基于PID的船用汽轮机功频控制系统

张永生 马运义

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

基于PID的船用汽轮机功频控制系统

张永生 马运义

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

根据船用汽轮机的热力学原理与汽轮机功率模型，设计一种基于常规PID的船用汽轮机功频控制系统，并运用Matlab／Simulink仿真模块对其进行仿真计算。结果表明，当二回路负荷发生变化时，该控制系统可通过调节汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率能够快速跟踪发电机功率的变化，并维持汽轮机的转速（频率）不变。

汽轮机；功率；频率；PID

1 引言

汽轮机功频控制系统是汽轮机普遍采用的控制系统，国内外学者对汽轮机的数学模型与控制系统均进行了大量研究。张杨伟等［1］建立了船用核汽轮机实时仿真的两相流模型，对变化负荷工况下船用核汽轮机装置的动态特性进行了计算。文献［2］介绍了船用汽轮机的数学模型，包括进气量、机械效率、功率以及转速模型，并在此基础上提出了一种基于神经网络的调速系统。Son［3］基于船用汽轮机推进电力装置MST 23，采用传递函数法研究了船用汽轮机推进装置的动态特性。以上文献均侧重于汽轮机模型的研究。而苏杰［4］等提出的将鲁棒广义预测自校正控制算法应用于汽轮机的转速控制，则可提高汽轮机系统的鲁棒稳定性，对汽轮机模型的不确定性具有良好的适应性和鲁棒性。孙建华等［5］与Han等［6］将模糊控制和常规PID控制相结合，实现了汽轮机转速的快速跟踪和稳定控制，但他们没有同时考虑汽轮机转速与功率的耦合关系。文献［7］应用线性系统极点配置方法，提出了一种既能使汽轮机功率跟随负荷变化，又可保证汽轮机转速按指令进行控制的新方法。

本文基于常规 PID控制，采用 Matlab／Simulink模块实现了汽轮机功频控制系统，在实现汽轮机功率跟踪发电机功率变化的同时，还能保证汽轮机转速不变。

2 汽轮机功率模型

质量守恒方程：

能量守恒方程：

转子运动方程：

式中，ρs为蒸汽密度，kg／m3；Vt为汽轮机的汽腔体积，m3；Gin为汽轮机的进汽量，kg／s；Gout为汽轮机的出汽量，kg／s；us为蒸汽的内能，J；J为汽轮机转子的转动惯量，kg／m3；n为转子的转速，r／min；Nt为汽轮机功率，W；Ng为发电机功率，W。

进汽量计算方程：

式中，k为阻力系数；V为阀门开度；Pin为汽轮机进口压力；Pout为汽轮机出口压力。

效率计算方程：

理想膨胀做功按等熵过程求出［8］：

式中，S1为汽轮机进口熵值，kJ／kg；S2为汽轮机出口熵值，kJ／kg；hin为汽轮机进口焓值，kJ／kg；hout为汽轮机出口焓值，kJ／kg；houtS为汽轮机出口等熵焓降的焓值，kJ／kg。

3 汽轮机功频控制系统

汽轮机控制系统的主要任务是完成汽轮机的启动、调速、停车，以及在一定工况下维持稳定运行。本文所研究的船用汽轮机只用于带动发电机发电，无须倒车装置，其调节系统的主要功能是在不同工况下维持汽轮机转速不变。

汽轮机的功频控制系统原理如图1所示。转速采样器α1与功率采样器α2将测得的信号与相应的设定值进行比较，然后将差值信号送入PID调节器进行调节，输出的信号用于控制进汽调节阀的开度，以实现汽轮机功率与转速（频率）的调节。

图1 汽轮机功频控制系统原理图Fig.1 The principle diagram of power and frequency control system for steam turbine

4 仿真结果分析

本文采用Matlab／Simulink模块实现了汽轮机功频控制系统，并与蒸汽发生器水位控制系统进行了耦合计算［9］。为验证汽轮机功频控制系统的正确性，设计了以下工况变化：200 s之前为100%蒸汽负荷的稳定状态；在200 s时引入一个扰动，即发电机功率阶跃下降20%。汽轮机转速、功率以及蒸汽发生器各主要参数随时间的变化如图2和图3所示。其中，纵坐标为各参数的标幺值，它是实际值与额定值的比值。

