基于模糊PI的冷凝器過冷度控制技術研究＊

羅 馬 孫建華 汪 偉

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

1 引言

冷凝器是凝汽式汽輪機的主要輔助設備，是汽輪機組的重要組成部分，其工作性能的好壞直接影響到整個機組的熱經濟性和安全性。評價冷凝器的重要經濟指標有冷凝器的真空度、凝結水的過冷度和凝結水的含氧量三個方面［1～3］。

其中凝結水過冷度表征了冷凝器熱井中凝結水的過冷卻程度。冷凝器熱井出口的凝結水溫度與冷凝器在排汽壓力下對應的飽和溫度之差即稱為過冷度。凝結水的過度冷卻，一方面降低了系統的熱經濟性；另一方面導致凝結水溶氧量增多，加劇了低壓回熱系統的腐蝕，不利于機組的安全運行［4］。

因此，有必要對冷凝器的過冷度進行控制調節，以提高機組的運行安全性和經濟性。

2 過冷度產生原因及改善方法

冷凝器運行中，冷凝器凝結水產生過冷現象是不可避免的，產生過冷度的原因有很多，比如凝結器內存在汽阻、冷凝器內管束排列不好、空氣漏入冷凝器或抽氣器工作不正常、凝結水水位過高、冷卻水漏入凝結水內、凝汽器冷卻水入口溫度和流量的影響、蒸汽負荷的影響、將溫度較低的補充水直接補入凝汽器的熱水井等等［5～7］。

為了盡可能減小凝結水過冷度，除了要在冷卻管束排布設計，冷凝器內水位及水質的監測、冷凝器真空氣密性等方面進行提高和完善以外，也必須要采取熱力除氧手段，對凝結水進行加熱，從而把過冷度控制在符合要求的范圍之內。

3 控制方案設計

3.1 基本原理

當冷凝器處于不同工況時，冷凝器凝結水量會發生變化，通過加熱凝結水以滿足過冷度要求的除氧乏汽量也會隨之變化。因此，可以通過控制除氧乏汽量來維持過冷度的穩定。

3.2 模糊PI控制

模糊PI控制是模糊控制與傳統PI控制的結合，其設計思想是先找出PI控制器的控制參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行過程中通過不斷檢測e和ec，并根據模糊控制原理來對參數Kp和Ki進行實時修正，以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求，而使被控對象有良好的動靜態特性［8～10］。

其控制系統結構如圖1所示。

圖1 模糊PI控制系統結構圖

3.3 模糊PI控制器設計

根據以上模糊PI控制系統的設計思想，首先確定模糊控制器的輸入為過冷度期望值與過冷度實際值之間的誤差e和誤差變化率ec，輸出為PI控制器的控制參數Kp、Ki的修正量△Kp和△Ki；然后確定輸入輸出量的模糊論域，考慮到量化等級太小精確度不夠，量化等級過大又導致計算復雜和存儲增加，因此將e、ec、ΔKp和ΔKi的模糊論域均設置為［－6，6］；同樣，為了兼顧控制器的靈敏性，同時又不至于使規則數目過大增長而使控制規則變得過于復雜，因此選取語言變量集個數為較常見的七個，即NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?、Z（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）；然后根據不同類型隸屬函數的特點，分別設置輸入e和ec的各個模糊子集隸屬函數為高斯型，輸出ΔKp和ΔKi的各個模糊子集隸屬函數為三角形。

根據控制理論，比例系數Kp的作用在于加快系統的響應速度，提高系統的調節精度，積分系數Ki的作用在于消除系統的靜態誤差。因此，在PI控制器的參數整定時須考慮到這兩者在不同時刻的作用以及其相互關系。此外，總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立如表1和表2的模糊規則表［12］：

表1 Kp模糊規則表

表2 Ki 模糊規則表

規則建立好后，就可以通過計算誤差e和誤差變化率ec的實時值，利用模糊規則進行模糊推理得出修正參數ΔKp和ΔKi代入到下式：

其中，Kp0和Ki0為比例系數Kp和積分系數Ki的初始值，然后將修正后的Kp和Ki代入到PI控制器中進行控制。

4 仿真試驗

借鑒某已有的冷凝器數學模型，將以上所設計出的模糊PI控制器運用到該冷凝器模型上，并進行仿真試驗。結合工作實際，要求冷凝器凝結水過冷度維持在1℃左右。

當船舶分別以最大功率和50%功率運行時，分別采用常規PI控制器和模糊PI控制器對此兩種工況下的過冷度進行控制。在兩種工況穩態情況（過冷度穩定）下，施加一個5%的相對功率階躍，其過冷度控制仿真曲線如圖2、3所示。

圖2 最大功率運行時，施加5%相對功率階躍，過冷度控制曲線

圖3 50%功率運行時，施加5%相對功率階躍，過冷度控制曲線

當冷凝器在最大功率工況運行時，分別采用模糊PI控制器和常規PI控制器對過冷度進行控制，待過冷度穩定后，在t＝300s時，船舶推進功率由最大功率階躍至50%功率，過冷度控制仿真結果如圖4所示。

當冷凝器在50%功率工況運行時，分別采用模糊PI控制器和常規PI控制器對過冷度進行控制，待過冷度穩定后，在t＝1000s時，使汽輪機組運行功率由50%功率階躍至最大功率，過冷度控制仿真結果如圖5所示。

圖4 由最大功率階躍至50%功率時，過冷度控制曲線

圖5 由50%功率階躍至最大功率時，過冷度控制曲線

從仿真結果可以看出，無論在最大功率工況下，還是50%功率工況下，模糊PI控制器對于過冷度的控制效果都要優于常規PI控制器，具體表現為波動較小，調節時間較短等。同時，當冷凝器在最大功率工況和50%功率工況間互相切換時，模糊PI控制器可以很快地將過冷度控制到所要求的范圍里，而常規PI控制器的調整時間過長且其波動范圍較大，可見冷凝器在不同工況切換運行時，模糊PI控制器控制性能也明顯好于常規PI控制器，從而可更好地滿足大范圍功率水平控制要求。

5 結語

以上基于模糊PI的冷凝器過冷度控制系統研究和仿真表明，模糊PI控制器無論是在冷凝器單工況運行還是不同工況之間轉換運行，對凝結水過冷度的控制效果要優于常規PI控制器，因此，將模糊PI控制技術引入到冷凝器的過冷度控制系統設計中，可以改善冷凝器的整體工作性能，從而有益于提高其工作效率。

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