汽轮机润滑油温模糊控制系统的仿真设计

第52卷第1期2010年2，J汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO152NO1FEB2010汽轮机润滑油温模糊控制系统的仿真设计李钰冰，谢诞梅，李汪繁，杜润庭，蔡笋武汉大学动力与机械学院，武汉430072摘要对于汽轮发电机组，其润滑油温的控制大多是通过人工调节冷油器冷却水阀门开度来实现的。根据某电厂的冷油器原型，结合其工作原理，对其进行了MATLAB建模，并进行了仿真试验测试其入日油温、冷却水流量及温度等斟素对出口油温的影响情况。在此基础上，设计了一种可对冷油器冷却水阀门开度进行自动控制的模糊控制器。相关试验结果表明该控制器能将冷油器出口油温保持在要求温度范围内，控制精度满足控制要求。关键词汽轮机；冷油器；润滑油；模糊控制；自动控制分类号TK2636；TH123文献标识码A文章编号100158842010OL002903SIMULATIONDESIGNOFLUBRICATINGOI1TEMPERATUREFUZZYCONTROLSYSTEMFORSTEAMTURBINELIYUBING，XIEDANMEI，LIWANGFAN，DURUNTING，CAISUNSCHOOLOFPOWERANTIMECHANICALENGINEERING，WUHANUNIVERSITY，WUHAN430072，CHINAABSTRACTTILETEMPERATUREOFTHETURBINEOILISCONTROLLEDBYTHEACTIONOFWORKERSTHROUGHADJUSTINGTHECOOLINGWATERVALVESINTHEINOSTHERMALPOWERSTATIONUNITSTHEOILCOOLERSYSTEMMODELWASESTABLISHEDANDTESTEDBASEDONTHEPRINCIPLEOFTHE0I1【OOLERINAPOWERPLANTAFUZZYCONTROLLERISDESIGNEDTOCONTROLTHEVALVESOFTHECOOLINGWATERTOACHIEVETHEAUTOUNTRJLOFTHEOILCOOLERSOMETESTSINDICATETHATTHECONTROLLERCANGUARANTEETHEOUTLET0ILTEMPERATUREINTHERANGEOFREQUIREMENTS，ANDTHEPRECISIONOFTHESYSTEMMEETSTHECONTROLREQUIREMENTSKEYWORDSSTEAMTURBINE；OILCOOLER；LUBRICATINGOIL；FUZZYCONTROL；AUTOMATICCONTROL过程如图1所示。0前占在汽轮发电机组中，润滑油系统担任着润滑、冷却和密封的作F，其正常工作是保证汽轮机乃至整个机组正常运行的必要条件。通常地，从汽轮机轴承出来的高温润滑油是依靠冷油器中的循环水柬冷却，且出口油温必须控制在一定的范围之内，其油温的调节主要是通过调整冷油器的循环水人F】阀门F度来实现的。目前，国内大多数电站的汽轮机润滑油温调竹采用人【调节，这不仅增加了操作人员的工作强度，也存在着一定的安全隐患。因此设计一种汽轮机润滑油温的动控制系统具有重要的现实意义0。汽轮机润滑油系统包括油箱、主油泵、射油器、冷油器、各种辅助油泵及马达、管道和阀门等部件由于冷油器担负着润滑油的冷却作用，本文选取这一对象进行建模仿真，然MI其真实模型具有参数不确定性等特点，故本文借助模糊控制算法尝试设汁出了一个能自动调节冷油器阀门开度的系统，并对其控制效果进行相应分析。1冷油器模型的构建11工作原理冷油器的内部L作过程其实是一个简单的换热过程油侧放出热龄，温度降低；水侧吸收热鼍，温度升高。其热平衡冷油器网1冷油器作过程的热平衡显然，冷却水与高温回油之间的热交换量QW则与换热面积ANL、冷油器的传热系数WINK及冷却水和回油之间的温差K有关如式1所示QKAAT1对于冷油器水侧，冷却水出口温度焓值的变化单位时间内进出冷油器的水焓值及热交换量的大小有关。