基于PID的船用汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)

張永生 馬運(yùn)義

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

基于PID的船用汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)

張永生 馬運(yùn)義

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

根據(jù)船用汽輪機(jī)的熱力學(xué)原理與汽輪機(jī)功率模型，設(shè)計(jì)一種基于常規(guī)PID的船用汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)，并運(yùn)用Matlab／Simulink仿真模塊對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，當(dāng)二回路負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，該控制系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，使汽輪機(jī)的功率能夠快速跟蹤發(fā)電機(jī)功率的變化，并維持汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速（頻率）不變。

汽輪機(jī)；功率；頻率；PID

1 引言

汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)普遍采用的控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)均進(jìn)行了大量研究。張楊偉等［1］建立了船用核汽輪機(jī)實(shí)時(shí)仿真的兩相流模型，對(duì)變化負(fù)荷工況下船用核汽輪機(jī)裝置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算。文獻(xiàn)［2］介紹了船用汽輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型，包括進(jìn)氣量、機(jī)械效率、功率以及轉(zhuǎn)速模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)速系統(tǒng)。Son［3］基于船用汽輪機(jī)推進(jìn)電力裝置MST 23，采用傳遞函數(shù)法研究了船用汽輪機(jī)推進(jìn)裝置的動(dòng)態(tài)特性。以上文獻(xiàn)均側(cè)重于汽輪機(jī)模型的研究。而蘇杰［4］等提出的將魯棒廣義預(yù)測(cè)自校正控制算法應(yīng)用于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，則可提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，對(duì)汽輪機(jī)模型的不確定性具有良好的適應(yīng)性和魯棒性。孫建華等［5］與Han等［6］將模糊控制和常規(guī)PID控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤和穩(wěn)定控制，但他們沒有同時(shí)考慮汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的耦合關(guān)系。文獻(xiàn)［7］應(yīng)用線性系統(tǒng)極點(diǎn)配置方法，提出了一種既能使汽輪機(jī)功率跟隨負(fù)荷變化，又可保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速按指令進(jìn)行控制的新方法。

本文基于常規(guī) PID控制，采用 Matlab／Simulink模塊實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)功率跟蹤發(fā)電機(jī)功率變化的同時(shí)，還能保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

2 汽輪機(jī)功率模型

質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

式中，ρs為蒸汽密度，kg／m3；Vt為汽輪機(jī)的汽腔體積，m3；Gin為汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，kg／s；Gout為汽輪機(jī)的出汽量，kg／s；us為蒸汽的內(nèi)能，J；J為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg／m3；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r／min；Nt為汽輪機(jī)功率，W；Ng為發(fā)電機(jī)功率，W。

進(jìn)汽量計(jì)算方程：

式中，k為阻力系數(shù)；V為閥門開度；Pin為汽輪機(jī)進(jìn)口壓力；Pout為汽輪機(jī)出口壓力。

效率計(jì)算方程：

理想膨脹做功按等熵過程求出［8］：

式中，S1為汽輪機(jī)進(jìn)口熵值，kJ／kg；S2為汽輪機(jī)出口熵值，kJ／kg；hin為汽輪機(jī)進(jìn)口焓值，kJ／kg；hout為汽輪機(jī)出口焓值，kJ／kg；houtS為汽輪機(jī)出口等熵焓降的焓值，kJ／kg。

3 汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成汽輪機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、停車，以及在一定工況下維持穩(wěn)定運(yùn)行。本文所研究的船用汽輪機(jī)只用于帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，無須倒車裝置，其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要功能是在不同工況下維持汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

汽輪機(jī)的功頻控制系統(tǒng)原理如圖1所示。轉(zhuǎn)速采樣器α1與功率采樣器α2將測(cè)得的信號(hào)與相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后將差值信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出的信號(hào)用于控制進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的開度，以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)功率與轉(zhuǎn)速（頻率）的調(diào)節(jié)。

圖1 汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of power and frequency control system for steam turbine

