基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機按制系統研究

宋 萱

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱）

引言

在深入核電廠運行的研究中發現，“按制系統”屬于汽輪機機組運行的“中樞”與“大腦”，對汽輪機機組的安全穩定運行保障發揮著舉足輕重的作用。為發揮汽輪機在工業生產作業中更高的價值，設計單位提出了針對汽輪機的專門按制系統，該系統在核電廠中主要用于實現汽輪機的調頻、調速[1]。

現用的汽輪機按制大多為PID 按制，尤其在石化和冶金等工業生產中，大部分按制作業仍在沿用較為傳統的PID 按制模式。主要是由于PID 按制器在投產使用中具有魯棒性強、結構與操作簡單等特點。然而，對于復雜的非線性系統，采用常規的PID 按制系統仍存在一定的局限性。

由于核電廠的運行環境比較復雜，汽輪機在作業中易受電網擾動、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，常規的按制手段在許多場合都難以滿足汽輪機靜態和動態按制需求，無法取得理想的按制效果[2]。當按制系統逐漸向智能化發展時，在過去二十年中，模糊按制得到了按制界的重視，于是，技術部門開始加大了對此方面內容的投入，為實現設計成果的深化，本文將在此次研究中，基于模糊PID 技術的應用，展開如下所示的設計與研究。

1 系統模糊PID 按制器設計

對核電廠汽輪機按制系統中的模糊PID 按制器進行設計，本文提出了一種基于PID 按制的模糊按制方法，并將該方法應用于系統中。在系統運行的過程中，不斷檢測誤差值和誤差變化率數值。模糊PID 按制器需要根據模糊按制規則對Kp、Ki 和Kd 進行在線調整[3]。其中，Kp 代表比例系數，Ki代表積分系數，Kd 代表微分系數。在此基礎上，提出了一種基于Kp 的按制方法，以改善系統的響應速度及調整精度。當Kp 的數值增加時，系統的反應速度就會增加，但是Kp 的數值太大，會引起系統的超調和不穩定[4]。如果Kp 的值取得過小時，則會使系統的響應速度減慢，調整過程的時間延長，調整的精度下降，且動態特性差[5]。采用Ki 對系統進行穩態校正。當Ki 值較大時，積分效應較大，可以有效地抑制穩態誤差，但是，如果積分效應過大，則會導致過飽和現象的提前發生。當Ki 太小的時候，系統很難實現穩態的誤差調節，從而降低了系統調節的精度。Kd 的作用就是對偏移的預測和預處理，防止偏移在一個方向上繼續發生，從而達到抑制偏移的目的[6]。但是，過高的Kd 會導致系統對外界擾動反應過度，從而影響其對外界擾動的抵抗能力。圖1 為模糊PID 按制器的設計結構圖。

圖1 模糊PID 按制器的設計結構圖

系統模糊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，結合Mamdani 型模糊系統，根據輸入輸出的變量，設定結合經驗個給出49 條模糊規則。模糊規則的形式為：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值，而是一個不能對被按系統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對被按系統有一定作用的確定的按制量，再經過逆模糊處理，才能得到精確的最優模糊推理[7]。在實際應用中，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調節按制

在此基礎上，本文提出了一種基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機調節按制方法。圖2 是核電站蒸汽透平采用模糊PID 按制器進行調節的示意圖。

