季晨龍,黃雨瑤,李 良
(1.中國人民解放軍海軍裝備部, 北京 100071;2.武漢第二船舶設計研究所, 湖北 武漢 430064)
直流蒸汽發(fā)生器具有結構簡單、熱效率高、機動性好等優(yōu)點,適用于船舶核動力裝置,近年來得到了國內外學者的廣泛研究。其出口蒸汽過熱度影響了熱力循環(huán)效率和管道的安全性等,對蒸汽過熱度的有效控制,為保證船用動力裝置運行的高效性和安全性具有重大意義[1]。目前對于蒸汽過熱度控制的研究相對而言較少,Zhe 等[2]采用飽和輸出反饋耗散控制律調節(jié)氨流量進而控制出口蒸汽過熱度;胡曉杰等[1]采用3 沖量控制方法,將蒸汽溫度、蒸汽流量、主給水流量作為輸入量,主給水閥調節(jié)開度作為輸出量控制蒸汽過熱度;苑源等[3]設計了蒸汽壓力和過熱度控制系統(tǒng),通過控制主冷卻劑泵轉速控制蒸汽壓力,控制主給水泵轉速控制蒸汽過熱度[3],仿真結果表明該控制方案是可行的,只是一般情況下不控制冷卻劑泵轉速。已有的方法因應用的局限性和控制效果不足,均未滿足船用動力裝置要求。
本文在大-小閥切換系統(tǒng)的框架下研究直流蒸汽發(fā)生器過熱度控制問題。介紹蒸汽過熱度模型及過熱度控制策略,根據(jù)大-小給水閥的配置,提出2 種過熱度切換控制策略,并采用工程算例對提出的切換控制策略進行對比驗證。
直流蒸汽發(fā)生器給水流量到出口蒸汽流量的傳遞函數(shù)[4]:
表1 參數(shù)說明表Tab.1 Parameter description table
基于對蒸汽過熱度模型的分析,蒸汽過熱度通過給水流量控制實現(xiàn),給水流量通過給水閥進行調節(jié)。但實際工程中給水泵轉速、蒸汽壓力等因素也很容易引起給水流量的波動,故引入串級控制系統(tǒng),提升給水流量控制的穩(wěn)定性,改善控制系統(tǒng)的控制效果。圖1為蒸汽過熱度的控制框圖,控制邏輯過程如下:1)根據(jù)當前蒸汽溫度、壓力,計算當前蒸汽過熱度ΔT;2)根據(jù)蒸汽過熱度設定值,計算蒸汽過熱度偏差;3)根據(jù)過熱度偏差,計算給水流量需求值Q*w(控制器1 實現(xiàn));4)根據(jù)當前給水流量測量值,以及給水閥流量特性,計算給水調節(jié)閥輸出開度(控制器2 實現(xiàn))。
圖1 直流蒸汽發(fā)生器蒸汽過熱度控制框圖Fig.1 Diagram of steam superheat control of once-through steam generator
如圖2 所示,船用核動力裝置采用大-小給水調節(jié)閥并聯(lián)配置的方式保證直流蒸汽發(fā)生器的機動性和精確性。對于大-小給水調節(jié)閥并聯(lián)的配置,控制系統(tǒng)存在分程切換、開度分解2 種控制方式,前者在單個控制周期內只有單臺閥動作,后者則同時動作。
圖2 直流蒸汽發(fā)生器蒸汽過熱度控制框圖Fig.2 Diagram of steam superheat control of once-through steam generator
分程控制系統(tǒng)是指由1 個調節(jié)器的輸出去帶動2 個或2 個以上的調節(jié)閥[5]。蒸汽過熱度控制系統(tǒng)中大小給水調節(jié)閥的控制作用相同,其分程控制示意圖與圖3 一致。由圖中可知,分程控制系統(tǒng)中存在1 個分程點m,在調節(jié)器輸出信號達到分程點之前,小閥的開度隨控制器輸出信號的增大而增大,當輸出信號達到分程點時,小閥同時達到滿量程并保持該狀態(tài)不變;輸出信號大于分程點時,大閥的開度隨控制器輸出的增加而增大直至達到滿量程。
圖3 分程控制示意圖-閥門同向動作Fig.3 Schematic diagram of split control - valves act in the same direction
