實發(fā)功率能夠很好地跟蹤發(fā)電機的功率變化，大約30 s便可達到功率設(shè)定值，表明了汽輪機進汽調(diào)節(jié)閥控制的有效性。同時，由于進汽量的改變必然會引起汽輪機轉(zhuǎn)速的變化，而功頻控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用又使得汽輪機轉(zhuǎn)速能夠很快回到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量小于額定值的2%，因而能滿足船用汽輪機的控制指標(biāo)。

由圖3可看出，當(dāng)發(fā)電機功率下降時，汽輪機功頻控制系統(tǒng)是通過進汽調(diào)節(jié)閥動作，減少汽輪機的進汽量來實現(xiàn)汽輪機功率下降的。汽輪機的進汽量約需30 s穩(wěn)定，這與圖2中汽輪機功率的穩(wěn)定時間是一致的，證明了所提出的汽輪機功頻控制系統(tǒng)的有效性。同時，汽輪機進汽量的減少會引起蒸汽發(fā)生器水位的波動，但由于水位控制系統(tǒng)的作用，蒸汽發(fā)生器的水位波動非常小，能很快回到設(shè)定值。另外，蒸汽產(chǎn)量的減少也會導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器的飽和壓力以及溫度上升。

5 結(jié)語

通過建立船用汽輪機的本體數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了基于PID的船用汽輪機功頻控制系統(tǒng)，并采用Matlab／Simulink模塊對其進行了仿真計算，與蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進行了耦合計算。仿真結(jié)果表明，該功頻控制系統(tǒng)不但能使汽輪機的實發(fā)功率快速跟蹤發(fā)電機功率的變化，而且還能保證汽輪機的轉(zhuǎn)速不變。

［1］張楊偉，蔡琦，于雷.船用核汽輪機裝置仿真研究［J］.汽輪機技術(shù)，2006，48（1）：40－43.

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［3］SON L H.Sum results of analyzing of marine steam turbine propulsion plant in the transient states using the mathematical model［J］.IEEE Technology Ocean’04，2004，4：2296－2301.

［4］蘇杰，夏國清，張偉.汽輪機系統(tǒng)的魯棒預(yù)測控制仿真研究［J］.微計算機技術(shù)，2007（22）：4－6.

［5］孫建華，汪偉，余海燕.基于模糊－PID的汽輪機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（1）：27－29，33.

［6］HAN G H，CHEN L H，SHAO J P，et al.Study of fuzzy PID controller for industrial steam turbine governing system ［C］//IEEE International Symposium on Communications and Information Technology （ISCIT），2005：1275－1279.

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［8］朱偉，蔣滋康，程芳真.汽輪機本體分段式通用模塊化建模與仿真［J］.熱能動力工程，2000，15（3）：278－280，293.

［9］張永生，馬運義，高偉，等.U型管蒸汽發(fā)生器的簡化集總參數(shù)動態(tài)模型［J］.中國艦船研究，2010，5（4）：52-55.

The Power-Frequency Governing System of Marine Steam Turbine Based on PID

Zhang Yong－sheng Ma Yun－yi
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

A power-frequency governing system of marine steam turbine based on PID was designed，according to the thermodynamics principle and the power model of the marine steam turbine.Matlab／Simulink was introduced to perform the simulation.The results show that the governing system responds quickly with the power change of generator.By regulating the steam flux into steam turbine，the system keeps the rotatary speed （frequency）relatively constant，while the steam load disturbs in the secondary circuit.

steam turbine；power；frequency；PID

U664.113

：A

：1673－3185（2011）04－89－03

2010-04-23

張永生（1982－），男，博士研究生。研究方向：動力裝置的控制與仿真。E-mail：zhang－262519＠163.com

馬運義（1942－），男，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向：常規(guī)潛艇總體性能和噪聲控制

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.019