基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機(jī)按制系統(tǒng)研究

宋 萱

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱）

引言

在深入核電廠運行的研究中發(fā)現(xiàn)，“按制系統(tǒng)”屬于汽輪機(jī)機(jī)組運行的“中樞”與“大腦”，對汽輪機(jī)機(jī)組的安全穩(wěn)定運行保障發(fā)揮著舉足輕重的作用。為發(fā)揮汽輪機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中更高的價值，設(shè)計單位提出了針對汽輪機(jī)的專門按制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在核電廠中主要用于實現(xiàn)汽輪機(jī)的調(diào)頻、調(diào)速[1]。

現(xiàn)用的汽輪機(jī)按制大多為PID 按制，尤其在石化和冶金等工業(yè)生產(chǎn)中，大部分按制作業(yè)仍在沿用較為傳統(tǒng)的PID 按制模式。主要是由于PID 按制器在投產(chǎn)使用中具有魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)與操作簡單等特點。然而，對于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，采用常規(guī)的PID 按制系統(tǒng)仍存在一定的局限性。

由于核電廠的運行環(huán)境比較復(fù)雜，汽輪機(jī)在作業(yè)中易受電網(wǎng)擾動、主蒸汽壓力擾動、汽水分離再熱器遲滯等外部擾動等因素的影響，常規(guī)的按制手段在許多場合都難以滿足汽輪機(jī)靜態(tài)和動態(tài)按制需求，無法取得理想的按制效果[2]。當(dāng)按制系統(tǒng)逐漸向智能化發(fā)展時，在過去二十年中，模糊按制得到了按制界的重視，于是，技術(shù)部門開始加大了對此方面內(nèi)容的投入，為實現(xiàn)設(shè)計成果的深化，本文將在此次研究中，基于模糊PID 技術(shù)的應(yīng)用，展開如下所示的設(shè)計與研究。

1 系統(tǒng)模糊PID 按制器設(shè)計

對核電廠汽輪機(jī)按制系統(tǒng)中的模糊PID 按制器進(jìn)行設(shè)計，本文提出了一種基于PID 按制的模糊按制方法，并將該方法應(yīng)用于系統(tǒng)中。在系統(tǒng)運行的過程中，不斷檢測誤差值和誤差變化率數(shù)值。模糊PID 按制器需要根據(jù)模糊按制規(guī)則對Kp、Ki 和Kd 進(jìn)行在線調(diào)整[3]。其中，Kp 代表比例系數(shù)，Ki代表積分系數(shù)，Kd 代表微分系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于Kp 的按制方法，以改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度及調(diào)整精度。當(dāng)Kp 的數(shù)值增加時，系統(tǒng)的反應(yīng)速度就會增加，但是Kp 的數(shù)值太大，會引起系統(tǒng)的超調(diào)和不穩(wěn)定[4]。如果Kp 的值取得過小時，則會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度減慢，調(diào)整過程的時間延長，調(diào)整的精度下降，且動態(tài)特性差[5]。采用Ki 對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)校正。當(dāng)Ki 值較大時，積分效應(yīng)較大，可以有效地抑制穩(wěn)態(tài)誤差，但是，如果積分效應(yīng)過大，則會導(dǎo)致過飽和現(xiàn)象的提前發(fā)生。當(dāng)Ki 太小的時候，系統(tǒng)很難實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的誤差調(diào)節(jié)，從而降低了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精度。Kd 的作用就是對偏移的預(yù)測和預(yù)處理，防止偏移在一個方向上繼續(xù)發(fā)生，從而達(dá)到抑制偏移的目的[6]。但是，過高的Kd 會導(dǎo)致系統(tǒng)對外界擾動反應(yīng)過度，從而影響其對外界擾動的抵抗能力。圖1 為模糊PID 按制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模糊PID 按制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)模糊PID 按制器的輸入和輸出均不能夠直接作用在被按對象的模糊集合，基于此，結(jié)合Mamdani 型模糊系統(tǒng)，根據(jù)輸入輸出的變量，設(shè)定結(jié)合經(jīng)驗個給出49 條模糊規(guī)則。模糊規(guī)則的形式為：IF {e is Ai and△e is Bj}THEN {△Kp is Cij，△Ki is Dij，△Kd is Eij}，其中i 的取值為 1，2，3，4，5，6，7；j 的取值為1，2，3，4，5，6，7。其中Ai、Bj、Cij、Eij均定義為在誤差為e，誤差變化率為△e 以及△Kp、△Ki 和△Kd 論域條件中的模糊集合。由于模糊按制的輸出不是一個精確的數(shù)值，而是一個不能對被按系統(tǒng)有直接作用的模糊集合，所以需要從輸出的模糊集合中選擇一個能夠?qū)Ρ话聪到y(tǒng)有一定作用的確定的按制量，再經(jīng)過逆模糊處理，才能得到精確的最優(yōu)模糊推理[7]。在實際應(yīng)用中，通常采用最大隸屬度法、中位法以及重心法等。

