超超臨界機(jī)組分離器水位模糊控制仿真研究

顏　帥，潘維加，吳天宇，阮　琦

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　410114)

?

超超臨界機(jī)組分離器水位模糊控制仿真研究

顏帥，潘維加，吳天宇，阮琦

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410114)

摘要：超超臨界機(jī)組汽水分離器在機(jī)組啟動(dòng)及高、低負(fù)荷下的運(yùn)行狀態(tài)不同，所起到的作用也不同;在汽水分離器濕態(tài)運(yùn)行模式下，分離器內(nèi)為汽水混合物，分離器起汽水分離作用，因此通過(guò)控制給水流量來(lái)控制分離器水位對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用;通過(guò)設(shè)計(jì)模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)汽水分離器的水位控制，并采用 MATLAB 仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出相關(guān)參數(shù)和運(yùn)行曲線;結(jié)果表明，采用模糊控制能夠有效的避免或削弱PID控制中超調(diào)的現(xiàn)象，且具有較強(qiáng)的魯棒性，有效地提高了控制品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組；汽水分離器；水位控制；模糊控制；MATLAB仿真

0引言

超超臨界機(jī)組系統(tǒng)中，汽水循環(huán)至關(guān)重要。循環(huán)水經(jīng)鍋爐水冷壁加熱，形成過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功發(fā)電。在超超臨界機(jī)組啟動(dòng)階段，由于汽水分離器的運(yùn)行狀態(tài)不同，導(dǎo)致在濕態(tài)模式和干態(tài)模式運(yùn)行及其切換時(shí)給水控制十分復(fù)雜。在啟動(dòng)和低負(fù)荷階段時(shí)，汽水分離器運(yùn)行在濕態(tài)模式，分離器起汽水分離作用，分離器中共同存在汽水混合物，因此維持分離器水位的穩(wěn)定對(duì)機(jī)組啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[1]介紹了某電廠超超臨界機(jī)組的給水控制系統(tǒng)，作者提出了采用串級(jí)PID控制并運(yùn)用狀態(tài)反饋控制改善給水控制系統(tǒng)的方法。文獻(xiàn)[2]提出了采用PI控制器及單獨(dú)的控制程序分別對(duì)鍋爐再循環(huán)水流量調(diào)節(jié)閥、WDC閥和鍋爐再循環(huán)泵暖管疏水排放來(lái)閥進(jìn)行控制汽水分離器水位的方法，未給出具體實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[3]提出了某電廠超超臨界機(jī)組采用360閥和361閥對(duì)分離器儲(chǔ)水罐水位進(jìn)行控制，分別給出了利用PI控制器調(diào)節(jié)兩個(gè)閥門(mén)開(kāi)度的控制方案，然而對(duì)兩個(gè)閥門(mén)之間的相互切換方法并未給出。上述研究揭示了超超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，以及汽水分離器水位調(diào)節(jié)閥各自的調(diào)節(jié)方案，基本都是利用了較為傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，在分離器濕態(tài)運(yùn)行下鍋爐負(fù)荷上升時(shí)分離器水位調(diào)節(jié)閥之間的切換均處于手動(dòng)操作，并未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

本文綜合考慮分離器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和擾動(dòng)因素的影響，利用分離器的水質(zhì)參數(shù)作為選擇工質(zhì)循環(huán)通道的依據(jù)并實(shí)現(xiàn)不同循環(huán)通道控制系統(tǒng)的切換，同時(shí)采用模糊控制器對(duì)不同循環(huán)通道下的分離器水位進(jìn)行控制并利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真研究。指出了該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，給出了控制器最佳的整定參數(shù)和運(yùn)行曲線，與傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的仿真曲線進(jìn)行比較，最終得出結(jié)論。

