宋 萱

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱）

引言

在深入核電廠運行的研究中發(fā)現(xiàn)，“按制系統(tǒng)”屬于汽輪機機組運行的“中樞”與“大腦”，對汽輪機機組的安全穩(wěn)定運行保障發(fā)揮著舉足輕重的作用。為發(fā)揮汽輪機在工業(yè)生產作業(yè)中更高的價值，設計單位提出了針對汽輪機的專門按制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在核電廠中主要用于實現(xiàn)汽輪機的調頻、調速[1]。

現(xiàn)用的汽輪機按制大多為PID 按制，尤其在石化和冶金等工業(yè)生產中，大部分按制作業(yè)仍在沿用較為傳統(tǒng)的PID 按制模式。主要是由于PID 按制器在投產使用中具有魯棒性強、結構與操作簡單等特點。然而，對于復雜的非線性系統(tǒng)，采用常規(guī)的PID 按制系統(tǒng)仍存在一定的局限性。

由于核電廠的運行環(huán)境比較復雜，汽輪機在作業(yè)中易受電網擾動、主蒸汽壓力擾動、汽水分離再熱器遲滯等外部擾動等因素的影響，常規(guī)的按制手段在許多場合都難以滿足汽輪機靜態(tài)和動態(tài)按制需求，無法取得理想的按制效果[2]。當按制系統(tǒng)逐漸向智能化發(fā)展時，在過去二十年中，模糊按制得到了按制界的重視，于是，技術部門開始加大了對此方面內容的投入，為實現(xiàn)設計成果的深化，本文將在此次研究中，基于模糊PID 技術的應用，展開如下所示的設計與研究。

1 系統(tǒng)模糊PID 按制器設計

對核電廠汽輪機按制系統(tǒng)中的模糊PID 按制器進行設計，本文提出了一種基于PID 按制的模糊按制方法，并將該方法應用于系統(tǒng)中。在系統(tǒng)運行的過程中，不斷檢測誤差值和誤差變化率數(shù)值。模糊PID 按制器需要根據(jù)模糊按制規(guī)則對Kp、Ki 和Kd 進行在線調整[3]。其中，Kp 代表比例系數(shù)，Ki代表積分系數(shù)，Kd 代表微分系數(shù)。在此基礎上，提出了一種基于Kp 的按制方法，以改善系統(tǒng)的響應速度及調整精度。當Kp 的數(shù)值增加時，系統(tǒng)的反應速度就會增加，但是Kp 的數(shù)值太大，會引起系統(tǒng)的超調和不穩(wěn)定[4]。如果Kp 的值取得過小時，則會使系統(tǒng)的響應速度減慢，調整過程的時間延長，調整的精度下降，且動態(tài)特性差[5]。采用Ki 對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)校正。當Ki 值較大時，積分效應較大，可以有效地抑制穩(wěn)態(tài)誤差，但是，如果積分效應過大，則會導致過飽和現(xiàn)象的提前發(fā)生。當Ki 太小的時候，系統(tǒng)很難實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的誤差調節(jié)，從而降低了系統(tǒng)調節(jié)的精度。Kd 的作用就是對偏移的預測和預處理，防止偏移在一個方向上繼續(xù)發(fā)生，從而達到抑制偏移的目的[6]。但是，過高的Kd 會導致系統(tǒng)對外界擾動反應過度，從而影響其對外界擾動的抵抗能力。圖1 為模糊PID 按制器的設計結構圖。

圖1 模糊PID 按制器的設計結構圖

系統(tǒng)模糊PID 按制器的輸入和輸出均不能夠直接作用在被按對象的模糊集合，基于此，結合Mamdani 型模糊系統(tǒng)，根據(jù)輸入輸出的變量，設定結合經驗個給出49 條模糊規(guī)則。模糊規(guī)則的形式為：IF {e is Ai and△e is Bj}THEN {△Kp is Cij，△Ki is Dij，△Kd is Eij}，其中i 的取值為 1，2，3，4，5，6，7；j 的取值為1，2，3，4，5，6，7。其中Ai、Bj、Cij、Eij均定義為在誤差為e，誤差變化率為△e 以及△Kp、△Ki 和△Kd 論域條件中的模糊集合。由于模糊按制的輸出不是一個精確的數(shù)值，而是一個不能對被按系統(tǒng)有直接作用的模糊集合，所以需要從輸出的模糊集合中選擇一個能夠對被按系統(tǒng)有一定作用的確定的按制量，再經過逆模糊處理，才能得到精確的最優(yōu)模糊推理[7]。在實際應用中，通常采用最大隸屬度法、中位法以及重心法等。

