汽輪機(jī)給水全程控制系統(tǒng)仿真研究

蒸汽鍋爐的全過(guò)程控制系統(tǒng)是核電站的主要控制裝置之一。它的控制質(zhì)量直接影響到核電站的運(yùn)營(yíng)的效率和安全性。目前,多數(shù)電廠的汽包鍋爐給水全程控制系統(tǒng)在機(jī)組起動(dòng)和低負(fù)荷階段,自動(dòng)投入率較低,其原因之一是被控對(duì)象可控性較差,二是控制方案存在缺陷。本文根據(jù)文獻(xiàn)提出的控制方案,分別對(duì)汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、低負(fù)荷和高負(fù)荷各階段控制進(jìn)行了全面細(xì)致的仿真研究。1在汽箱中，地板被照亮的目標(biāo)1.1按水泵、汽動(dòng)泵的方式分300MW以上火電機(jī)組的給水系統(tǒng)(圖1)一般配置1臺(tái)電動(dòng)給水泵(電動(dòng)泵)和2臺(tái)汽動(dòng)給水泵(汽動(dòng)泵)。其中,電動(dòng)泵用于機(jī)組低負(fù)荷階段給水調(diào)節(jié),并作為汽動(dòng)泵的備用泵;汽動(dòng)泵用于機(jī)組高負(fù)荷階段的給水調(diào)節(jié)。在機(jī)組起動(dòng)階段由給水旁路調(diào)節(jié)閥控制汽包水位。1.2汽包水位的流變特性給水和蒸汽擾動(dòng)主要指汽包水位的內(nèi)擾和外擾。給水?dāng)_動(dòng)時(shí)汽包水位變化特性是由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)疊加而成,其傳遞函數(shù)為:H(s)W(s)=εs?ετ1+τs=εs(1+τs)(1)Η(s)W(s)=εs-ετ1+τs=εs(1+τs)(1)式中H——汽包水位相對(duì)變化量;W——給水流量相對(duì)變化量;s——拉普拉斯算子;ε——被控對(duì)象的飛升速度;τ——被控對(duì)象的容積遲延。蒸汽擾動(dòng)時(shí)汽包水位變化特性也是由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)疊加而成,其傳遞函數(shù)為:H(s)D(s)=K1+Ts?εs=(K?εT)s?εs(1+Ts)(2)Η(s)D(s)=Κ1+Τs-εs=(Κ-εΤ)s-εs(1+Τs)(2)式中D——蒸汽流量相對(duì)變化量;K——慣性環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù);T——慣性環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù);ε——積分環(huán)節(jié)的飛升速度。2飛機(jī)啟動(dòng)階段的模擬2.1伺服保護(hù)階段機(jī)組起動(dòng)階段(0～25%負(fù)荷)電動(dòng)泵維持固定轉(zhuǎn)速,由給水旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)汽包水位。調(diào)節(jié)器發(fā)出的給水調(diào)節(jié)信號(hào)與調(diào)節(jié)閥位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較后,送到執(zhí)行單元經(jīng)過(guò)伺服放大器放大后再送入伺服電機(jī),控制給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,進(jìn)行給水量調(diào)節(jié)控制,其仿真框圖見(jiàn)圖2。圖2中伺服放大器相當(dāng)于一個(gè)P調(diào)節(jié)器,此階段控制方案實(shí)際上是串級(jí)雙回路控制。按照常規(guī)的串級(jí)PID控制的參數(shù)整定方法進(jìn)行參數(shù)整定,得到的一組最佳參數(shù)為:PID調(diào)節(jié)器中P=15、I=0.1、D=120,伺服放大器中K=5。在此參數(shù)下,系統(tǒng)受到20%內(nèi)、外階躍擾動(dòng)時(shí)的控制曲線如圖3所示。2.2比例增益k的選取仿真試驗(yàn)表明,在PID參數(shù)保持不變的情況下,伺服放大器中比例增益K的取值范圍為1≤K≤18,超出此范圍則系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。圖4(a)和圖4(b)分別為K=0.1和K=19時(shí),給定值20%階躍擾動(dòng)下的控制曲線。3在低負(fù)荷模式下，設(shè)備的模擬3.1電動(dòng)泵控制方案設(shè)計(jì)機(jī)組低負(fù)荷階段(25%～40%負(fù)荷)主給水閥全開(kāi),通過(guò)改變電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)汽包水位。