基于GSE平臺的蒸汽試驗系統(tǒng)邊界的動態(tài)控制仿真

苑龍飛，宋楊，趙觀輝，吳毅，黃杰，黃威霖

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2中國船舶重工集團有限公司，北京100097

0 引 言

為了提高蒸汽試驗系統(tǒng)的安全性與經濟性，必須開展準確、實時的仿真研究，其中GSE仿真軟件針對兩相流系統(tǒng)的仿真精度很高，不但可以進行動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和連續(xù)過程仿真，還可以準確模擬試驗系統(tǒng)的局部參數(shù)，是目前國內外核電領域廣泛應用的仿真開發(fā)平臺之一?；贕SE仿真平臺，鄭建濤［1］建立了燃氣輪機系統(tǒng)的主要設備模型，研究了系統(tǒng)的動態(tài)特性；薛朝囡等［2］建立了某600 MW超臨界鍋爐對流受熱面模型，研究了鍋爐熱力系統(tǒng)的變工況特性；方桐毅等［3］建立了渦輪增壓機組的仿真模型，研究了主鍋爐裝置總體布局導致的進排氣管長度變化對機組功率平衡特性的影響。

臺架試驗是蒸汽系統(tǒng)設計驗證與研究的重要手段，而對于臺架試驗系統(tǒng)的特性分析而言，能否準確模擬邊界條件是至關重要的影響因素［4］。在研究動態(tài)特性時，對于某些特殊工況，上游邊界會提出流量線性變化的控制要求，而在工程中則往往難以實現(xiàn)。目前，有關蒸汽流量邊界動態(tài)控制方面的研究成果并不多，吳淏等［5］建立了蒸汽供應系統(tǒng)模型，并采用開環(huán)控制、閉環(huán)控制等手段研究了3條支路供應蒸汽的流量控制方案，但其研究成果并不適用于線性變化的流量邊界（尤其在多支路耦合的工況下）。張小亮等［6］提出了一種智能算法——模糊自適應PID智能溫度控制算法，具有很高的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)特性，該方法主要適用于溫度控制。沈永鳳［7］針對利用膨脹系數(shù)法修正JTopmeret計算閥門阻塞流問題方面的不足，開展了蒸汽系統(tǒng)調節(jié)閥選型設計與仿真研究，顯著提高了調節(jié)閥的仿真模型精度。

綜上所述，目前國內尚未開展蒸汽流量邊界動態(tài)控制方面的仿真研究，因此本文將利用GSE軟件平臺搭建臺架試驗系統(tǒng)的圖形化仿真模型，開展流量邊界的線性變化控制仿真研究。在此基礎上，針對2種流量控制方案進行仿真對比分析和試驗驗證，最終形成一種可行的動態(tài)流量邊界控制方法，用以為蒸汽系統(tǒng)的臺架試驗系統(tǒng)提供技術支撐。

1 蒸汽系統(tǒng)的臺架試驗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

本文的研究對象是某蒸汽系統(tǒng)的臺架試驗系統(tǒng)，其組成如圖1所示，主要由蒸汽供應部分、試驗系統(tǒng)的邊界模擬部分和試驗對象3個部分組成。蒸汽鍋爐產生的高壓過熱蒸汽經減溫裝置和減壓裝置后，即可成為滿足試驗要求的微過熱蒸汽，其參數(shù)如表1所示。4臺高壓儲汽罐作為試驗系統(tǒng)的上游邊界，負責入口蒸汽的參數(shù)控制，而蒸汽的流量控制則由1～4號調節(jié)閥來完成。試驗對象即為蒸汽終端用戶，由于不是本文的主要研究內容，故在此不詳細介紹。

圖1 蒸汽系統(tǒng)試驗臺架系統(tǒng)的組成Fig.1 Structures of bench test system of steam system

表1 蒸汽參數(shù)Table 1 The parameters of steam

1.2 試驗控制要求

假定圖1中臺架試驗系統(tǒng)的某一動態(tài)工況為：當觸發(fā)信號給定后，系統(tǒng)下游某支路緊急關閉，蒸汽鍋爐維持原有狀態(tài)；減壓裝置閥位的開度維持不變，而1～4號調節(jié)閥開始動作，從而完成系統(tǒng)上游的流量控制。