1超超臨界機(jī)組汽水分離器水位控制系統(tǒng)分析

本文以某火電廠超超臨界機(jī)組為研究對(duì)象，每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)50% BMCR(鍋爐最大連續(xù)出力)汽動(dòng)給水泵及其前置泵和1臺(tái)35% BMCR的電動(dòng)給水泵及其前置泵；水冷壁采用螺旋管圈；采用帶再循環(huán)泵式的內(nèi)置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)組配有2個(gè)汽水分離器，分開(kāi)布置，和1個(gè)儲(chǔ)水罐通過(guò)連接管連接。汽水分離器和儲(chǔ)水罐端部均采用錐形封頭結(jié)構(gòu)，分離器內(nèi)設(shè)置阻水裝置和消旋器。汽水分離器尺寸規(guī)格為Φ1060×120，總高度為4．7 m。分離器儲(chǔ)水罐尺寸規(guī)格為Φ1102×126，總高度為24 m。

圖1　超超臨界機(jī)組分離器工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

為回收工作介質(zhì)及能量，超超臨界機(jī)組配置了啟動(dòng)和低負(fù)荷階段的分離器工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。超超臨界機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)，汽水分離器水位控制通常分為3個(gè)階段：第一階段為從啟動(dòng)到15%負(fù)荷，水質(zhì)參數(shù)較低，需要大流量的供水，分離器水位由調(diào)節(jié)閥(V2-2)進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二階段為從15%到25%負(fù)荷，水質(zhì)參數(shù)有了提升，分離器水位由調(diào)節(jié)閥(V2-1)進(jìn)行調(diào)節(jié)；第三階段為從25%到29%負(fù)荷，爐內(nèi)水循環(huán)，水質(zhì)參數(shù)進(jìn)一步提升直到干態(tài)運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥(V1)控制循環(huán)水流量。

在第一第二階段，控制汽水分離器水位，濕態(tài)運(yùn)行下的汽水分離器與汽包鍋爐類(lèi)似，其數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為無(wú)自衡能力的雙容對(duì)象，是一個(gè)二階系統(tǒng)；在第三階段，汽水分離器水位不再需要控制，轉(zhuǎn)而控制循環(huán)水流量，被控對(duì)象為調(diào)節(jié)閥和流量管道，其傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)。該電廠對(duì)3個(gè)階段進(jìn)行單獨(dú)控制，分別采用傳統(tǒng)PID控制器調(diào)節(jié)3個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，通過(guò)操作員的觀察進(jìn)行人工切換循環(huán)通道。

本文利用分離器的水質(zhì)參數(shù)為依據(jù)，選擇不同的循環(huán)通道，分別對(duì)分離器水位進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)不同循環(huán)通道的自動(dòng)切換。汽輪機(jī)對(duì)過(guò)熱蒸汽的要求較高，鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行前必須要得到合格的蒸汽參數(shù)，因此在工質(zhì)進(jìn)入過(guò)熱系統(tǒng)前應(yīng)保持較好的品質(zhì)參數(shù)。分離器內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)主要為工質(zhì)的溫度T和壓力P，本文通過(guò)判斷工質(zhì)溫度和壓力及機(jī)組負(fù)荷是否達(dá)到切換標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)通道的自動(dòng)切換。

2超超臨界機(jī)組汽水分離器水位模糊控制設(shè)計(jì)方案

2.1汽水分離器水位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)組負(fù)荷F及汽水分離器內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)溫度T和壓力P作為判斷循環(huán)通道切換的標(biāo)準(zhǔn)，存在著兩個(gè)切換條件，設(shè)置為T(mén)1、T2和P1、P2，其中T1< T2，P1< P2。如圖1，本文只考慮鍋爐啟動(dòng)階段，隨著水質(zhì)參數(shù)逐漸上升：

1)當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于15%，T，P滿足T< T1且P< P1時(shí)，選擇回收至凝汽器循環(huán)通道，由調(diào)節(jié)閥(V2-2)控制分離器水位；

