苑龍飛，宋楊，趙觀輝，吳毅，黃杰，黃威霖

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2中國船舶重工集團(tuán)有限公司，北京100097

0 引 言

為了提高蒸汽試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，必須開展準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的仿真研究，其中GSE仿真軟件針對兩相流系統(tǒng)的仿真精度很高，不但可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和連續(xù)過程仿真，還可以準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的局部參數(shù)，是目前國內(nèi)外核電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的仿真開發(fā)平臺之一?；贕SE仿真平臺，鄭建濤［1］建立了燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)備模型，研究了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；薛朝囡等［2］建立了某600 MW超臨界鍋爐對流受熱面模型，研究了鍋爐熱力系統(tǒng)的變工況特性；方桐毅等［3］建立了渦輪增壓機(jī)組的仿真模型，研究了主鍋爐裝置總體布局導(dǎo)致的進(jìn)排氣管長度變化對機(jī)組功率平衡特性的影響。

臺架試驗(yàn)是蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與研究的重要手段，而對于臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的特性分析而言，能否準(zhǔn)確模擬邊界條件是至關(guān)重要的影響因素［4］。在研究動(dòng)態(tài)特性時(shí)，對于某些特殊工況，上游邊界會提出流量線性變化的控制要求，而在工程中則往往難以實(shí)現(xiàn)。目前，有關(guān)蒸汽流量邊界動(dòng)態(tài)控制方面的研究成果并不多，吳淏等［5］建立了蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)模型，并采用開環(huán)控制、閉環(huán)控制等手段研究了3條支路供應(yīng)蒸汽的流量控制方案，但其研究成果并不適用于線性變化的流量邊界（尤其在多支路耦合的工況下）。張小亮等［6］提出了一種智能算法——模糊自適應(yīng)PID智能溫度控制算法，具有很高的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)特性，該方法主要適用于溫度控制。沈永鳳［7］針對利用膨脹系數(shù)法修正JTopmeret計(jì)算閥門阻塞流問題方面的不足，開展了蒸汽系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選型設(shè)計(jì)與仿真研究，顯著提高了調(diào)節(jié)閥的仿真模型精度。

綜上所述，目前國內(nèi)尚未開展蒸汽流量邊界動(dòng)態(tài)控制方面的仿真研究，因此本文將利用GSE軟件平臺搭建臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的圖形化仿真模型，開展流量邊界的線性變化控制仿真研究。在此基礎(chǔ)上，針對2種流量控制方案進(jìn)行仿真對比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終形成一種可行的動(dòng)態(tài)流量邊界控制方法，用以為蒸汽系統(tǒng)的臺架試驗(yàn)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

1 蒸汽系統(tǒng)的臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

本文的研究對象是某蒸汽系統(tǒng)的臺架試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成如圖1所示，主要由蒸汽供應(yīng)部分、試驗(yàn)系統(tǒng)的邊界模擬部分和試驗(yàn)對象3個(gè)部分組成。蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高壓過熱蒸汽經(jīng)減溫裝置和減壓裝置后，即可成為滿足試驗(yàn)要求的微過熱蒸汽，其參數(shù)如表1所示。4臺高壓儲汽罐作為試驗(yàn)系統(tǒng)的上游邊界，負(fù)責(zé)入口蒸汽的參數(shù)控制，而蒸汽的流量控制則由1～4號調(diào)節(jié)閥來完成。試驗(yàn)對象即為蒸汽終端用戶，由于不是本文的主要研究內(nèi)容，故在此不詳細(xì)介紹。

圖1 蒸汽系統(tǒng)試驗(yàn)臺架系統(tǒng)的組成Fig.1 Structures of bench test system of steam system

表1 蒸汽參數(shù)Table 1 The parameters of steam

1.2 試驗(yàn)控制要求

假定圖1中臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的某一動(dòng)態(tài)工況為：當(dāng)觸發(fā)信號給定后，系統(tǒng)下游某支路緊急關(guān)閉，蒸汽鍋爐維持原有狀態(tài)；減壓裝置閥位的開度維持不變，而1～4號調(diào)節(jié)閥開始動(dòng)作，從而完成系統(tǒng)上游的流量控制。