電動(dòng)泵通過(guò)液力偶合器與轉(zhuǎn)速固定的電動(dòng)機(jī)相連。電動(dòng)泵工作時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)勺管的位移控制進(jìn)入液力偶合器的充油量,對(duì)電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,其仿真框圖見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),低負(fù)荷階段的控制方案實(shí)際上是4回路控制。3.2pid3的參數(shù)設(shè)計(jì)在電動(dòng)泵控制系統(tǒng)有3個(gè)PID調(diào)節(jié)器可進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,使得參數(shù)整定較困難。經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn),得出了一種“先外后內(nèi)”的參數(shù)整定方法:首先將圖5中的虛線框部分作為一個(gè)比例環(huán)節(jié),按照串級(jí)PID控制的參數(shù)整定方法確定PID1和PID2的參數(shù),然后在已得到的參數(shù)基礎(chǔ)上整定出PID3的參數(shù)。用此方法得到的各調(diào)節(jié)器參數(shù)為:PID1中P=10、I=0.05、D=100;PID2中P=5、I=0、D=0;PID3中P=200、I=0、D=0。由該組參數(shù)仿真得到的內(nèi)、外擾動(dòng)控制曲線如圖6所示,其擾動(dòng)均為20%的階躍擾動(dòng)。3.3定范圍下的控制仿真試驗(yàn)表明,在PID1和PID2參數(shù)確定的情況下,電動(dòng)泵控制系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)器PID3的參數(shù)有一定范圍,超出此范圍就得不到理想的控制效果。在PID1和PID2的參數(shù)下,得到PID3的P的范圍為5≤P≤420。當(dāng)P<5時(shí),則調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);當(dāng)P>420時(shí),則控制曲線變得發(fā)散。圖7(a)和圖7(b)分別為P=0.5和P=422時(shí),給定值20%階躍擾動(dòng)下的控制曲線。4在高壓下的模擬階段4.1汽包水位的動(dòng)態(tài)仿真機(jī)組高負(fù)荷階段(40%～100%負(fù)荷)采用給水泵調(diào)節(jié)汽包水位,其泵由小型汽輪機(jī)帶動(dòng),通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)汽閥的開(kāi)度改變進(jìn)入汽輪機(jī)的汽量,進(jìn)行給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制,其仿真框圖見(jiàn)圖8。與低負(fù)荷階段控制方案相同,此階段也是4回路控制。4.2pid3的調(diào)整采用“先外后內(nèi)”的參數(shù)整定方法,在此參數(shù)基礎(chǔ)上,調(diào)整PID3中的參數(shù)。經(jīng)過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn),最終得到PID3的參數(shù)為:P=3,I=0,D=0。在此參數(shù)下,系統(tǒng)受到20%階躍擾動(dòng)時(shí)的控制曲線見(jiàn)圖9。4.3pid3的設(shè)置仿真試驗(yàn)表明,在PID1和PID2參數(shù)確定的情況下,汽動(dòng)泵控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)也有一定的范圍,PID3的參數(shù)P應(yīng)當(dāng)滿足如下條件:0.2≤P≤6.2。若參數(shù)值在此范圍之外,則控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,圖10(a)和圖10(b)分別為P=0.05和P=6.3時(shí)的仿真結(jié)果。5設(shè)備設(shè)置不當(dāng)通過(guò)對(duì)汽包鍋爐給水全過(guò)程控制系統(tǒng)各階段的仿真研究表明,在機(jī)組起動(dòng)、低負(fù)荷和高負(fù)荷階段,調(diào)節(jié)閥及給水泵控制系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)整個(gè)給水控制影響較大,若參數(shù)設(shè)置不當(dāng),將使給水系統(tǒng)無(wú)法投入自動(dòng)控制或控制效果不理想。所以,在給水控制系統(tǒng)投自動(dòng)時(shí)應(yīng)從整