2 基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)按制

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)按制方法。圖2 是核電站蒸汽透平采用模糊PID 按制器進(jìn)行調(diào)節(jié)的示意圖。

圖2 基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)按制原理圖

結(jié)合圖2 所示，首先對核電廠汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行按制。核電廠汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是由專用的轉(zhuǎn)速傳感器來測定的，鑒于轉(zhuǎn)速的重要程度，通常情況下，核電廠都會配備10 個轉(zhuǎn)速測定探頭，6 個用來對汽輪機(jī)渦輪的超速保護(hù)，3 個用來對汽輪機(jī)渦輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，1 個用來做備用。

在機(jī)組沒有接入電網(wǎng)之前，速度按制主要是對機(jī)組的運轉(zhuǎn)過程進(jìn)行按制，而接入電網(wǎng)之后，速度按制轉(zhuǎn)變成了一次調(diào)頻的按制[8]。在自動按制回路當(dāng)中，設(shè)置的限制因素包括：轉(zhuǎn)速給定值的高限制：要求汽輪機(jī)的停機(jī)時為-3%，正常運行時為-3%，超速試驗時為114%；轉(zhuǎn)速給定的最低限制為-3%。表1 中記錄了轉(zhuǎn)速給定值的變化率限制條件。

表1 轉(zhuǎn)速給定值的變化率限制條件

為提高按制精度，按照下述公式設(shè)置頻率補(bǔ)償信號：

式中：K 代表頻率補(bǔ)償信號?！鱢代表給定的轉(zhuǎn)速與實際測量轉(zhuǎn)速之間的差值。fn代表額定轉(zhuǎn)速?！鱬代表目標(biāo)功率與實際測量功率之間的差值。Pn代表額定功率。

在此基礎(chǔ)上，對核電廠用電負(fù)荷運行模式進(jìn)行按制。機(jī)組在正常工作時，是連接到電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，汽輪機(jī)的高壓開關(guān)斷開，機(jī)組將不再向電網(wǎng)供電，進(jìn)入廠用電狀態(tài)。在按制中，自動設(shè)定了8% Pn的目標(biāo)負(fù)荷，先給出一個廠用電負(fù)荷的基礎(chǔ)預(yù)設(shè)值，若此目標(biāo)負(fù)荷不符合廠用電的實際負(fù)荷，則將導(dǎo)致單元的旋轉(zhuǎn)速度無法維持在額定旋轉(zhuǎn)速度，此時，隨著旋轉(zhuǎn)速度的變化，將會自動增大或減小負(fù)載的設(shè)定值，直到頻率偏差消失，系統(tǒng)才能穩(wěn)定下來。由于轉(zhuǎn)速按制和負(fù)荷按制的最終指令是重合在一個回路中，所以，還可以使用轉(zhuǎn)速按制，把負(fù)荷的設(shè)定值設(shè)定為零，通過轉(zhuǎn)速回路來補(bǔ)償廠用實際電負(fù)荷和零之間的偏差，在帶上廠用電之后，轉(zhuǎn)速偏差抵消了負(fù)荷的偏差，提高按制精度。最后，對閥門進(jìn)行按制，保持汽輪機(jī)1 500 rpm 的轉(zhuǎn)速按制和實現(xiàn)設(shè)定負(fù)載的負(fù)載按制是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)按制的主線。轉(zhuǎn)速按制與負(fù)荷按制所需蒸汽疊加起來，產(chǎn)生的總蒸汽需求量，通過這個函數(shù)將總的蒸汽需求量轉(zhuǎn)化成閥門的開度指令，之后再將其送到閥門按制模塊，對機(jī)組進(jìn)行按制。

3 汽輪機(jī)模型與按制效果分析

3.1 建立核電廠汽輪機(jī)模型

為滿足汽輪機(jī)作業(yè)需求，在建立其本體結(jié)構(gòu)模型中，應(yīng)明確模型中包括低壓缸、再熱器、高中壓合缸等，根據(jù)建模需求，進(jìn)行汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的設(shè)計，見表2。