2)隨著機(jī)組負(fù)荷上升，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于等于15%且小于25%，T，P滿足T1≤ T≤ T2且P1≤ P ≤ P2時(shí)，切換到回收至除氧器循環(huán)通道，由調(diào)節(jié)閥(V2-1)控制分離器水位，并關(guān)閉調(diào)節(jié)閥(V2-2)；

3)隨著機(jī)組負(fù)荷進(jìn)一步上升，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于等于25%且小于29%，滿足T≥ T2且P≥ P2時(shí)，切換至再循環(huán)泵通道，由調(diào)節(jié)閥(V1)控制循環(huán)水流量，并關(guān)閉調(diào)節(jié)閥(V2-1)。

圖2　汽水分離器水位模糊控制方案原理圖

汽水分離器水位模糊控制系統(tǒng)原理如圖2所示，其中G1(s)、G2(s)、G3(s)分別為3個(gè)循環(huán)通道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)；F為機(jī)組負(fù)荷，F(xiàn)1=15%，F(xiàn)2=25%，T和P分別為汽水分離器工質(zhì)溫度和壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量值，在與切換條件進(jìn)行比較后選擇工質(zhì)循環(huán)通道。由于模糊控制器在本質(zhì)上為PD調(diào)節(jié)，不能消除誤差，因此為了達(dá)到抗擾目的，本文對(duì)模糊控制器并聯(lián)一個(gè)積分環(huán)節(jié)。Ke為誤差量化因子，Kec為誤差變化率量化因子，Ku為控制量量化因子，Ki為并聯(lián)積分環(huán)節(jié)的積分常數(shù)。

2.2模糊控制器設(shè)計(jì)

在單變量模糊控制器(SVFC)中，采用二維模糊控制器。

二維模糊控制器選擇汽水分離器的實(shí)際水位H與水位設(shè)定H0的偏差e = H0-H及其變化率ec作為輸入變量，把送入執(zhí)行器的控制信號(hào)u作為輸出變量。

偏差e及其變化率ec的基本論域?yàn)閇-0．2,0．2]。控制量u的基本論域?yàn)閇-0．2,0．2]。

為提高控制精度，在設(shè)計(jì)模糊子集時(shí)將e和ec均分為7個(gè)模糊集：負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)；將u也分為7個(gè)模糊集：負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。

在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，模糊控制器均選擇為 Mamdani型，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)。這種設(shè)計(jì)可以較好地掌握變量的變化趨勢(shì)，在適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置下達(dá)到合適的控制效果。

根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，建立模糊規(guī)則表：

表1　模糊規(guī)則表

模糊規(guī)則如表1 所示，為了獲得較為準(zhǔn)確的控制量，要求能夠很好地表達(dá)輸出隸屬度函數(shù)的計(jì)算結(jié)果，采用重心法進(jìn)行反模糊化。

3超超臨界機(jī)組汽水分離器水位控制仿真與比較

3.1汽水分離器水位模糊控制系統(tǒng)仿真

本文通過(guò)MATLAB仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)文獻(xiàn)[8]可以將3個(gè)工質(zhì)循環(huán)通道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)近似為：

(1)

(2)

(3)

其中：G1(s)和G2(s)為同一被控對(duì)象的變參數(shù)傳遞函數(shù)。

利用Simulink 構(gòu)建汽水分離器水位模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。在仿真過(guò)程中，F(xiàn)為機(jī)組負(fù)荷；T，P為汽水分離器工質(zhì)溫度和壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量值。在Simulink仿真過(guò)程中，采用直接給定F、T和P的值的方法，以便得出不同通道的控制結(jié)果。H0為分離器水位給定值，W0為流量給定值；△W1和△W2為給水?dāng)_動(dòng)，即內(nèi)擾。Switch1和Switcp為切換選擇開(kāi)關(guān)，通過(guò)邏輯判斷實(shí)現(xiàn)通道選擇：若邏輯輸入為1選擇下通道；否則選擇上通道。