該工況下，系統(tǒng)上游的流量變化要求如圖2所示，即在下游支路關(guān)閉后10 s內(nèi)，系統(tǒng)上游4條支路的流量需要以近似線性的趨勢減少約20 t/h。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要合理控制1～4號調(diào)節(jié)閥的開度。下文將針對調(diào)節(jié)閥的控制方案展開研究。

圖2 流量邊界的變化曲線Fig.2 The variation curve of flow boundary

2 仿真模型

2.1 模型的建立

基于JTopmeret軟件建立的蒸汽系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。其中鍋爐模型在保證出口蒸汽參數(shù)與臺架試驗(yàn)系統(tǒng)一致的前提下做了簡化處理，且仿真模型管路的測點(diǎn)布置與臺架試驗(yàn)系統(tǒng)保持一致。為了使仿真模型能夠在特定工況下準(zhǔn)確模擬臺架試驗(yàn)所關(guān)注的參數(shù)變化情況，本文結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)的熱態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和修正，具體修正內(nèi)容如下：

1）模型中管路的容積、阻力等參數(shù)與臺架試驗(yàn)系統(tǒng)保持一致，并按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正仿真模型管路的阻力特性。

2）編寫調(diào)節(jié)閥的修正程序，并利用膨脹系數(shù)法修正JTopmeret軟件在計(jì)算閥門阻塞流問題方面的不足［7］。此外，閥門的動(dòng)作時(shí)間、流體特性參數(shù)均按照試驗(yàn)系統(tǒng)的熱態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，用以保證調(diào)節(jié)閥的仿真模型能夠真實(shí)地模擬臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的閥門運(yùn)行特性。

3）仿真模型的控制邏輯與控制參數(shù)均與臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的PLC和DCS參數(shù)保持一致，包括PID參數(shù)、閥門動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)。

圖3 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of bench test system

2.2 模型的驗(yàn)證

鑒于蒸汽系統(tǒng)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)中4條上游支路的流量和4個(gè)調(diào)節(jié)閥的特性基本一致，為了簡化分析，本文僅選取1號調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)（修正后的仿真模型）與臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。針對2種穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況，邊界上游的壓力與流量參數(shù)如表2所示，其中測點(diǎn)1～4為4個(gè)儲汽罐的壓力，測點(diǎn)5～8為4個(gè)儲汽罐出口處支路的流量。

由表2可知，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度較高，壓力偏差值在0.5%以內(nèi)，流量偏差值在2%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了本文仿真模型的準(zhǔn)確性與有效性。需要說明的是，本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由測量儀表提供，而儀表可能存在誤差，其中蒸汽流量的測量誤差一般較大，不過本文的仿真模型并沒有考慮這個(gè)影響因素。

表2 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of simulation data and test data

3 流量邊界控制

3.1 流量控制方案

基于臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的總體配置、控制要求和測點(diǎn)布置，本文將采用開環(huán)控制和PID閉環(huán)控制［8-9］這2種控制邏輯方案（圖4）。

圖4 流量邊界的控制方案Fig.4 Control schemes of flow boundary

開環(huán)控制方案如圖4（a）所示。將調(diào)節(jié)閥的開度變化曲線預(yù)先輸入到PLC中，當(dāng)給定試驗(yàn)信號后，即由PLC直接控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)流量變化的控制。該方案的控制邏輯很簡單，無需整定控制參數(shù)，但其能否實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制取決于預(yù)先輸入的調(diào)節(jié)閥開度曲線，因此這種控制方案往往需要進(jìn)行多次迭代，如圖5所示。

圖5 開環(huán)控制方案的流程框圖Fig.5 Flow diagram of the open-loop control scheme

PID閉環(huán)控制方案如圖4（b）所示。首先，需要設(shè)定流量的控制目標(biāo)值，然后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測該支路調(diào)節(jié)閥之后的流量，并通過PID調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的控制。傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制對于恒定系統(tǒng)的邊界控制效果較好，然而對于時(shí)變、耦合、不確定的復(fù)雜系統(tǒng)而言，可能無法達(dá)到預(yù)期的控制效果［10］。