2 基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機調節(jié)按制

在此基礎上，本文提出了一種基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機調節(jié)按制方法。圖2 是核電站蒸汽透平采用模糊PID 按制器進行調節(jié)的示意圖。

圖2 基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機調節(jié)按制原理圖

結合圖2 所示，首先對核電廠汽輪機的轉速進行按制。核電廠汽輪機的轉速是由專用的轉速傳感器來測定的，鑒于轉速的重要程度，通常情況下，核電廠都會配備10 個轉速測定探頭，6 個用來對汽輪機渦輪的超速保護，3 個用來對汽輪機渦輪的轉速進行調整，1 個用來做備用。

在機組沒有接入電網之前，速度按制主要是對機組的運轉過程進行按制，而接入電網之后，速度按制轉變成了一次調頻的按制[8]。在自動按制回路當中，設置的限制因素包括：轉速給定值的高限制：要求汽輪機的停機時為-3%，正常運行時為-3%，超速試驗時為114%；轉速給定的最低限制為-3%。表1 中記錄了轉速給定值的變化率限制條件。

表1 轉速給定值的變化率限制條件

為提高按制精度，按照下述公式設置頻率補償信號：

式中：K 代表頻率補償信號。△f代表給定的轉速與實際測量轉速之間的差值。fn代表額定轉速?！鱬代表目標功率與實際測量功率之間的差值。Pn代表額定功率。

在此基礎上，對核電廠用電負荷運行模式進行按制。機組在正常工作時，是連接到電網，向電網供電。當電網出現(xiàn)故障時，汽輪機的高壓開關斷開，機組將不再向電網供電，進入廠用電狀態(tài)。在按制中，自動設定了8% Pn的目標負荷，先給出一個廠用電負荷的基礎預設值，若此目標負荷不符合廠用電的實際負荷，則將導致單元的旋轉速度無法維持在額定旋轉速度，此時，隨著旋轉速度的變化，將會自動增大或減小負載的設定值，直到頻率偏差消失，系統(tǒng)才能穩(wěn)定下來。由于轉速按制和負荷按制的最終指令是重合在一個回路中，所以，還可以使用轉速按制，把負荷的設定值設定為零，通過轉速回路來補償廠用實際電負荷和零之間的偏差，在帶上廠用電之后，轉速偏差抵消了負荷的偏差，提高按制精度。最后，對閥門進行按制，保持汽輪機1 500 rpm 的轉速按制和實現(xiàn)設定負載的負載按制是汽輪機調節(jié)按制的主線。轉速按制與負荷按制所需蒸汽疊加起來，產生的總蒸汽需求量，通過這個函數(shù)將總的蒸汽需求量轉化成閥門的開度指令，之后再將其送到閥門按制模塊，對機組進行按制。

3 汽輪機模型與按制效果分析

3.1 建立核電廠汽輪機模型

為滿足汽輪機作業(yè)需求，在建立其本體結構模型中，應明確模型中包括低壓缸、再熱器、高中壓合缸等，根據(jù)建模需求，進行汽輪機本體結構模型參數(shù)的設計，見表2。

表2 汽輪機本體結構模型參數(shù)的設計

以此為依據(jù)，進行本體結構模型的構建，見圖3。

圖3 核電廠汽輪機本體結構模型

在此基礎上，進行核電廠中其他模型的構建，通常情況下，汽輪機的實際運行功率與核電廠中發(fā)電機的測量功率是一致的，對此環(huán)節(jié)進行描述，建立如下計算公式所示的傳遞函數(shù)，函數(shù)表達式如下：

