直流蒸汽發生器分區域比例積分微分給水控制系統研究

郭 研，劉志宏，陳保同，劉現星，劉翠英

（武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430064）

直流蒸汽發生器（OTSG）具有體積小、結構簡單、負荷跟蹤快、熱效率高等優點，國內外研究和應用廣泛。但由于OTSG熱容量小、受外界擾動影響大，工作穩定性不如自然循環蒸汽發生器，在負荷變動過程中，參數波動幅度較大［1，2］。因此，OTSG的運行對安全性和穩定性要求較高，需要OTSG的控制系統具有較好的動態性能［3］。

本文針對OTSG給水控制系統中給水調節閥開度和給水泵轉速對蒸汽壓力和調節閥前后壓差的相關性，提出一種分區域控制方法，將該方法引入到常規比例-積分-微分（PID）控制系統中，并結合三沖量控制方法，設計出三沖量分區域PID給水控制系統。

1 常規直流蒸汽發生器PID給水控制系統簡介

OTSG給水控制由給水泵和給水調節閥串聯組成。給水泵主要通過調節轉速來維持給水調節閥前后壓差為定值［4］，以保證給水調節閥的線性特性，再通過調節給水調節閥開度以改變管道阻力特性來調節給水流量，來達到對蒸汽出口壓力的控制。

給水調節閥控制和給水泵控制均采用常規PID控制［5］，控制原理如圖1所示。G（s）為被控物理過程的傳遞函數，D（s）為控制器傳遞函數，Gv（s）為執行器傳遞函數，Gm（s）為測量變送器傳遞函數。X（s）為系統輸入，Y（s）為系統輸出，u（s）為控制器輸出。

圖1 閉環控制系統原理框圖Fig.1 Schematic of closedloop control system

（1）給水調節閥控制：X（s）為蒸汽出口壓力期望值；Y（s）為蒸汽出口壓力實際值；u（s）為給水調節閥開度。

（2）給水泵控制：X（s）為給水調節閥前后壓差期望值；Y（s）為給水調節閥前后壓差實際值；u（s）為給水泵轉速。

常規PID控制系統通過比例環節、積分環節、微分環節對誤差信號進行處理并產生控制輸入量，進而對被控對象進行控制［6］。其控制規律為：

式中：Kp為比例系數；TI為積分時間參數；TD為微分時間常數；e（t）為誤差。

由于給水調節閥開度和給水泵轉速的變化均會對給水流量和給水調節閥前后壓差產生影響，耦合性很強。在實際運行過程中，兩種控制同時作用，給水泵控制要求能夠對給水調節閥前后壓差有一個很好的響應，將前后壓差控制在期望值附近，以保證給水調節閥的線性特性。但由于這種強耦合性的存在，系統在調節過程中，往往會產生震蕩，超調量大，穩定時間長，控制效果不理想。

2 分區域PID給水控制系統設計

研究OTSG給水控制系統的特性可以發現，給水調節閥開度與蒸汽出口壓力正相關，與給水調節閥前后壓差負相關；給水泵轉速與蒸汽出口壓力、給水調節閥前后壓差均為正相關。

本文基于給水控制系統這一特性，提出一種分區域控制方法，以蒸汽出口壓力和給水調節閥前后壓差兩個變量，繪制二維直角坐標圖，并根據這兩個變量的運行狀態以及給水調節閥和給水泵的運行特性劃分區域，在不同區域采用不同的控制方案。分區域控制方案如圖2所示，為便于分析比較，對數據進行歸一化處理，給水調節閥前后壓差和蒸汽出口壓力均以各自期望值作為基準值1。

圖2 分區域控制方案一Fig.2 Scheme 1of regional control

圖2中，坐標原點為（1，1），是以給水調節閥前后壓差和蒸汽出口壓力均為各自期望值狀態為中心的。在該坐標系中間位置灰色區域為控制死區，分別以給水調節閥前后壓差和蒸汽出口壓力在穩態時的運行范圍為依據進行劃分的，給水調節閥前后壓差的范圍是1±a，蒸汽出口壓力的范圍是1±b，a和b的值視各個系統和設備的情況而定。在控制死區內，給水調節閥和給水泵是不動的。在第一、三象限的非控制死區部分，分別為泵控區域一、三，只有給水泵參與控制，給水調節閥不動作；在第二、四象限的非控制死區部分，分別為閥控區域二、四，與之相反。

在常規給水控制系統中，假設系統狀態處在圖2中泵控區域一，給水調節閥開度減小，形阻系數增大，給水泵轉速減小，揚程減小，給水流量減小，蒸汽出口壓力減小，而給水調節閥前后壓差的變化取決于給水調節閥形阻系數增大和給水泵揚程減小的綜合效應。此時若蒸汽出口壓力先接近期望值，而給水調節閥前后壓差遠大于期望值，則給水泵轉速繼續減小，給水流量，蒸汽出口壓力會進一步下降，這樣就會造成系統的反復震蕩，不利于系統穩定。其他區域在控制過程中也會出現類似震蕩現象。

而在分區域控制方案一中，坐標系中任何位置，即給水調節閥前后壓差和蒸汽出口壓力處于任意狀態，給水控制系統只允許給水調節閥控制和給水泵控制其中之一投入。在泵控區域一，設定給水調節閥不動作，給水泵PID控制，轉速減小，揚程減小，給水流量減少，蒸汽出口壓力減小，給水調節閥前后壓差減小；泵控區域三正好相反。在閥控區域二，設定給水泵不動，給水調節閥PID控制，閥門開度增大，給水流量增加，蒸汽出口壓力增大，給水泵揚程減小，且由于給水調節閥處形阻系數變小，給水調節閥前后壓差減小；閥控區域四正好相反。這樣既達到對系統的控制要求，又避免了因給水調節閥和給水泵同時動作時的耦合性而引起的系統震蕩和超調，系統穩定性很好。