3.2汽水分離器水位控制系統(tǒng)模糊控制與傳統(tǒng)PID控制比較

利用Simulink 構(gòu)建汽水分離器水位系統(tǒng)PID控制仿真模型，其仿真與圖3類(lèi)似，將圖3中的模糊控制器替換為PID控制器即可，其他參數(shù)不變。

圖3　汽水分離器水位模糊控制系統(tǒng)仿真圖

1)設(shè)置汽水分離器水位給定值H0= 0．2，循環(huán)水流量給定值W0 = 0．2；仿真時(shí)間為600 s。通過(guò)給定F、T和P 的值，并運(yùn)行仿真，可以得到如下結(jié)果：當(dāng)負(fù)荷F小于15%，給定的T和P滿足T < T1且P < P1時(shí)，切換器1 (Switch1)邏輯輸出為0，系統(tǒng)選擇G1(s)回路，由調(diào)節(jié)閥(V2-2)調(diào)節(jié)分離器水位，此時(shí)得到的仿真曲線如圖4(a) 所示；當(dāng)負(fù)荷F大于等于15%，小于25%，給定的T和P滿足T1≤ T≤ T2且P1≤ P ≤ P2時(shí)，切換器1 (Switch1)邏輯輸出為1，切換器2 (Switcp)邏輯輸出為0，系統(tǒng)選擇G2(s)回路，由調(diào)節(jié)閥(V2-1)調(diào)節(jié)分離器水位，此時(shí)得到的仿真曲線如圖4(b) 所示；當(dāng)負(fù)荷F大于25%，給定的T和P滿足T≥ T2且P ≥ P2時(shí)，切換器2 (Switcp)邏輯輸出為1，系統(tǒng)選擇G3(s)回路，由調(diào)節(jié)閥(V1)調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，此時(shí)得到的仿真曲線如圖4(c) 所示。圖中，實(shí)線為模糊控制曲線，虛線為PID控制曲線。此時(shí)，分離器水位PI控制器的最優(yōu)參數(shù)為Kp= 0.95，Ki= 0．001，模糊控制器的最優(yōu)參數(shù)為Ke= 2，Kec= 2，Ku= 0．4，并聯(lián)的積分最優(yōu)參數(shù)為Ki= 0．001；循環(huán)水流量PI控制器的最優(yōu)參數(shù)為Kp=1．2，Ki= 0．1，模糊控制器的最優(yōu)參數(shù)為Ke= 2，Kec= 2，Ku= 0．4，并聯(lián)的積分最優(yōu)參數(shù)為Ki= 0．05。

圖4　給定值為20%時(shí)的仿真曲線圖

從圖中可以看出：兩種控制系統(tǒng)的分離器水位超調(diào)量均低于20%，且模糊控制比PID控制超調(diào)略小。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間基本相同，圖4(a)中約為230 s，圖4(b)中約為200 s。循環(huán)水流量PID控制略有超調(diào)，模糊控制無(wú)超調(diào)，穩(wěn)定時(shí)間均約為100 s。由此可知模糊控制具有較好的抗超調(diào)能力。

2)設(shè)置分離器水位和循環(huán)水流量均加10%的給水?dāng)_動(dòng)，即△W1= △W2= 0．1；仿真時(shí)間為2000 s。運(yùn)行仿真，3個(gè)通道的內(nèi)擾響應(yīng)曲線如圖5所示。其中，為便于觀察，循環(huán)水流量的仿真時(shí)間改為300 s。

從圖中可以看出：加入10%的給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，PID控制與模糊控制系統(tǒng)均能夠恢復(fù)到0，且本文設(shè)計(jì)的模糊控制能夠較PID控制略快的恢復(fù)穩(wěn)定，具有較好的抗內(nèi)擾能力。其中，從圖4(c)中可以看出，系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)就能恢復(fù)穩(wěn)定，說(shuō)明無(wú)論是PID控制，還是本文設(shè)計(jì)模糊控制對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)都具有非常好的抗內(nèi)擾性能。

