船用冷凝器真空專家控制系統(tǒng)研究

龔　嫻，孫建華，鄒　海（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205）

船用冷凝器真空專家控制系統(tǒng)研究

龔嫻，孫建華，鄒海
（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205）

為緩解冷卻水溫度變化對真空控制系統(tǒng)的不利影響，根據(jù)船用冷凝器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立冷凝器的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計冷凝器真空的專家控制系統(tǒng)。利用 Simulink 對冷凝器真空控制系統(tǒng)進(jìn)行變負(fù)荷、變冷卻水溫度的仿真實(shí)驗。結(jié)果表明，冷凝器真空的專家控制系統(tǒng)能有效地維持冷凝器真空不變。這對冷凝器真空控制系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的參考意義。

冷凝器；真空；專家控制

0　引　言

冷凝器是汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)中的一個重要換熱設(shè)備，在汽輪機(jī)熱力循環(huán)中起著冷源的作用，降低汽輪機(jī)排汽壓力和排汽溫度，能提高循環(huán)的熱效率。維持冷凝器真空不變，是冷凝器運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要保證。文獻(xiàn)［1-6］根據(jù)冷凝器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立了冷凝器的數(shù)學(xué)模型。萬華慶等［7］通過大量現(xiàn)場試驗，尋找參數(shù)變化規(guī)律，仿照專家的人工操作經(jīng)驗，提出冷凝器真空仿人邏輯控制策略，并已經(jīng)應(yīng)用于某船用冷凝器真空控制系統(tǒng)。張偉［8］設(shè)計了基于規(guī)則的冷凝器壓力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)冷卻水泵和抽氣器來實(shí)現(xiàn)對壓力的控制。余天星［9］設(shè)計了基于單神經(jīng)元和模糊推理的冷凝器真空模糊自整定控制器，能有效控制冷凝器真空。船舶在海上航行，尤其是進(jìn)行遠(yuǎn)洋航行時，冷卻水（即海水）溫度變化明顯。以上文獻(xiàn)均沒有考慮冷卻水溫度變化對冷凝器真空控制系統(tǒng)的不利影響。

本文在冷凝器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗方法獲取專家知識，并設(shè)計冷凝器真空的專家控制系統(tǒng)。通過專家知識庫給出不同冷卻水溫度以及不同蒸汽流量下，所需要的抽氣器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度和冷卻水泵進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度，改變冷卻水流量和抽氣器抽氣量。從而實(shí)現(xiàn)對冷凝器真空的自動控制。

1　船用冷凝器數(shù)學(xué)模型

1.1假設(shè)條件

1）在殼側(cè)的蒸汽區(qū)，認(rèn)為是定壓凝結(jié)，在定壓的條件下凝結(jié)蒸汽溫度不變；

2）忽略管子蓄熱，視管壁溫度與蒸汽溫度相等；

3）由于蒸汽體積遠(yuǎn)大于熱井冷凝水體積，可視為蒸汽體積等于冷凝器體積且為定值；

4）不考慮冷凝器向環(huán)境散熱。

1.2冷凝器模型

1.2.1冷凝器殼側(cè)

1）蒸汽凝結(jié)過程

以蒸汽為研究對象，蒸汽的能量方程和質(zhì)量方程分別為：

式中：ms為蒸汽質(zhì)量，hs為飽和蒸汽焓值，qn為蒸汽凝結(jié)水量，hw為飽和水焓值，qc為抽汽量，hc為抽汽焓值，Q 冷卻水吸收的熱量，G1為主汽排汽量，G2為汽發(fā)排汽，G3為多余乏汽，h1為主汽排汽焓值，h2為汽發(fā)排汽焓值，h3為多余乏汽焓值，ρs為蒸汽密度，V為冷凝器汽空間體積。

冷卻水吸收的熱量 Q 的計算采用對數(shù)平均溫度，如式：

式中：ts為蒸汽溫度，tin為冷卻水進(jìn)口水溫，tou為冷卻水出口水溫，α 為傳熱系數(shù)，A 為換熱面積。

2）蒸汽和空氣分壓過程

由于冷凝器的壓力低、密度低，可以把冷凝器中蒸汽和空氣視為理想氣體并滿足道爾頓分壓定律：

式中：pk冷凝器內(nèi)蒸汽和空氣總壓；ps，Ms，ts，Rs分別為蒸汽的分壓力、質(zhì)量、溫度和氣體常數(shù)；pa，Ma，ta，Ra為空氣的相應(yīng)參數(shù)。