图2 汽轮机转速与功率随时间的变化Fig.2 The transient response of speed and power of steam turbine

图3 蒸汽发生器各参数随时间的变化Fig.3 The transient response of main parameters of steam generator

由图2可看出，当发电机的功率发生变化时，汽轮机的实发功率能够很好地跟踪发电机的功率变化，大约30 s便可达到功率设定值，表明了汽轮机进汽调节阀控制的有效性。同时，由于进汽量的改变必然会引起汽轮机转速的变化，而功频控制系统的调节作用又使得汽轮机转速能够很快回到设定值，转速的超调量小于额定值的2%，因而能满足船用汽轮机的控制指标。

由图3可看出，当发电机功率下降时，汽轮机功频控制系统是通过进汽调节阀动作，减少汽轮机的进汽量来实现汽轮机功率下降的。汽轮机的进汽量约需30 s稳定，这与图2中汽轮机功率的稳定时间是一致的，证明了所提出的汽轮机功频控制系统的有效性。同时，汽轮机进汽量的减少会引起蒸汽发生器水位的波动，但由于水位控制系统的作用，蒸汽发生器的水位波动非常小，能很快回到设定值。另外，蒸汽产量的减少也会导致蒸汽发生器的饱和压力以及温度上升。

5 结语

通过建立船用汽轮机的本体数学模型，设计了基于PID的船用汽轮机功频控制系统，并采用Matlab／Simulink模块对其进行了仿真计算，与蒸汽发生器水位控制系统进行了耦合计算。仿真结果表明，该功频控制系统不但能使汽轮机的实发功率快速跟踪发电机功率的变化，而且还能保证汽轮机的转速不变。

［1］张杨伟，蔡琦，于雷.船用核汽轮机装置仿真研究［J］.汽轮机技术，2006，48（1）：40－43.

［2］ZHU Q D，ZHANG Y，ZHANG J Q.Design of fuzzy neural network controller for marine steam turbine system［J］.Fourth International Conference on Natural Computation，2008：353－356.

［3］SON L H.Sum results of analyzing of marine steam turbine propulsion plant in the transient states using the mathematical model［J］.IEEE Technology Ocean’04，2004，4：2296－2301.

［4］苏杰，夏国清，张伟.汽轮机系统的鲁棒预测控制仿真研究［J］.微计算机技术，2007（22）：4－6.

［5］孙建华，汪伟，余海燕.基于模糊－PID的汽轮机转速控制系统［J］.自动化技术与应用，2008，27（1）：27－29，33.

［6］HAN G H，CHEN L H，SHAO J P，et al.Study of fuzzy PID controller for industrial steam turbine governing system ［C］//IEEE International Symposium on Communications and Information Technology （ISCIT），2005：1275－1279.

［7］SHI X P，WANG Z C.Simulation study of a new method to synchronously control rotate speed and power of a steam turbine［J］.Journal of System Simulation，2003，15（6）：823－825，840.

［8］朱伟，蒋滋康，程芳真.汽轮机本体分段式通用模块化建模与仿真［J］.热能动力工程，2000，15（3）：278－280，293.

［9］张永生，马运义，高伟，等.U型管蒸汽发生器的简化集总参数动态模型［J］.中国舰船研究，2010，5（4）：52-55.

The Power-Frequency Governing System of Marine Steam Turbine Based on PID

Zhang Yong－sheng Ma Yun－yi
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

A power-frequency governing system of marine steam turbine based on PID was designed，according to the thermodynamics principle and the power model of the marine steam turbine.Matlab／Simulink was introduced to perform the simulation.The results show that the governing system responds quickly with the power change of generator.By regulating the steam flux into steam turbine，the system keeps the rotatary speed （frequency）relatively constant，while the steam load disturbs in the secondary circuit.

steam turbine；power；frequency；PID

U664.113

：A

：1673－3185（2011）04－89－03

2010-04-23

张永生（1982－），男，博士研究生。研究方向：动力装置的控制与仿真。E-mail：zhang－262519＠163.com

马运义（1942－），男，研究员，博士生导师。研究方向：常规潜艇总体性能和噪声控制

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.019