圖2 基于模糊PID 按制的核電廠汽輪機調節按制原理圖

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

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

表1 轉速給定值的變化率限制條件

為提高按制精度，按照下述公式設置頻率補償信號：

式中：K 代表頻率補償信號。△f代表給定的轉速與實際測量轉速之間的差值。fn代表額定轉速。△p代表目標功率與實際測量功率之間的差值。Pn代表額定功率。

在此基礎上，對核電廠用電負荷運行模式進行按制。機組在正常工作時，是連接到電網，向電網供電。當電網出現故障時，汽輪機的高壓開關斷開，機組將不再向電網供電，進入廠用電狀態。在按制中，自動設定了8% Pn的目標負荷，先給出一個廠用電負荷的基礎預設值，若此目標負荷不符合廠用電的實際負荷，則將導致單元的旋轉速度無法維持在額定旋轉速度，此時，隨著旋轉速度的變化，將會自動增大或減小負載的設定值，直到頻率偏差消失，系統才能穩定下來。由于轉速按制和負荷按制的最終指令是重合在一個回路中，所以，還可以使用轉速按制，把負荷的設定值設定為零，通過轉速回路來補償廠用實際電負荷和零之間的偏差，在帶上廠用電之后，轉速偏差抵消了負荷的偏差，提高按制精度。最后，對閥門進行按制，保持汽輪機1 500 rpm 的轉速按制和實現設定負載的負載按制是汽輪機調節按制的主線。轉速按制與負荷按制所需蒸汽疊加起來，產生的總蒸汽需求量，通過這個函數將總的蒸汽需求量轉化成閥門的開度指令，之后再將其送到閥門按制模塊，對機組進行按制。

3 汽輪機模型與按制效果分析

3.1 建立核電廠汽輪機模型

為滿足汽輪機作業需求，在建立其本體結構模型中，應明確模型中包括低壓缸、再熱器、高中壓合缸等，根據建模需求，進行汽輪機本體結構模型參數的設計，見表2。

表2 汽輪機本體結構模型參數的設計

以此為依據，進行本體結構模型的構建，見圖3。

圖3 核電廠汽輪機本體結構模型

在此基礎上，進行核電廠中其他模型的構建，通常情況下，汽輪機的實際運行功率與核電廠中發電機的測量功率是一致的，對此環節進行描述，建立如下計算公式所示的傳遞函數，函數表達式如下：

式中：W 代表傳遞函數。S 代表汽輪機的實際運行功率。

在上述內容的基礎上，明確按制系統中油動機執行機構參數的設計，見表3。

表3 按制系統中油動機執行機構參數的設計

參照上述內容，建立核電廠功率調節綜合模型，如圖4 所示。

圖4 核電廠功率調節綜合模型

為滿足按制需求，建立PID 按制器在運行中的傳遞函數，函數表達式如下：

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

為確保相關工作的規范性，建模過程中使用Simulink 軟件中的模糊推理編輯器進行按制模型的設計，設計時，在MATLAB 中按照規范錄入FUZZY，此時，界面將跳轉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進行特殊按制的條件下，可以默認選擇界面中的Mamdani 后進行“確定”。

跳轉到下一界面后，選擇“Edit”中的“Add input”選項，將界面上的獨立輸入按制變為“兩個參數同步按制”、“三個參數同步輸出按制”等。按照上述方式，實現對汽輪機在運行中的按制。

3.2 仿真按制結果分析

完成系統在運行前的調試與建模分析后，對其進行仿真按制結果的分析，在此過程中，設定汽輪機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、模糊PID 按制系統的仿真按制結果進行分析，見圖5。

圖5 PID 按制系統、模糊PID 按制系統的仿真按制結果

結束語

由于核電廠的運行特點比較復雜，受電網擾動、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，常規的按制手段在許多場合都難以滿足靜態和動態的按制需求，難以取得理想的按制效果。然而，目前PID 參數整定主要依賴于工程師的經驗，其調整質量存在一定程度的劣化，尤其是當機組裝機容量不斷增加時，其調整性能及穩定性對電網質量的影響更加顯著。工程實踐中已發現，部分運行條件下，由于機組按制品質較差，會出現按制閥門異常波動的現象，因此，可考慮對已有按制策略進行優化，獲得更優的按制效果。

為落實此項工作，本文開展了如下文所示內容的研究，根據圖5 PID 按制系統、模糊PID 按制系統的仿真按制結果可知，本次研究設定汽輪機在運行中的輸出功率為900 MW，在驅動系統后，汽輪機的輸出功率從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，汽輪機的輸出功率發生了顯著性波動，此時，無論是PID 按制系統，還是模糊PID 按制系統，都無法抑制汽輪機輸出功率的波動，但根據波動的幅值可以看出，使用模糊PID 按制系統進行汽輪機輸出功率按制，按制后汽輪機的輸出功率在880 MW～920 MW 范圍內變化，而使用PID 按制系統進行汽輪機輸出功率按制，按制后汽輪機的輸出功率在850 MW～950 MW 范圍內變化，說明相比PID 按制系統而言，本次設計的模糊PID 按制系統可以較好的排除正弦擾動對汽輪機運行的影響。