4 仿真結(jié)果分析

本文采用Matlab／Simulink模塊實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)，并與蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進(jìn)行了耦合計(jì)算［9］。為驗(yàn)證汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)的正確性，設(shè)計(jì)了以下工況變化：200 s之前為100%蒸汽負(fù)荷的穩(wěn)定狀態(tài)；在200 s時(shí)引入一個(gè)擾動(dòng)，即發(fā)電機(jī)功率階躍下降20%。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、功率以及蒸汽發(fā)生器各主要參數(shù)隨時(shí)間的變化如圖2和圖3所示。其中，縱坐標(biāo)為各參數(shù)的標(biāo)幺值，它是實(shí)際值與額定值的比值。

圖2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與功率隨時(shí)間的變化Fig.2 The transient response of speed and power of steam turbine

圖3 蒸汽發(fā)生器各參數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 The transient response of main parameters of steam generator

由圖2可看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率發(fā)生變化時(shí)，汽輪機(jī)的實(shí)發(fā)功率能夠很好地跟蹤發(fā)電機(jī)的功率變化，大約30 s便可達(dá)到功率設(shè)定值，表明了汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥控制的有效性。同時(shí)，由于進(jìn)汽量的改變必然會(huì)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，而功頻控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用又使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速能夠很快回到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量小于額定值的2%，因而能滿足船用汽輪機(jī)的控制指標(biāo)。

由圖3可看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率下降時(shí)，汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)是通過進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，減少汽輪機(jī)的進(jìn)汽量來實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)功率下降的。汽輪機(jī)的進(jìn)汽量約需30 s穩(wěn)定，這與圖2中汽輪機(jī)功率的穩(wěn)定時(shí)間是一致的，證明了所提出的汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)的有效性。同時(shí)，汽輪機(jī)進(jìn)汽量的減少會(huì)引起蒸汽發(fā)生器水位的波動(dòng)，但由于水位控制系統(tǒng)的作用，蒸汽發(fā)生器的水位波動(dòng)非常小，能很快回到設(shè)定值。另外，蒸汽產(chǎn)量的減少也會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器的飽和壓力以及溫度上升。

5 結(jié)語

通過建立船用汽輪機(jī)的本體數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于PID的船用汽輪機(jī)功頻控制系統(tǒng)，并采用Matlab／Simulink模塊對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算，與蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進(jìn)行了耦合計(jì)算。仿真結(jié)果表明，該功頻控制系統(tǒng)不但能使汽輪機(jī)的實(shí)發(fā)功率快速跟蹤發(fā)電機(jī)功率的變化，而且還能保證汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。

［1］張楊偉，蔡琦，于雷.船用核汽輪機(jī)裝置仿真研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（1）：40－43.

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［4］蘇杰，夏國(guó)清，張偉.汽輪機(jī)系統(tǒng)的魯棒預(yù)測(cè)控制仿真研究［J］.微計(jì)算機(jī)技術(shù)，2007（22）：4－6.

［5］孫建華，汪偉，余海燕.基于模糊－PID的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（1）：27－29，33.

［6］HAN G H，CHEN L H，SHAO J P，et al.Study of fuzzy PID controller for industrial steam turbine governing system ［C］//IEEE International Symposium on Communications and Information Technology （ISCIT），2005：1275－1279.

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［8］朱偉，蔣滋康，程芳真.汽輪機(jī)本體分段式通用模塊化建模與仿真［J］.熱能動(dòng)力工程，2000，15（3）：278－280，293.

［9］張永生，馬運(yùn)義，高偉，等.U型管蒸汽發(fā)生器的簡(jiǎn)化集總參數(shù)動(dòng)態(tài)模型［J］.中國(guó)艦船研究，2010，5（4）：52-55.

The Power-Frequency Governing System of Marine Steam Turbine Based on PID

Zhang Yong－sheng Ma Yun－yi
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

A power-frequency governing system of marine steam turbine based on PID was designed，according to the thermodynamics principle and the power model of the marine steam turbine.Matlab／Simulink was introduced to perform the simulation.The results show that the governing system responds quickly with the power change of generator.By regulating the steam flux into steam turbine，the system keeps the rotatary speed （frequency）relatively constant，while the steam load disturbs in the secondary circuit.

steam turbine；power；frequency；PID

U664.113

：A

：1673－3185（2011）04－89－03

2010-04-23

張永生（1982－），男，博士研究生。研究方向：動(dòng)力裝置的控制與仿真。E-mail：zhang－262519＠163.com

馬運(yùn)義（1942－），男，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向：常規(guī)潛艇總體性能和噪聲控制

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.019