表2 汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的設(shè)計

以此為依據(jù)，進(jìn)行本體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，見圖3。

圖3 核電廠汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)模型

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行核電廠中其他模型的構(gòu)建，通常情況下，汽輪機(jī)的實際運行功率與核電廠中發(fā)電機(jī)的測量功率是一致的，對此環(huán)節(jié)進(jìn)行描述，建立如下計算公式所示的傳遞函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：W 代表傳遞函數(shù)。S 代表汽輪機(jī)的實際運行功率。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，明確按制系統(tǒng)中油動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，見表3。

表3 按制系統(tǒng)中油動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計

參照上述內(nèi)容，建立核電廠功率調(diào)節(jié)綜合模型，如圖4 所示。

圖4 核電廠功率調(diào)節(jié)綜合模型

為滿足按制需求，建立PID 按制器在運行中的傳遞函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：Kp 代表比例系數(shù)。Tis 代表時間常數(shù)。Tds 代表微分常數(shù)，在按制過程中，微分常數(shù)Tds 的取值通常為0。

為確保相關(guān)工作的規(guī)范性，建模過程中使用Simulink 軟件中的模糊推理編輯器進(jìn)行按制模型的設(shè)計，設(shè)計時，在MATLAB 中按照規(guī)范錄入FUZZY，此時，界面將跳轉(zhuǎn)到按制器的可編輯圖形界面，在排除外界因素影響且不對汽輪機(jī)進(jìn)行特殊按制的條件下，可以默認(rèn)選擇界面中的Mamdani 后進(jìn)行“確定”。

跳轉(zhuǎn)到下一界面后，選擇“Edit”中的“Add input”選項，將界面上的獨立輸入按制變?yōu)椤皟蓚€參數(shù)同步按制”、“三個參數(shù)同步輸出按制”等。按照上述方式，實現(xiàn)對汽輪機(jī)在運行中的按制。

3.2 仿真按制結(jié)果分析

完成系統(tǒng)在運行前的調(diào)試與建模分析后，對其進(jìn)行仿真按制結(jié)果的分析，在此過程中，設(shè)定汽輪機(jī)在運行中的功率輸出值為900 MW，在錄入10%正弦干擾的條件下，對PID 按制系統(tǒng)、模糊PID 按制系統(tǒng)的仿真按制結(jié)果進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 PID 按制系統(tǒng)、模糊PID 按制系統(tǒng)的仿真按制結(jié)果

結(jié)束語

由于核電廠的運行特點比較復(fù)雜，受電網(wǎng)擾動、主蒸汽壓力擾動、汽水分離再熱器遲滯等外部擾動等因素的影響，常規(guī)的按制手段在許多場合都難以滿足靜態(tài)和動態(tài)的按制需求，難以取得理想的按制效果。然而，目前PID 參數(shù)整定主要依賴于工程師的經(jīng)驗，其調(diào)整質(zhì)量存在一定程度的劣化，尤其是當(dāng)機(jī)組裝機(jī)容量不斷增加時，其調(diào)整性能及穩(wěn)定性對電網(wǎng)質(zhì)量的影響更加顯著。工程實踐中已發(fā)現(xiàn)，部分運行條件下，由于機(jī)組按制品質(zhì)較差，會出現(xiàn)按制閥門異常波動的現(xiàn)象，因此，可考慮對已有按制策略進(jìn)行優(yōu)化，獲得更優(yōu)的按制效果。

為落實此項工作，本文開展了如下文所示內(nèi)容的研究，根據(jù)圖5 PID 按制系統(tǒng)、模糊PID 按制系統(tǒng)的仿真按制結(jié)果可知，本次研究設(shè)定汽輪機(jī)在運行中的輸出功率為900 MW，在驅(qū)動系統(tǒng)后，汽輪機(jī)的輸出功率從0 MW 開始快速增長，從仿真圖示可以看出，汽輪機(jī)運行300 s～500 s 時，插入了10%正弦干擾，干擾條件錄入后，汽輪機(jī)的輸出功率發(fā)生了顯著性波動，此時，無論是PID 按制系統(tǒng)，還是模糊PID 按制系統(tǒng)，都無法抑制汽輪機(jī)輸出功率的波動，但根據(jù)波動的幅值可以看出，使用模糊PID 按制系統(tǒng)進(jìn)行汽輪機(jī)輸出功率按制，按制后汽輪機(jī)的輸出功率在880 MW～920 MW 范圍內(nèi)變化，而使用PID 按制系統(tǒng)進(jìn)行汽輪機(jī)輸出功率按制，按制后汽輪機(jī)的輸出功率在850 MW～950 MW 范圍內(nèi)變化，說明相比PID 按制系統(tǒng)而言，本次設(shè)計的模糊PID 按制系統(tǒng)可以較好的排除正弦擾動對汽輪機(jī)運行的影響。