3.2 流量邊界控制的仿真分析

鑒于蒸汽系統(tǒng)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)中4條上游支路的流量和4個(gè)調(diào)節(jié)閥的特性基本一致，為了簡化分析，本文仍將選取1號調(diào)節(jié)閥作為研究對象，而系統(tǒng)流量則采用系統(tǒng)上游入口處的總流量值。

3.2.1 PID閉環(huán)控制

PID閉環(huán)控制方案的仿真結(jié)果如圖6所示，其中理想值即為流量邊界的線性變化曲線（圖2）。本文設(shè)置了2個(gè)目標(biāo)值：一個(gè)是恒定目標(biāo)值，即將控制目標(biāo)值設(shè)為流量最終值（恒定為34 t/h）；另一個(gè)是變化目標(biāo)值，即將控制目標(biāo)值設(shè)定為變化值（在54～34 t/h范圍內(nèi)呈線性變化趨勢）

圖6 流量邊界的變化曲線對比Fig.6 Comparison of variation curves for flow boundary under PID control scheme

由圖6可知：與恒定目標(biāo)值方案相比，變化目標(biāo)值方案的線性度更優(yōu)，但其在20 s內(nèi)的流量變化值并未達(dá)到控制要求。恒定目標(biāo)值方案的流量變化呈先陡后緩的趨勢，更加難以滿足控制要求。導(dǎo)致PID閉環(huán)控制效果不佳的原因主要是：在動(dòng)態(tài)切換工況的過程中，入口流量受上游和下游支路的影響很大，如果采用傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)入口流量，會出現(xiàn)閉環(huán)控制時(shí)間響應(yīng)不及時(shí)、調(diào)制效果滯后等問題。因此，傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制并不適用于流量動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)。

3.2.2 開環(huán)控制

開環(huán)控制仿真中，調(diào)節(jié)閥的開度變化曲線和系統(tǒng)流量變化曲線的迭代過程分別如圖7和圖8所示。

圖7中調(diào)節(jié)閥開度的變化過程為：在初始時(shí)刻（第0 s），閥位維持不變；給定信號后（第4 s），閥位開始動(dòng)作，閥位開度先增大后減?。坏?4 s后，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作結(jié)束，并保持不變。由圖8可知，經(jīng)過4次迭代后，流量邊界的變化曲線非常接近理想曲線，基本滿足控制要求。

圖7 調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線Fig.7 The variation curves of valve opening

圖8 流量邊界的變化曲線Fig.8 The variation curves for flow boundary under open-loop control scheme

由整個(gè)迭代過程可知，流量變化曲線在每一次迭代后都會逐漸靠近理想值曲線。因此，通過反復(fù)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度變化曲線，理論上可以滿足任意的流量控制要求，但需要反復(fù)迭代嘗試。鑒于蒸汽系統(tǒng)的安全性要求和經(jīng)濟(jì)性要求，在臺架試驗(yàn)中進(jìn)行反復(fù)迭代不太實(shí)際，可行的方案是通過實(shí)時(shí)仿真手段進(jìn)行迭代并通過臺架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

將開環(huán)控制仿真所得調(diào)節(jié)閥開度變化曲線（圖7中第4次迭代曲線）輸入臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的PLC中，開展動(dòng)態(tài)工況試驗(yàn)。流量邊界的仿真數(shù)據(jù)（圖8中第4次迭代曲線）和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖9所示。

由圖9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的流量邊界在10 s內(nèi)以近線性的趨勢減少了20 t/h，滿足流量邊界的線性控制要求。此外，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性也驗(yàn)證了本文仿真模型的準(zhǔn)確性與有效性。

5 結(jié) 語

圖9 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of simulation data and test data

為了提出蒸汽系統(tǒng)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的流量邊界控制方法，本文利用GSE軟件平臺搭建了蒸汽系統(tǒng)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的圖形化仿真模型，并通過穩(wěn)態(tài)工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的流量邊界控制要求，本文提出了2種調(diào)節(jié)閥的控制方案并開展了仿真對比分析。研究結(jié)果表明，多次迭代的開環(huán)控制方案可以滿足流量邊界的近線性變化要求，而傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制方案則并不適用。