季晨龍，黃雨瑤，李 良

(1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部, 北京 100071；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所, 湖北 武漢 430064)

0 引 言

直流蒸汽發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于船舶核動(dòng)力裝置，近年來得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)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(duì)蒸汽過熱度的有效控制，為保證船用動(dòng)力裝置運(yùn)行的高效性和安全性具有重大意義[1]。目前對(duì)于蒸汽過熱度控制的研究相對(duì)而言較少，Zhe 等[2]采用飽和輸出反饋耗散控制律調(diào)節(jié)氨流量進(jìn)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(diào)節(jié)開度作為輸出量控制蒸汽過熱度；苑源等[3]設(shè)計(jì)了蒸汽壓力和過熱度控制系統(tǒng)，通過控制主冷卻劑泵轉(zhuǎn)速控制蒸汽壓力，控制主給水泵轉(zhuǎn)速控制蒸汽過熱度[3]，仿真結(jié)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(zhuǎn)速。已有的方法因應(yīng)用的局限性和控制效果不足，均未滿足船用動(dòng)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(duì)提出的切換控制策略進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 蒸汽過熱度控制策略

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(duì)蒸汽過熱度模型的分析，蒸汽過熱度通過給水流量控制實(shí)現(xiàn)，給水流量通過給水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。但實(shí)際工程中給水泵轉(zhuǎn)速、蒸汽壓力等因素也很容易引起給水流量的波動(dòng)，故引入串級(jí)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(dāng)前蒸汽溫度、壓力，計(jì)算當(dāng)前蒸汽過熱度ΔT；2）根據(jù)蒸汽過熱度設(shè)定值，計(jì)算蒸汽過熱度偏差；3）根據(jù)過熱度偏差，計(jì)算給水流量需求值Q*w（控制器1 實(shí)現(xiàn)）；4）根據(jù)當(dāng)前給水流量測(cè)量值，以及給水閥流量特性，計(jì)算給水調(diào)節(jié)閥輸出開度（控制器2 實(shí)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

2 基于大-小給水調(diào)節(jié)閥切換的直流蒸汽發(fā)生器過熱度控制

如圖2 所示，船用核動(dòng)力裝置采用大-小給水調(diào)節(jié)閥并聯(lián)配置的方式保證直流蒸汽發(fā)生器的機(jī)動(dòng)性和精確性。對(duì)于大-小給水調(diào)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(gè)控制周期內(nèi)只有單臺(tái)閥動(dòng)作，后者則同時(shí)動(dòng)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

2.1 大-小給水調(diào)節(jié)閥分程切換策略

分程控制系統(tǒng)是指由1 個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出去帶動(dòng)2 個(gè)或2 個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥[5]。蒸汽過熱度控制系統(tǒng)中大小給水調(diào)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(gè)分程點(diǎn)m，在調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)達(dá)到分程點(diǎn)之前，小閥的開度隨控制器輸出信號(hào)的增大而增大，當(dāng)輸出信號(hào)達(dá)到分程點(diǎn)時(shí)，小閥同時(shí)達(dá)到滿量程并保持該狀態(tài)不變；輸出信號(hào)大于分程點(diǎn)時(shí)，大閥的開度隨控制器輸出的增加而增大直至達(dá)到滿量程。

圖3 分程控制示意圖-閥門同向動(dòng)作Fig.3 Schematic diagram of split control - valves act in the same direction

2.2 大-小給水調(diào)節(jié)閥開度分解切換策略

為了保證全工況給水的精確性和快速性，提出大-小給水調(diào)節(jié)閥開度分解切換策略，即在單個(gè)控制周期內(nèi)將2 種不同尺度的控制方式作用于同一控制對(duì)象。圖4 為其控制框圖，邏輯過程如下：根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)），需求值與當(dāng)前給水流量信號(hào)作偏差，將得到的偏差信號(hào)e分解為小尺度的偏差信號(hào)e1和大尺度的偏差信號(hào)e2（偏差分解模塊實(shí)現(xiàn)）。其中，小尺度的偏差信號(hào)e1送至給水調(diào)節(jié)小閥控制器，通過調(diào)節(jié)小閥開度消除該項(xiàng)偏差；大尺度偏差信號(hào)e2送至給水調(diào)節(jié)大閥控制器，通過調(diào)節(jié)大閥開度消除該項(xiàng)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(hào)分解方式為：

sign 為求符號(hào)運(yùn)算，mod 為求模運(yùn)算，m為信號(hào)分解的閾值，閾值根據(jù)具體閥門流量特性進(jìn)行選擇。

3 仿真驗(yàn)證

為了比較2 種切換控制策略的控制效果，采用工程算例進(jìn)行驗(yàn)證，控制器均選用PI 控制器。其中給水調(diào)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(guān)系如下：

式中：l為閥門開度；Q大和Q小為閥門開度為l時(shí)通過給水調(diào)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(píng)判控制系統(tǒng)的控制效果，引入性能指標(biāo)函數(shù)如下[7]：

該指標(biāo)包括了控制過程中的快速性和精確性指標(biāo)，適合本章的評(píng)判準(zhǔn)則。當(dāng)控制系統(tǒng)的指標(biāo)函數(shù)值越小，其控制效果越好。

3.1 給水調(diào)節(jié)大閥的控制系統(tǒng)仿真

首先考慮只用給水調(diào)節(jié)大閥調(diào)節(jié)給水流量的情況，設(shè)定過熱度的控制指標(biāo)為35，以式（7）為指標(biāo)函數(shù)對(duì)PI 控制器的控制參數(shù)進(jìn)行整定，則通過線性尋優(yōu)得到的結(jié)果如下：