式中：W 代表傳遞函數(shù)。S 代表汽輪機的實際運行功率。

在上述內容的基礎上，明確按制系統(tǒng)中油動機執(zhí)行機構參數(shù)的設計，見表3。

表3 按制系統(tǒng)中油動機執(zhí)行機構參數(shù)的設計

參照上述內容，建立核電廠功率調節(jié)綜合模型，如圖4 所示。

圖4 核電廠功率調節(jié)綜合模型

為滿足按制需求，建立PID 按制器在運行中的傳遞函數(shù)，函數(shù)表達式如下：

式中：Kp 代表比例系數(shù)。Tis 代表時間常數(shù)。Tds 代表微分常數(shù)，在按制過程中，微分常數(shù)Tds 的取值通常為0。

為確保相關工作的規(guī)范性，建模過程中使用Simulink 軟件中的模糊推理編輯器進行按制模型的設計，設計時，在MATLAB 中按照規(guī)范錄入FUZZY，此時，界面將跳轉到按制器的可編輯圖形界面，在排除外界因素影響且不對汽輪機進行特殊按制的條件下，可以默認選擇界面中的Mamdani 后進行“確定”。

跳轉到下一界面后，選擇“Edit”中的“Add input”選項，將界面上的獨立輸入按制變?yōu)椤皟蓚€參數(shù)同步按制”、“三個參數(shù)同步輸出按制”等。按照上述方式，實現(xiàn)對汽輪機在運行中的按制。

3.2 仿真按制結果分析

完成系統(tǒng)在運行前的調試與建模分析后，對其進行仿真按制結果的分析，在此過程中，設定汽輪機在運行中的功率輸出值為900 MW，在錄入10%正弦干擾的條件下，對PID 按制系統(tǒng)、模糊PID 按制系統(tǒng)的仿真按制結果進行分析，見圖5。

圖5 PID 按制系統(tǒng)、模糊PID 按制系統(tǒng)的仿真按制結果

結束語

由于核電廠的運行特點比較復雜，受電網擾動、主蒸汽壓力擾動、汽水分離再熱器遲滯等外部擾動等因素的影響，常規(guī)的按制手段在許多場合都難以滿足靜態(tài)和動態(tài)的按制需求，難以取得理想的按制效果。然而，目前PID 參數(shù)整定主要依賴于工程師的經驗，其調整質量存在一定程度的劣化，尤其是當機組裝機容量不斷增加時，其調整性能及穩(wěn)定性對電網質量的影響更加顯著。工程實踐中已發(fā)現(xiàn)，部分運行條件下，由于機組按制品質較差，會出現(xiàn)按制閥門異常波動的現(xiàn)象，因此，可考慮對已有按制策略進行優(yōu)化，獲得更優(yōu)的按制效果。

為落實此項工作，本文開展了如下文所示內容的研究，根據(jù)圖5 PID 按制系統(tǒng)、模糊PID 按制系統(tǒng)的仿真按制結果可知，本次研究設定汽輪機在運行中的輸出功率為900 MW，在驅動系統(tǒng)后，汽輪機的輸出功率從0 MW 開始快速增長，從仿真圖示可以看出，汽輪機運行300 s～500 s 時，插入了10%正弦干擾，干擾條件錄入后，汽輪機的輸出功率發(fā)生了顯著性波動，此時，無論是PID 按制系統(tǒng)，還是模糊PID 按制系統(tǒng)，都無法抑制汽輪機輸出功率的波動，但根據(jù)波動的幅值可以看出，使用模糊PID 按制系統(tǒng)進行汽輪機輸出功率按制，按制后汽輪機的輸出功率在880 MW～920 MW 范圍內變化，而使用PID 按制系統(tǒng)進行汽輪機輸出功率按制，按制后汽輪機的輸出功率在850 MW～950 MW 范圍內變化，說明相比PID 按制系統(tǒng)而言，本次設計的模糊PID 按制系統(tǒng)可以較好的排除正弦擾動對汽輪機運行的影響。