1.2.2冷凝器管側(cè)

由于忽略冷卻管壁蓄熱，金屬管壁吸熱量全部加熱冷卻水，使冷卻水溫升高，冷卻水吸熱動態(tài)方程如下：

式中：Cp為冷凝水比熱；D 為冷卻水流量；Mw為冷凝管內(nèi)冷卻水質(zhì)量。

2　專家控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證

利用 Simulink 平臺搭建仿真模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　冷凝器仿真模型結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　The simulation structure block of condenser model

利用該仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗，在不同的蒸汽流量和冷卻水入口溫度條件下，調(diào)節(jié)抽氣器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度和冷卻水泵進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度，維持冷凝器真空設(shè)定值。以此獲取冷凝器真空控制的專家知識，并建立專家知識庫。將專家知識用歸一化圖形表示，如圖2所示。利用二維插值即可得到任意蒸汽流量和冷卻水入口溫度條件下各調(diào)節(jié)閥的開度。

冷凝器真空專家控制系統(tǒng)的原理如圖3 所示?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)真空壓力設(shè)定值，冷卻水入口溫度，工況識別信息以及傳感器信息和專家知識進(jìn)行推理，給出不同的抽氣器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度和冷卻水泵進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度，并由執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。以此改變冷卻水流量和抽氣器抽氣量，使冷凝器真空維持不變。

為驗證所設(shè)計的冷凝器真空專家控制系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行變負(fù)荷和變冷卻水入口溫度的仿真實(shí)驗。歸一化實(shí)驗結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 是負(fù)荷從 20% 上升到 30% 的情況下，冷凝器主要運(yùn)行參數(shù)變化曲線。升工況時，排入冷凝器的蒸汽量增大，真空壓力增大，然后在控制器的作用下，冷卻水流量增大，真空又快速降為設(shè)定值。圖5 是 30%負(fù)荷情況下，冷卻水入口溫度從 20 ℃ 下降到14 ℃ 的情況下，冷凝器的主要運(yùn)行參數(shù)變化曲線。在工況不變的情況下，冷卻水溫度降低，冷卻能力增強(qiáng)。真空壓力短暫下降后，在控制器作用下又快速恢復(fù)到設(shè)定值。結(jié)果顯示無論改變冷凝器負(fù)荷，還是改變冷卻水入口溫度，冷凝器真空壓力都能得到有效控制。

圖2　真空控制專家知識圖形化表示Fig. 2　The graphical expert knowledge of vacuum control system

圖3　冷凝器真空控制原理圖Fig. 3　Diagram of the condenser vacuum control principle

圖4　變負(fù)荷仿真實(shí)驗結(jié)果Fig. 4　The simulation results of changing load

圖5　變冷卻水入口溫度仿真實(shí)驗結(jié)果Fig. 5　The simulation results of changing cooling water temperature

3　結(jié)　語

本文在冷凝器簡化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了冷凝器真空專家控制系統(tǒng)。為適應(yīng)復(fù)雜海況，將冷卻水溫度也作為專家控制系統(tǒng)的輸入。利用 Simulink 仿真平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，對升負(fù)荷工況和降冷卻水入口溫度工況進(jìn)行仿真計算。結(jié)果表明文中建立的冷凝器簡化數(shù)學(xué)模型正確，可將其用于冷凝器的仿真實(shí)驗。且所設(shè)計的專家控制系統(tǒng)能有效地維持冷凝器真空壓力不變。因此，冷凝器真空專家控制系統(tǒng)的設(shè)計對工程應(yīng)用具有重要的參考價值。

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Research on the expert control system of vacuum for the marine condenser

GONG Xian， SUN Jian-hua， ZOU Hai
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430205， China）

In order to relax the unfortunate effect which the variation of cooling water temperature plays on the system of condenser vacuum controla mathematic model of a marine condenser is presented according to its working principle and its structure features. An expert control system of condenser vacuum is designed. Simulink software is used for the simulation of the control system. In the simulation， the load of condenser and the temperature of cooling water changes separately. Result shows that the condenser vacuum is kept invariant by the expert control systemIt has referring significance for control system design of condenser vacuum

condenser；vacuum；expert Control

U664.5+2

A

1672-7619（2016）05-0101-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.022

2015-11-21；

2016-01-28

龔嫻（1990-），女，碩士研究生，研究方向為核動力裝置仿真與控制。