汽轮机给水全程控制系统仿真研究

汽轮机给水全程控制系统仿真研究

蒸汽锅炉的全过程控制系统是核电站的主要控制装置之一。它的控制质量直接影响到核电站的运营的效率和安全性。目前,多数电厂的汽包锅炉给水全程控制系统在机组起动和低负荷阶段,自动投入率较低,其原因之一是被控对象可控性较差,二是控制方案存在缺陷。本文根据文献提出的控制方案,分别对汽包锅炉给水控制系统的启动、低负荷和高负荷各阶段控制进行了全面细致的仿真研究。1在汽箱中，地板被照亮的目标1.1按水泵、汽动泵的方式分300MW以上火电机组的给水系统(图1)一般配置1台电动给水泵(电动泵)和2台汽动给水泵(汽动泵)。其中,电动泵用于机组低负荷阶段给水调节,并作为汽动泵的备用泵;汽动泵用于机组高负荷阶段的给水调节。在机组起动阶段由给水旁路调节阀控制汽包水位。1.2汽包水位的流变特性给水和蒸汽扰动主要指汽包水位的内扰和外扰。给水扰动时汽包水位变化特性是由一个积分环节和一个惯性环节叠加而成,其传递函数为:H(s)W(s)=εs−ετ1+τs=εs(1+τs)(1)Η(s)W(s)=εs-ετ1+τs=εs(1+τs)(1)式中H——汽包水位相对变化量;W——给水流量相对变化量;s——拉普拉斯算子;ε——被控对象的飞升速度;τ——被控对象的容积迟延。蒸汽扰动时汽包水位变化特性也是由一个积分环节和一个惯性环节叠加而成,其传递函数为:H(s)D(s)=K1+Ts−εs=(K−εT)s−εs(1+Ts)(2)Η(s)D(s)=Κ1+Τs-εs=(Κ-εΤ)s-εs(1+Τs)(2)式中D——蒸汽流量相对变化量;K——惯性环节的静态放大系数;T——惯性环节的惯性时间常数;ε——积分环节的飞升速度。2飞机启动阶段的模拟2.1伺服保护阶段机组起动阶段(0～25%负荷)电动泵维持固定转速,由给水旁路调节阀调节汽包水位。调节器发出的给水调节信号与调节阀位置反馈信号进行比较后,送到执行单元经过伺服放大器放大后再送入伺服电机,控制给水调节阀开度,进行给水量调节控制,其仿真框图见图2。图2中伺服放大器相当于一个P调节器,此阶段控制方案实际上是串级双回路控制。按照常规的串级PID控制的参数整定方法进行参数整定,得到的一组最佳参数为:PID调节器中P=15、I=0.1、D=120,伺服放大器中K=5。在此参数下,系统受到20%内、外阶跃扰动时的控制曲线如图3所示。2.2比例增益k的选取仿真试验表明,在PID参数保持不变的情况下,伺服放大器中比例增益K的取值范围为1≤K≤18,超出此范围则系统将变得不稳定。图4(a)和图4(b)分别为K=0.1和K=19时,给定值20%阶跃扰动下的控制曲线。3在低负荷模式下，设备的模拟3.1电动泵控制方案设计机组低负荷阶段(25%～40%负荷)主给水阀全开,通过改变电动泵转速来调节汽包水位。电动泵通过液力偶合器与转速固定的电动机相连。电动泵工作时,通过调节勺管的位移控制进入液力偶合器的充油量,对电动泵转速进行调节控制,其仿真框图见图5。由图5可见,低负荷阶段的控制方案实际上是4回路控制。3.2pid3的参数设计在电动泵控制系统有3个PID调节器可进行调节控制,使得参数整定较困难。经过仿真试验,得出了一种“先外后内”的参数整定方法:首先将图5中的虚线框部分作为一个比例环节,按照串级PID控制的参数整定方法确定PID1和PID2的参数,然后在已得到的参数基础上整定出PID3的参数。用此方法得到的各调节器参数为:PID1中P=10、I=0.05、D=100;PID2中P=5、I=0、D=0;PID3中P=200、I=0、D=0。由该组参数仿真得到的内、外扰动控制曲线如图6所示,其扰动均为20%的阶跃扰动。3.3定范围下的控制仿真试验表明,在PID1和PID2参数确定的情况下,电动泵控制系统内调节器PID3的参数有一定范围,超出此范围就得不到理想的控制效果。在PID1和PID2的参数下,得到PID3的P的范围为5≤P≤420。当P<5时,则调节时间过长;当P>420时,则控制曲线变得发散。图7(a)和图7(b)分别为P=0.5和P=422时,给定值20%阶跃扰动下的控制曲线。4在高压下的模拟阶段4.1汽包水位的动态仿真机组高负荷阶段(40%～100%负荷)采用给水泵调节汽包水位,其泵由小型汽轮机带动,通过调节进汽阀的开度改变进入汽轮机的汽量,进行给水泵转速调节控制,其仿真框图见图8。与低负荷阶段控制方案相同,此阶段也是4回路控制。4.2pid3的调整采用“先外后内”的参数整定方法,在此参数基础上,调整PID3中的参数。经过大量仿真实验,最终得到PID3的参数为:P=3,I=0,D=0。在此参数下,系统受到20%阶跃扰动时的控制曲线见图9。4.3pid3的设置仿真试验表明,在PID1和PID2参数确定的情况下,汽动泵控制系统的调节器参数也有一定的范围,PID3的参数P应当满足如下条件:0.2≤P≤6.2。若参数值在此范围之外,则控制系统变得不稳定,图10(a)和图10(b)分别为P=0.05和P=6.3时的仿真结果。5设备设置不当通过对汽包锅炉给水全过程控制系统各阶段的仿真研究表明,在机组起动、低负荷和高负荷阶段,调节阀及给水泵控制系统内部调节器参数对整个给水控制影响较大,若参数设置不当,将使给水系统无法投入自动控制或控制效果不理想。所以,在给水控制系统投自动时应从整