根據(jù)控制參數(shù)，得到的控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。設(shè)定初始給水流量較小，過熱度值較大，此時(shí)給水閥快速補(bǔ)水出現(xiàn)了較大超調(diào)，在10 s 時(shí)基本穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定值。為了檢測(cè)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，在60 s時(shí)加入了擾動(dòng)信號(hào)，過熱度增大，控制器調(diào)節(jié)給水閥增大開度進(jìn)行補(bǔ)水，系統(tǒng)在155 s 時(shí)再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)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(dòng)，該波動(dòng)是由給水調(diào)節(jié)大閥的精度引起的。

圖5 單個(gè)給水閥的控制效果Fig.5 Control effect of single feed valve

3.2 大-小給水調(diào)節(jié)閥分程控制仿真

對(duì)于分程控制系統(tǒng)，最重要的是找到合適的分程點(diǎn)，使大小給水調(diào)節(jié)閥切換時(shí)整個(gè)流量管路的流量不引起突變，且盡量保持整個(gè)管路的流量特性曲線平滑[5]。由于本節(jié)選取的給水調(diào)節(jié)大小閥均為線性閥門，將大小閥并聯(lián)管路看成一個(gè)整體，則總管路的理想流量特性也為線性。根據(jù)給水調(diào)節(jié)閥開度與流量的關(guān)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(gè)閥門最大流量相加，最小流量為2 個(gè)閥門最小可調(diào)節(jié)流量相加。故邊界條件為：當(dāng)I=0 時(shí)，Q理,0=Q小,0+Q大,0=10，當(dāng)I=1 時(shí)，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(dāng)分程點(diǎn)為m時(shí)，實(shí)際并聯(lián)管路的總流量為[5]：

選取不同的分程點(diǎn)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(jìn)行線性尋優(yōu)得到的最優(yōu)分程點(diǎn)為m=20%。圖6 為選擇不同分程點(diǎn)時(shí)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(dāng)選擇20%為分程點(diǎn)時(shí)，期望曲線與實(shí)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(diǎn)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(shí)的模型建立仿真模型，并以需求開度信號(hào)m=20%為切換信號(hào)。根據(jù)線性尋優(yōu)的方法，使性能指標(biāo)函數(shù)最小時(shí)，得到的控制系統(tǒng)參數(shù)值為：

圖7 為大小給水調(diào)節(jié)閥分程控制的仿真結(jié)果。初始狀態(tài)，過熱度較高，大小閥很快達(dá)到滿量程，導(dǎo)致過熱度快速降低，并低于設(shè)定值，在一段時(shí)間的超調(diào)后，閥門開度減少，小閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，過熱度在40 s時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值并保持穩(wěn)定。在60 s 時(shí)加入了同樣的階躍擾動(dòng)信號(hào)，小閥達(dá)到滿量程，大閥增加開度進(jìn)行補(bǔ)水，系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間為20 s。且經(jīng)仿真，JITAE(2)=2.6336E+04，比單個(gè)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的控制效果好。分程控制系統(tǒng)在進(jìn)行大量快速補(bǔ)水時(shí)調(diào)節(jié)大閥開度，少量精確補(bǔ)水時(shí)調(diào)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(jìn)行調(diào)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(dòng)，使系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，且控制系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，抗干擾能力也較強(qiáng)，能快速保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.3 大-小給水調(diào)節(jié)閥開度分解切換控制仿真

同樣以性能函數(shù)為指標(biāo)，通過線性尋優(yōu)的方法得到偏差分解模塊中信號(hào)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(duì)該控制策略進(jìn)行仿真，控制系統(tǒng)仿真結(jié)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(diào)節(jié)量為0.392，大閥的調(diào)節(jié)量為57.608，大小閥同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)在30 s 時(shí)過熱度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在60 s 時(shí)加入擾動(dòng)信號(hào)，需求流量變化幅度較小，處于緩慢增長(zhǎng)的狀態(tài)，此時(shí)流量偏差值小于閾值，小閥緩慢動(dòng)作了0.5%的開度，直至在75 s 時(shí)給水偏差值達(dá)到大閥的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，大閥較快補(bǔ)水，使流量偏差值再次小于閾值，重復(fù)之前的控制流程。由于調(diào)節(jié)過程太緩慢，系統(tǒng)在200 s 時(shí)才接近穩(wěn)定狀態(tài)。性能指標(biāo)函數(shù)為易知控制效果較差。未加入擾動(dòng)時(shí)，開度分解控制系統(tǒng)的調(diào)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(dòng)信號(hào)后需求流量值變化緩慢，給水小閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，小閥精度上的優(yōu)勢(shì)未能彌補(bǔ)控制過程的緩慢，因此整體控制效果較差。

圖8 大小調(diào)節(jié)閥分程控制仿真結(jié)果圖Fig.8 The simulation result of split-range control based on feed valve switching

4 結(jié) 語

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(gòu)。針對(duì)船用動(dòng)力裝置直流蒸汽發(fā)生器“大-小”給水調(diào)節(jié)閥配置特點(diǎn)，提出基于分程控制的蒸汽過熱度切換控制方法。仿真結(jié)果表明，該控制方法在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，小流量補(bǔ)水時(shí)開小閥進(jìn)行精確跟蹤設(shè)定值，流量較大時(shí)用大閥進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，保證了給水的快速性和準(zhǔn)確性，滿足船用動(dòng)力裝置要求[8]。