4結(jié)論

本文提出采用模糊控制器實(shí)現(xiàn)超超臨界機(jī)組汽水分離器水位控制，并利用機(jī)組負(fù)荷及汽水分離器水質(zhì)參數(shù)作為切換條件標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)3個(gè)工質(zhì)循環(huán)通道的切換，從而建立控制方案。仿真結(jié)果表明該方案能夠準(zhǔn)確的根據(jù)邏輯判斷有效地切換循環(huán)通道切換以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽水分離器水位的控制，相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗超調(diào)能力，且在抗內(nèi)擾過(guò)程中能夠較快的恢復(fù)穩(wěn)定，由此可知本設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的魯棒性和較高的控制品質(zhì)。

圖5　加10%給水?dāng)_動(dòng)的仿真曲線圖

參考文獻(xiàn)：

[1]韓忠旭,潘剛,邱忠昌,等. 直流爐機(jī)組給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué),2010,30(2):7-16.

[2]袁遠(yuǎn)望. 國(guó)產(chǎn)1000 MW超超臨界壓力直流鍋爐啟動(dòng)過(guò)程汽水分離器水位的控制[J]. 廣東電力,2009,22(8):65-67.

[3]吳延賓. 1000 MW超超臨界機(jī)組直流鍋爐水位控制[J]. 熱力發(fā)電,2007(7):52-55.

[4]楊冬,陳聽(tīng)寬,侯書(shū)海,等. 超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J]. 熱力發(fā)電,1999(1):14-17.

[5]張利勇,劉瀟. 1000 MW超超臨界機(jī)組給水全程控制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 浙江電力,2013(8):38-42.

[6]潘鳳萍,陳世和,張紅福,等.1000 MW超超臨界機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)電力,2009,42(10):15-18.

[7]陳華東,黃紅艷. 600 MW超臨界直流鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制方案[J]. 鍋爐技術(shù),2006,37(2):26-30.

[8]諶琳. 基于MATLAB的1000 MW超超臨界鍋爐建模與仿真[D].北京：華北電力大學(xué),2008.

[9]劉維. 超(超)臨界機(jī)組控制方法與應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社,2010.

[10]趙志丹,黨黎軍,劉超. 超(超)臨界機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行與控制[M].北京：中國(guó)電力出版社,2011.

[11]谷俊杰,李建強(qiáng),高大明,等. 熱工控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2011.

[12]劉金琨. 智能控制[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[13]陳夕松,汪木蘭. 過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,2011.

Simulation of Fuzzy Control for Water Level of Steam Separator in Ultra Supercritical Units

Yan Shuai,Pan Weijia,Wu Tianyu,Ruan Qi

(College of Electrical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha410114,China)

Abstract:The operating status of the steam separator of ultra supercritical units is different during unit start-up and high or low load; and the role of the steam separator is also different. In the steam separator wet operating mode, steam water mixtures co-exist with superheated steam in the separator. The separator plays the role in separating uperheated steam from the steam water mixtures. Thus, by controlling feedwater flow to control water level of the separator for stable operation of the unit plays an important role. In this paper, the fuzzy controller is designed to control the water level of the steam separator. And using MATLAB simulation software to control simulate the system, drawing relevant parameters and operating curve. The results show that the fuzzy control can effectively prevent or impair the overshoot of the PID controller, and has a strong robustness, this improved the quality of control effectively.

Keywords：ultra supercritical units; steam separator; water level control; fuzzy control; MATLAB simulation

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0071-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.019

中圖分類(lèi)號(hào)：TK323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：顏帥(1988-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事火電廠生產(chǎn)過(guò)程智能控制方向的研究。潘維加(1959-)，男，吉林省吉林市人，教授，主要從事熱工自動(dòng)化與火電廠過(guò)程控制方向的研究。

收稿日期：2015-08-07；修回日期：2015-09-07。