冷凝器真空壓力模糊PI控制系統

羅 馬，孫建華，汪 偉

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

冷凝器真空壓力模糊PI控制系統

羅 馬，孫建華，汪 偉

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

分析冷凝器真空形成的原因以及影響真空穩定的因素，通過模糊PI的方法設計出冷凝器在不同工況下的真空壓力控制器。通過仿真表明，模糊PI控制器較之常規PI控制器，對于冷凝器真空壓力的控制性能更好。

冷凝器;壓力;模糊PI

0 引言

冷凝器是汽輪機熱力系統中的一個重要換熱設備，在汽輪機裝置熱力循環中起著冷源的作用，用于降低汽輪機排汽壓力和排汽溫度，從而提高循環的熱效率，其工作性能的好壞直接影響到整個船舶動力裝置的安全、穩定和經濟運行［1］。

冷凝器真空壓力是汽輪機運行中的重要參數，真空的形成是由于汽輪機的排汽被凝結成水，蒸汽比容降低且體積大為縮小，使冷凝器汽側形成高度真空，它是汽水系統完成循環的必要條件。如果冷凝器真空過低，不僅會引起蒸汽在機組中的有效焓降減小，還會導致汽輪機排汽溫度升高，排汽缸變形和振動等故障。

在工作中，冷凝器真空度的下降會影響機組運行的安全性、穩定性、可靠性和經濟性，因而有效控制并維持一定的冷凝器真空壓力是非常必要的［2－3］。

1 冷凝器真空產生機理

在冷凝器運行過程中，需要通入大量的冷卻水來對排汽進行冷凝。蒸汽在凝汽器內受循環水冷卻凝結，比容降低，體積縮小，原來被蒸汽充滿的空間壓力降低而形成一定的真空，從而可以維持一定的真空度。另外，由于設備氣密性的原因，冷凝器中會不斷漏入空氣，而很小的空氣含量就會明顯地影響到蒸汽與冷卻水管之間的傳熱效率，從而導致冷凝器內真空壓力的失衡。當空氣不能被有效抽出而在冷凝器內大量積聚時，其本身的分壓也直接導致冷凝器內壓力的升高，凝汽器壓力不能再視為蒸汽凝結溫度所對應的飽和壓力，空氣的分壓將不能被忽略［4］。

因此，在冷凝器運行中，冷卻水量和空氣含量是維持冷凝器真空壓力的重要因素，同時冷凝器內壓力的失衡也會導致冷凝器凝結水過冷度的增加，因此維持冷凝器內真空壓力的平衡穩定是很重要的。

2 控制方案設計

2.1 控制策略

在船舶航行過程中，冷凝器所需的冷卻水量隨著船舶推進功率的變化而不斷變化。為滿足在不同功率工況下的冷卻水需求量，需通過控制器來調節循環水泵吸入的海水量來實現。

2.2 模糊PI控制方法

對于以上所提到的不同功率工況，均通過循環水泵來調節和維持冷凝器的真空壓力。在不同工況下，均采用模糊自適應PI控制方法來進行真空壓力的控制。

此方法的工作原理如圖1所示［5－6］。

圖1 模糊PI控制器原理框圖Fig.1 Principium of fuzzy PI controller

模糊自適應PI控制器以真空壓力誤差e和誤差變化ec作為輸入，在不斷檢測e和ec的過程中，根據模糊控制原理對控制參數進行修改，以滿足不同時刻的e和ec對PI控制參數的不同要求，從而使被控對象具有良好的動靜態性能。

2.3 模糊PI控制器設計

在模糊推理系統中，誤差e和誤差變化率ec為輸入量，選取誤差e和誤差變化率ec的論域范圍均為［－6，6］，語言變量集為 {NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別表示 “負大”、 “負中”、 “負小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。同時設定e和ec的隸屬函數為高斯型隸屬度函數，模糊推理系統的輸出則為Kp，Ki的增量ΔKp和ΔKi，其論域和語言變量集與誤差e和誤差變化率ec一致，并設置其隸屬函數為三角形隸屬度函數。

根據Kp和Ki在控制系統中的不同作用及其相互關系，并結合工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立如表1和表2所示的模糊規則表。

然后通過計算誤差e和誤差變化率ec的實時值，利用模糊規則進行模糊推理得出修正參數ΔKp和ΔKi代入到下式:其中:Kp0和Ki0為比例系數Kp和積分系數Ki的初始值。將修正后的Kp和Ki代入到PI控制器中進行控制，此過程不斷重復。

表1 Kp模糊規則表Tab.1 Fuzzy rules of Kp

表2 Ki模糊規則表Tab.2 Fuzzy rules of Ki

3 仿真實驗結果

在某已有的冷凝器模型上進行仿真，冷凝器真空壓力的初始值為25 kPa，要求冷凝器的真空壓力控制在34 kPa。當船舶分別以最大功率和10%功率推進時，2種工況都分別通過模糊PI控制器和常規PI控制器來調節循環水泵，以達到真空壓力的控制要求，仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 最大功率推進時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.2 Change of condenser pressure in maximal power

圖3 10%功率推進時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.3 Change of condenser pressure in 10%power

當推進功率在10%功率和最大功率之間互相轉換時，也分別用常規PI控制器和模糊PI控制器對冷凝器真空壓力進行控制，仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 由10%功率向最大功率切換時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.4 Change of condenser pressure from 10%power tomaximal power

圖5 由最大功率向10%功率切換時，冷凝器真空壓力控制曲線Fig.5 Change of condenser pressure from maximal power to 10%power

從以上仿真實驗結果可以看出，無論冷凝器是在高功率還是低功率工況運行時，模糊PI控制器較之常規PI控制器，都明顯縮小了真空壓力控制曲線的超調量以及調節時間，上升時間大致相當;同時，當推進功率在高低工況之間互相切換時，模糊PI控制器相對于常規PI控制器，背壓的過渡過程更加平穩，控制性能更好，從而可更好地滿足大范圍功率水平控制要求。

4 結語

通過以上對冷凝器真空壓力控制系統的研究，可以發現設計的模糊PI控制器在冷凝器運行的不同工況下，對其真空壓力的控制效果要優于常規PI控制器，適應性更好。因此，運用該模糊PI控制方法改善了冷凝器的工作性能，從而可以提高整個機組的工作效率。

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ZHOU Lan-xin，FUWen-feng，BAIZhong-hua，LIFu-yun.The influence of insufficientoutputof air extractor upon condenser vacuum［J］.Turbine Technology，2008，50(1）:46 －48.

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LI Shi-yong.Fuzzy control［M］.Harbin:Harbin Institute of Technology Press，2011.

Research on condenser pressure control system based on fuzzy PI control

LUO Ma，SUN Jian-hua，WANGWei
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper analyses the occurring reasons of condenser pressure and the factor that affect it，it designs the condenser pressure control systems in different situations by themethod of fuzzy PI.Through the simulation，it shows that fuzzy PI controller has a better performance on condenser pressure control than traditional PI controller.

condenser;pressure;fuzzy PI

U664.113;TK264.1+1

A

1672－7649(2013）03－0061－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.013

2012－11－15;

2013－01－11

羅馬(1990－），男，碩士研究生，研究方向為核能科學與工程。