冷却水的热平衡公式如式2和式3所示QQ等H3对于冷油器的油侧，冷油器出口油温度焓值的变化与单位时间内进出冷油器的油焓值及热交换量的大小有关。轴承回油在被冷却过程中的能量守恒方程见式4和式5FJ。QHT一一QM4TOH。5式中，QQ分别为冷油器内水、油的质量流量，KGS；H分别为单位质量的进、出冷油器的冷却水焓值，KJKG；HH收稿日期20090630作者简介李钰冰1984一女，硕研究生，主要研究方向为汽轮机油系统故障诊断、30汽轮机技术第52卷分别为单位质量的进、出冷油器的油焓值，KJKG；M、M。分别为冷油器内水、油的总质量，KG；、7“0分别为水温与油温，K，它们与焓值存在一定函数映射关系。12原型及性能要求以某电厂300MW凝汽式机组的冷油器为建模原型。该电厂油系统采用2台冷却面积为159M的冷油器对轴承回油进行冷却，运行规程要求轴承回油温度小于71，并调整冷油器出口油温在4349内以保证汽轮机轴承温度稳定在正常的温度范围内。13MA，IIAB建模及测试基于上述原型、工作原理及相关性能要求，运用MATLAB软件对冷油器进行建模见图2以模拟冷油器的工作过程，并对所建模型进行性能仿真测试以判断模型的正确性与否。图2MATLAB冷油器仿真模型鉴于冷油器出口油温主要与入口油温、冷却水流量及温度等因素有关，从这3个主要变量人手测试所构建模型的工作性能。具体测试方案为1变人口油温。在保持冷却水流量为28MS、冷却水温为25C的条件下，使入口油温从6O阶跃升至63T2，观察出口油温随时间的变化情况。2变冷却水流量。保持入口油温为60，冷却水温为25C时，冷却水流量从28MS阶跃减少至18MS，观察出I1油温随时间的变化情况。3变冷却水温度。在保持人口油温为60、冷却水流量为28MS的条件下，冷却水温从25阶跃升至28，观察出口油温随时间的变化情况。测试结果如图3所示，曲线TEST13分别表示变入口、越赠图3变参数时出口油温测试图油温和变冷却水流量及温度时出口油温的测试图。测试结果表明在人口油温升高，或冷却水流量减少，或冷却水温升高的情况下，出口油温随着时间的推移会有所升高，但最终油温会趋于稳态且处于要求范围内。这种映射关系表明，该仿真系统稳定且收敛，变化趋势符合现实规律。在冷油器实际运行中，入口油温与冷却水温都不可调，因此，冷油器出口油温主要是由冷却水流量来控制，而冷却水流量的调节又是通过阀门开度的大小来实现。因此，利用所构建模型得到了出口油温与阀门开度的关系曲线，如图4所示。该关系陆线的设定条件为入口油温为60，冷却水温为25，冷却水最大流量为60MS。、越赠图4出口油温与阀门开度的关系曲线2油温模糊控制器的设计对于汽轮发电机组，在实际运行中运行人员往往依靠操作经验进行冷油器调节，这种调节方法具有较大的主观性和不确定性，因此设计模糊控制器对冷油器出口油温进行控制，其目的是使出口油温稳定在一个设定范围内。为简化建模过程，这里仅选择出口油温规定界限的中间值46C作为出口油温设定值进行仿真设计。21设计方案采用一维模糊控制器，其输入是设定值与冷油器出口油温的测量值ET。模糊控制器的输出变量为冷油器冷却水的开度D。输入变量E的论域为一5，5，其隶属度函数采用三角函数和梯形函数，其隶属度函数图形如图5A所示；输出变量D的论域为0，1，其隶属度函数也是采用三角函数和梯形函数的复合，其隶属度函数图形如图5B所示。模糊控制器的规则如表1所示。表1模糊控制器规则上述隶属度函数及控制规则都是根据此台冷油器的工作特性得到。在实际情况中，隶属度函数与控制规则需要根据运行中冷油器的操作经验规律来选择。第1期李钰冰等汽轮机润滑油温模糊控制系统的仿真设计3L堪噻描趟噬髅输入输入图5隶属度函数图形22模型建立根据上节的设计方案，并结合MATLAB的SIMULINK功能，建立了冷油器油温模糊控制器的SIMULINK连接图，如图6所示。蝌制器L厂图6模糊控制器模型3仿真结果及相关分析1将入口油温设定为62C、64、66，冷却水温度设定为25。