該工況下，系統(tǒng)上游的流量變化要求如圖2所示，即在下游支路關閉后10 s內，系統(tǒng)上游4條支路的流量需要以近似線性的趨勢減少約20 t/h。為了實現(xiàn)這一目標，需要合理控制1～4號調節(jié)閥的開度。下文將針對調節(jié)閥的控制方案展開研究。

圖2 流量邊界的變化曲線Fig.2 The variation curve of flow boundary

2 仿真模型

2.1 模型的建立

基于JTopmeret軟件建立的蒸汽系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。其中鍋爐模型在保證出口蒸汽參數(shù)與臺架試驗系統(tǒng)一致的前提下做了簡化處理，且仿真模型管路的測點布置與臺架試驗系統(tǒng)保持一致。為了使仿真模型能夠在特定工況下準確模擬臺架試驗所關注的參數(shù)變化情況，本文結合試驗系統(tǒng)的熱態(tài)調試數(shù)據(jù)對仿真模型進行了系統(tǒng)聯(lián)調和修正，具體修正內容如下：

1）模型中管路的容積、阻力等參數(shù)與臺架試驗系統(tǒng)保持一致，并按照試驗數(shù)據(jù)進一步修正仿真模型管路的阻力特性。

2）編寫調節(jié)閥的修正程序，并利用膨脹系數(shù)法修正JTopmeret軟件在計算閥門阻塞流問題方面的不足［7］。此外，閥門的動作時間、流體特性參數(shù)均按照試驗系統(tǒng)的熱態(tài)調試數(shù)據(jù)進行修正，用以保證調節(jié)閥的仿真模型能夠真實地模擬臺架試驗系統(tǒng)的閥門運行特性。

3）仿真模型的控制邏輯與控制參數(shù)均與臺架試驗系統(tǒng)的PLC和DCS參數(shù)保持一致，包括PID參數(shù)、閥門動作時間等參數(shù)。

圖3 臺架試驗系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of bench test system

2.2 模型的驗證

鑒于蒸汽系統(tǒng)臺架試驗系統(tǒng)中4條上游支路的流量和4個調節(jié)閥的特性基本一致，為了簡化分析，本文僅選取1號調節(jié)閥來進行仿真數(shù)據(jù)（修正后的仿真模型）與臺架試驗數(shù)據(jù)對比。針對2種穩(wěn)態(tài)試驗工況，邊界上游的壓力與流量參數(shù)如表2所示，其中測點1～4為4個儲汽罐的壓力，測點5～8為4個儲汽罐出口處支路的流量。

由表2可知，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的吻合度較高，壓力偏差值在0.5%以內，流量偏差值在2%以內，從而驗證了本文仿真模型的準確性與有效性。需要說明的是，本文的試驗數(shù)據(jù)均由測量儀表提供，而儀表可能存在誤差，其中蒸汽流量的測量誤差一般較大，不過本文的仿真模型并沒有考慮這個影響因素。

表2 仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of simulation data and test data

3 流量邊界控制

3.1 流量控制方案

基于臺架試驗系統(tǒng)的總體配置、控制要求和測點布置，本文將采用開環(huán)控制和PID閉環(huán)控制［8-9］這2種控制邏輯方案（圖4）。

圖4 流量邊界的控制方案Fig.4 Control schemes of flow boundary

開環(huán)控制方案如圖4（a）所示。將調節(jié)閥的開度變化曲線預先輸入到PLC中，當給定試驗信號后，即由PLC直接控制調節(jié)閥動作，從而實現(xiàn)流量變化的控制。該方案的控制邏輯很簡單，無需整定控制參數(shù)，但其能否實現(xiàn)流量的精準控制取決于預先輸入的調節(jié)閥開度曲線，因此這種控制方案往往需要進行多次迭代，如圖5所示。

圖5 開環(huán)控制方案的流程框圖Fig.5 Flow diagram of the open-loop control scheme

PID閉環(huán)控制方案如圖4（b）所示。首先，需要設定流量的控制目標值，然后，系統(tǒng)實時監(jiān)測該支路調節(jié)閥之后的流量，并通過PID調整調節(jié)閥的開度，從而實現(xiàn)調節(jié)閥的控制。傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制對于恒定系統(tǒng)的邊界控制效果較好，然而對于時變、耦合、不確定的復雜系統(tǒng)而言，可能無法達到預期的控制效果［10］。