為了保證全工況給水的精確性和快速性,提出大-小給水調節(jié)閥開度分解切換策略,即在單個控制周期內將2 種不同尺度的控制方式作用于同一控制對象。圖4 為其控制框圖,邏輯過程如下:根據(jù)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和過熱度控制邏輯得到給水流量需求值(控制器1 實現(xiàn)),需求值與當前給水流量信號作偏差,將得到的偏差信號e分解為小尺度的偏差信號e1和大尺度的偏差信號e2(偏差分解模塊實現(xiàn))。其中,小尺度的偏差信號e1送至給水調節(jié)小閥控制器,通過調節(jié)小閥開度消除該項偏差;大尺度偏差信號e2送至給水調節(jié)大閥控制器,通過調節(jié)大閥開度消除該項偏差。
圖4 開度分解切換控制框圖Fig.4 Opening decomposition switching control diagram
其中,偏差分解模塊將偏差信號分解方式為:
sign 為求符號運算,mod 為求模運算,m為信號分解的閾值,閾值根據(jù)具體閥門流量特性進行選擇。
為了比較2 種切換控制策略的控制效果,采用工程算例進行驗證,控制器均選用PI 控制器。其中給水調節(jié)大小閥均取線性閥,由于為并聯(lián)配置,其兩端壓差一致,考慮該壓差不變,則取閥門開度與給水流量的關系如下:
式中:l為閥門開度;Q大和Q小為閥門開度為l時通過給水調節(jié)大閥、小閥的流體流量,t/h。
為了區(qū)分給水大小閥的精度,取大閥開度的精度為1%,即分度值為1%×232=2.32,而小閥開度的精度為0.5%,即分度值為0.5%×58=0.29。
為了定量地評判控制系統(tǒng)的控制效果,引入性能指標函數(shù)如下[7]:
該指標包括了控制過程中的快速性和精確性指標,適合本章的評判準則。當控制系統(tǒng)的指標函數(shù)值越小,其控制效果越好。
首先考慮只用給水調節(jié)大閥調節(jié)給水流量的情況,設定過熱度的控制指標為35,以式(7)為指標函數(shù)對PI 控制器的控制參數(shù)進行整定,則通過線性尋優(yōu)得到的結果如下:
根據(jù)控制參數(shù),得到的控制系統(tǒng)仿真結果如圖5所示。設定初始給水流量較小,過熱度值較大,此時給水閥快速補水出現(xiàn)了較大超調,在10 s 時基本穩(wěn)定達到設定值。為了檢測控制系統(tǒng)的抗干擾能力,在60 s時加入了擾動信號,過熱度增大,控制器調節(jié)給水閥增大開度進行補水,系統(tǒng)在155 s 時再次達到穩(wěn)定狀態(tài),調整時間較長??刂葡到y(tǒng)的性能指標函數(shù)值為3.260 0E+04,可知該系統(tǒng)抗干擾能力較差。圖中過熱度一直存在較小的波動,該波動是由給水調節(jié)大閥的精度引起的。
圖5 單個給水閥的控制效果Fig.5 Control effect of single feed valve
對于分程控制系統(tǒng),最重要的是找到合適的分程點,使大小給水調節(jié)閥切換時整個流量管路的流量不引起突變,且盡量保持整個管路的流量特性曲線平滑[5]。由于本節(jié)選取的給水調節(jié)大小閥均為線性閥門,將大小閥并聯(lián)管路看成一個整體,則總管路的理想流量特性也為線性。根據(jù)給水調節(jié)閥開度與流量的關系式,則并聯(lián)管路的理想流量特性公式為[6]:
由于并聯(lián)后管路最大總流量為 2 個閥門最大流量相加,最小流量為2 個閥門最小可調節(jié)流量相加。故邊界條件為:當I=0 時,Q理,0=Q小,0+Q大,0=10,當I=1 時,Q理,0=Q大,100+Q小,100=240+60=300,代入上式有
則式(11)為并聯(lián)管路的理想流量特性公式,而當分程點為m時,實際并聯(lián)管路的總流量為[5]:
選取不同的分程點m,可得到不同的并聯(lián)管路流量特性曲線,若得到的曲線與理想流量特性曲線Q理差距最小,并聯(lián)管路總流量的曲線平滑性也能得到保障,即