但是分區域控制方案一也存在一些問題。在實際控制過程中采用的是PID控制，系統在最終達到穩態的過程中肯定會和期望值有一定的誤差。在分區域控制方案一中會出現一種穩態情況，蒸汽出口壓力和給水調節閥前后壓差兩個變量有一個穩定在期望值附近，但另外一個不在其穩態時的運行范圍內，這就導致控制失敗。在泵控區域一和泵控區域三中接近橫坐標軸、閥控區域二和閥控區域四中接近縱坐標軸這四個位置是分區域控制方案一的不可控區域，系統狀態有可能會穩定在這四個位置時，導致控制失敗。

本文在分區域控制方案一的基礎上做了一些改進，不以坐標軸為區域劃分界線，而是以蒸汽出口壓力和給水調節閥前后壓差在穩態時運行范圍的上限和下限作為區域分界線的，形成分區域控制方案二，如圖3所示，這就避免了分區域控制方案一中存在不可控區域的問題。

圖3 分區域控制方案二Fig.3 Scheme 2 of regional control

但分區域控制方案二也存在一些問題。區域間的切換是以兩個參數運行范圍的上限和下限劃分的，由此產生的超調量較大。因此，本文將方案一和方案二進行了綜合，設定了四個雙控區域（兩種控制均存在），形成分區域控制方案三，如圖4所示。既消除方案一中的不可控區域，又避免方案二中控制區域劃分引起的超調量大問題，總體來說是比較理想的。

圖4 分區域控制方案三Fig.4 Scheme 3 of regional control

3 三沖量分區域PID給水控制系統

為提高控制系統的抗干擾能力，將主要擾動信號反饋到控制系統中［2，6］。對OTSG擾動最大的是一回路平均溫度、蒸汽流量和給水流量，因此，由這三種信號構成三沖量控制系統，通過比例環節饋入到分區域PID給水控制系統中，形成三沖量分區域PID給水控制系統，其原理如圖5所示。

圖5 三沖量分區域PID給水控制系統原理圖Fig.5 Principle of three-parameter regional PID feedwater control system

以升負荷（20%～50%）和降負荷（50%～20%）為例，進行了三沖量分區域PID給水控制系統仿真研究如圖5所示，并與常規PID給水控制系統進行了比較，計算結果如圖6和圖7所示。圖中點線所指“常規PID”為采用常規PID給水控制系統時的仿真曲線；破折線所指“分區域方案二”以及實線所指“分區域方案三”分別為采用三沖量控制系統和分區域控制方案二、方案三相結合的PID給水控制系統時的仿真曲線。為便于分析比較，圖中參數進行了歸一化處理。

圖6 升負荷（20%～50%）時控制仿真曲線Fig.6 Control simulation curve of load-rising（20%～50%）

圖7 降負荷（50%～20%）時控制仿真曲線Fig.7 Control simulation curve of load-descending（50%～20%）

由圖6和圖7可以看出，在負荷擾動情況下，與常規PID給水控制系統相比，采用三沖量分區域PID給水控制系統時，蒸汽出口壓力變化幅度相差不大，但變化較為平穩，超調量更小；給水調節閥前后壓差變化幅度變小，并很快進入正常運行范圍內，保證給水調節閥的線性特性，系統穩定時間短。與分區域方案二相比，采用分區域方案三的三沖量分區域PID給水控制系統的蒸汽出口壓力和給水調節閥前后壓差變化幅度和超調量較小，且穩定時間更短，控制效果更理想。

由此表明，改進后的分區域PID給水控制系統較常規PID給水控制系統的效果較好，且具有良好的動、靜態性能；采用分區域方案三的控制效果比分區域方案二的三沖量分區域PID給水控制系統更好。

4 結論

本文在OTSG給水控制系統特性研究的基礎上，提出一種分區域控制方法；同時考慮一回路平均溫度、OTSG給水流量和蒸汽流量的擾動，結合三沖量控制方法，最終構成三沖量分區域PID給水控制系統。對OTSG的控制仿真結果分析表明，三沖量分區域PID給水控制系統能夠滿足系統的控制要求，且參數變化較為平緩，超調量小，系統穩定時間短，控制效果理想。且三沖量分區域PID給水控制系統實現起來比智能控制系統更為簡單，對OTSG控制系統的工程應用具有一定的指導意義。

［1］ 付明玉，等.直流蒸汽發生器控制系統研究［J］.核科學與工程，2002，22（2）：108-112.

［2］ 孫建華，等.直流蒸汽發生器給水控制半實物仿真系統［J］.核動力工程，2008，29（1）：121-128.

［3］ 蘇杰，等.直流蒸汽發生器的廣義預測自校正控制仿真研究［J］.核科學與工程，2007，27（3）：224-229.

［4］ 邱志強，等.船用蒸汽發生器給水控制系統仿真試驗平臺的設計與實現［J］.艦船科學技術，2008，30（1）：136-140.

［5］ 張永生，等.船用冷凝器的真空與凝水過冷度控制系統研究［J］.艦船科學技術，2011，33（3）：62-64.

［6］ 張宇聲，等.基于模糊自適應參數整定的直流蒸汽發生器PID控制系統研究［J］.核動力工程，2008，29（4）：93-96.