3.2 流量邊界控制的仿真分析

鑒于蒸汽系統(tǒng)臺架試驗系統(tǒng)中4條上游支路的流量和4個調節(jié)閥的特性基本一致，為了簡化分析，本文仍將選取1號調節(jié)閥作為研究對象，而系統(tǒng)流量則采用系統(tǒng)上游入口處的總流量值。

3.2.1 PID閉環(huán)控制

PID閉環(huán)控制方案的仿真結果如圖6所示，其中理想值即為流量邊界的線性變化曲線（圖2）。本文設置了2個目標值：一個是恒定目標值，即將控制目標值設為流量最終值（恒定為34 t/h）；另一個是變化目標值，即將控制目標值設定為變化值（在54～34 t/h范圍內呈線性變化趨勢）

圖6 流量邊界的變化曲線對比Fig.6 Comparison of variation curves for flow boundary under PID control scheme

由圖6可知：與恒定目標值方案相比，變化目標值方案的線性度更優(yōu)，但其在20 s內的流量變化值并未達到控制要求。恒定目標值方案的流量變化呈先陡后緩的趨勢，更加難以滿足控制要求。導致PID閉環(huán)控制效果不佳的原因主要是：在動態(tài)切換工況的過程中，入口流量受上游和下游支路的影響很大，如果采用傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制來調節(jié)入口流量，會出現(xiàn)閉環(huán)控制時間響應不及時、調制效果滯后等問題。因此，傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制并不適用于流量動態(tài)變化的系統(tǒng)。

3.2.2 開環(huán)控制

開環(huán)控制仿真中，調節(jié)閥的開度變化曲線和系統(tǒng)流量變化曲線的迭代過程分別如圖7和圖8所示。

圖7中調節(jié)閥開度的變化過程為：在初始時刻（第0 s），閥位維持不變；給定信號后（第4 s），閥位開始動作，閥位開度先增大后減??；第14 s后，調節(jié)閥動作結束，并保持不變。由圖8可知，經過4次迭代后，流量邊界的變化曲線非常接近理想曲線，基本滿足控制要求。

圖7 調節(jié)閥開度的變化曲線Fig.7 The variation curves of valve opening

圖8 流量邊界的變化曲線Fig.8 The variation curves for flow boundary under open-loop control scheme

由整個迭代過程可知，流量變化曲線在每一次迭代后都會逐漸靠近理想值曲線。因此，通過反復調整調節(jié)閥的開度變化曲線，理論上可以滿足任意的流量控制要求，但需要反復迭代嘗試。鑒于蒸汽系統(tǒng)的安全性要求和經濟性要求，在臺架試驗中進行反復迭代不太實際，可行的方案是通過實時仿真手段進行迭代并通過臺架試驗進行驗證。

4 試驗結果分析

將開環(huán)控制仿真所得調節(jié)閥開度變化曲線（圖7中第4次迭代曲線）輸入臺架試驗系統(tǒng)的PLC中，開展動態(tài)工況試驗。流量邊界的仿真數(shù)據(jù)（圖8中第4次迭代曲線）和試驗數(shù)據(jù)對比結果如圖9所示。

由圖9的試驗數(shù)據(jù)可知，臺架試驗系統(tǒng)的流量邊界在10 s內以近線性的趨勢減少了20 t/h，滿足流量邊界的線性控制要求。此外，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的一致性也驗證了本文仿真模型的準確性與有效性。

5 結 語

圖9 仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of simulation data and test data

為了提出蒸汽系統(tǒng)臺架試驗系統(tǒng)的流量邊界控制方法，本文利用GSE軟件平臺搭建了蒸汽系統(tǒng)臺架試驗系統(tǒng)的圖形化仿真模型，并通過穩(wěn)態(tài)工況下的試驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準確性。根據(jù)臺架試驗系統(tǒng)的流量邊界控制要求，本文提出了2種調節(jié)閥的控制方案并開展了仿真對比分析。研究結果表明，多次迭代的開環(huán)控制方案可以滿足流量邊界的近線性變化要求，而傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制方案則并不適用。