在此条件下进行模糊控制器对冷油器的温度调节仿真试验。仿真结果如图7所示，其中曲线TEST13分别是人口油温为62、64、66的情况下系统的调节曲线。2将人口油温设定为62，冷却水分别设定为22C、25、28C。在此条件下进行仿真测试。系统的调节情况如图8所示，其中TESTI一3分别是冷却水温为22C、25、28时系统的调节曲线。由图7可知，在冷却水温为25，入口油温变化的情况下分别为62C、64、66，系统的出口油温最终都能稳定在46T2附近，稳态误差不超过1，过渡过程时间都小于300S。由图8可知，在入口油温为62，冷却水温变化的情况、越赠P、越赠图7不同入口油温的调节曲线图8不同冷却水温的调节曲线下分别为22、25C、28C，系统的出口油温最终也能稳定在设定值46附近，稳态误差也不超过1，过渡过程时间都小于300S。以上两组测试的结果表明，此模糊控制系统完全能够满足系统要求。在轴承回油油温与冷却水温度发生变化的情况下，通过对冷却水量阀门开度的控制来实现对出口油温的调节，使冷油器出口油温可保持在43一49内，以保证汽轮机轴承温度稳定在正常的温度范围内，进而确保汽轮发电机组的安全运行。4结论本文以某真实电厂冷油器为原型，根据冷油器的简单数学模型进行建模，并对影响冷油器出口油温的主要因素入口油温、冷却水流量及温度等进行相关测试，测试结果证实了所建模型的正确性。由于在运行过程中油温与水温不可控，故尝试对阀门开度即冷却水流量进行控制以实现出口油温调节的自动化。仿真试验结果表明1所设计的控制器可通过控制冷油器冷却水阀门开度大小来实现对冷油器出口油温的调节。2系统能在300S内达到稳定，出口油温保持在46左右，误差不超过1，满足冷油器的控制要求，确保出17I油温在4349之间。3采用的模糊控制器一维控制器，虽利于模型的建立及隶属度函数和规则的确定，但控制精度有待于进一步提高。本文研究结果可为汽轮机冷油器油温的自动控制提供相关参考。下转第8页8汽轮机技术第52卷基宝、罂图11不同拉紧力下转子的幅频特性曲线左右，二阶I临界转速增加了L660RMIN左右，可见拉杆的拉紧力对拉杆转子的影响是比较大的。6结论通过对上述分布式拉杆转子模型的计算分析，可以得到以下几个结论1本文提出的接触刚度模型考虑了转角的变化，在小转角情况下，所得的刚度值与文献4的方法计算结果一致；在转角较大时，刚度值与转角呈指数关系增长。2轮盘问的接触刚度随拉紧力的增加逐渐增加，并趋近于常数。3拉杆转子各阶临界转速随着接触刚度的增加都逐步增大，并趋近于连续转子所对应的各阶临界转速。上接第3L页4拉紧力的大小对拉杆转子的临界转速影响比较大。参考文献1林公舒，杨道刚现代大功率发电用燃气轮机M北京机械工业出版社20072刘万琨，魏毓璞，赵萍，等燃气轮机与燃气一蒸汽联合循环M北京化学工业出版社，20063焦树建燃气一蒸汽联合循环M北京机械工业出版社，20004饶柱石拉杆组合式特种转子力学特性及其接触刚度的研究D哈尔滨工业大学博士学位论文，19925饶柱石，夏松波，汪光明粗糙平面接触刚度的研究J机械强度，1994，1627L一756饶柱石，夏松波，汪光明组合式特种转子振动模态的实验研究与计算J振动与冲击，1996，15168707QJY，RUIG，ZHENPINGFANALYSISOFDYNAMICCHARACTERISTICSOFGASTURBINEROTORCONSIDERINGCONTACTEFFECTSANDPRETI【GHTERINGFORCECPROCEEDINGSOFASMETURBOEXPOBERLINGERMANY，2008GT2008503968高锐，袁奇，高进，等燃气轮机拉杆转子有限元模型研究及临界转速计算A中国动力工程学会透平专业委员会2008年学术研讨会论文集C南京20089施丽明，张艳春拉杆式模型转子固有频率的试验与研究J振动与冲击，200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