根據(jù)式(13)和式(14)進行線性尋優(yōu)得到的最優(yōu)分程點為m=20%。圖6 為選擇不同分程點時管路的流量特性曲線,從圖中可以看出與m=10% 和m=60%相比,當選擇20%為分程點時,期望曲線與實際得到的并聯(lián)管路流量特性曲線的面積差最小,且得到的流量特性曲線也最平滑。
圖6 不同分程點得到的并聯(lián)管路流量特性曲線Fig.6 Flow characteristic curves of parallel pipelines obtained at different range points
基于分程控制策略和已辨識的模型建立仿真模型,并以需求開度信號m=20%為切換信號。根據(jù)線性尋優(yōu)的方法,使性能指標函數(shù)最小時,得到的控制系統(tǒng)參數(shù)值為:
圖7 為大小給水調節(jié)閥分程控制的仿真結果。初始狀態(tài),過熱度較高,大小閥很快達到滿量程,導致過熱度快速降低,并低于設定值,在一段時間的超調后,閥門開度減少,小閥進行流量調節(jié),過熱度在40 s時達到預設值并保持穩(wěn)定。在60 s 時加入了同樣的階躍擾動信號,小閥達到滿量程,大閥增加開度進行補水,系統(tǒng)的穩(wěn)定時間為20 s。且經(jīng)仿真,JITAE(2)=2.6336E+04,比單個調節(jié)閥控制系統(tǒng)的控制效果好。分程控制系統(tǒng)在進行大量快速補水時調節(jié)大閥開度,少量精確補水時調節(jié)小閥開度,能很好的改善控制效果。由于分程系統(tǒng)在小閥開滿之后加入大閥進行調節(jié),避免了給水管路中因大小閥切換帶來的給水流量大幅波動,使系統(tǒng)相對穩(wěn)定,且控制系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時,抗干擾能力也較強,能快速保持系統(tǒng)穩(wěn)定。
同樣以性能函數(shù)為指標,通過線性尋優(yōu)的方法得到偏差分解模塊中信號分解閾值m為0.758,控制器參數(shù)如表2 所示。
表2 開度分解切換控制系統(tǒng)PI 參數(shù)Tab.2 PI Parameters of opening decomposition switching control system
對該控制策略進行仿真,控制系統(tǒng)仿真結果如圖8所示。初始狀態(tài),蒸汽過熱度較大,總給水流量需求值為58。根據(jù)圖4 開度分解切換控制框圖,其中小閥的調節(jié)量為0.392,大閥的調節(jié)量為57.608,大小閥同時進行調節(jié),系統(tǒng)在30 s 時過熱度達到穩(wěn)定狀態(tài)。在60 s 時加入擾動信號,需求流量變化幅度較小,處于緩慢增長的狀態(tài),此時流量偏差值小于閾值,小閥緩慢動作了0.5%的開度,直至在75 s 時給水偏差值達到大閥的調節(jié)范圍內,大閥較快補水,使流量偏差值再次小于閾值,重復之前的控制流程。由于調節(jié)過程太緩慢,系統(tǒng)在200 s 時才接近穩(wěn)定狀態(tài)。性能指標函數(shù)為易知控制效果較差。未加入擾動時,開度分解控制系統(tǒng)的調節(jié)能力與前2 種系統(tǒng)相差不大,但其抗干擾能力較差,加入擾動信號后需求流量值變化緩慢,給水小閥進行調節(jié),小閥精度上的優(yōu)勢未能彌補控制過程的緩慢,因此整體控制效果較差。
圖8 大小調節(jié)閥分程控制仿真結果圖Fig.8 The simulation result of split-range control based on feed valve switching
基于直流蒸汽發(fā)生器蒸汽過熱度模型,本文提出蒸汽過熱度的單變量控制系統(tǒng)架構。針對船用動力裝置直流蒸汽發(fā)生器“大-小”給水調節(jié)閥配置特點,提出基于分程控制的蒸汽過熱度切換控制方法。仿真結果表明,該控制方法在保證穩(wěn)定性的同時,小流量補水時開小閥進行精確跟蹤設定值,流量較大時用大閥進行快速調節(jié),保證了給水的快速性和準確性,滿足船用動力裝置要求[8]。