（核能科学与工程专业论文）直流蒸汽发生器压力控制方法研究.pdf

c l a s s if i e di n d e x u d c ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho np r e s s u r ec o n t r 0 1o ft h e o n c e t h r o u g hs t e a mg e n e r a t o r c a n d i d a t e l i u p e n g s u p e r v i s o r p r o f s h ix i a o c h e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y n u c l e a rs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n j a n u a r y 2 010 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n m a r c h 2 010 u n i v e r s i t y h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 3删5 i 0 i 9 0舢8 川 脚y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由 作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在 文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 彳0 孵 f 一 一 日期 少 o 年多月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定 即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学 哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 可以公布论文的全部内容 同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学 涉密学位论文待解密卮适用本声明 本论文 d 在授予学位后即可醢授予学位1 2 个月后口解 密后 由哈尔滨工稗大学送交有关部门进行保存 汇编等 作者 签 t 例研导师 签字 拍抓 日期 二年3 月77 日a b o 年岁月 7 日 哈尔滨l 稃人学硕十学何论文 于陶妥 蒸汽发生器是连接压水堆一 二回路的重要热交换设备 被称为一 二 回路的枢纽 蒸汽发生器的主要功能是把一回路冷却剂从反应堆堆芯带走的 热量经蒸汽发生器管壁传给二回路中的水 使之产生蒸汽 带动汽轮机做功 蒸汽发生器可分为自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器 本文的研究 对象是螺旋盘管式直流蒸汽发生器 其压力控制直接影响出口蒸汽的品质和 蒸发器的安全 因此 对直流蒸汽发生器压力控制问题进行深入研究具有重 要意义 直流蒸汽发生器的物理过程 是一个非常复杂的过程 具有非线性 参 数时变性和各种扰动不确定性的特点 难以获得系统的精确数学模型 采用 传统p i d 控制方法并不能得到令人满意的效果 在深入分析神经网络控制原 理的基础上 本文的研究重点在于把神经网络控制与传统p i d 控制相结合以 设计性能更优良的控制系统 利用单神经元的自学习能力 在线实时地调整 参数 并在借鉴p s d 算法的基础上提出了增益自适应算法 使控制器的增益 具备了自整定功能 具有较强的鲁棒性 适于直流蒸汽发生器压力控制 将本文提出的控制策略应用于螺旋盘管式直流蒸汽发生器压力控制对 象 并作了仿真试验 试验结果表明 在温度扰动 负荷扰动 温负同扰等 各种条件下 所设计的控制系统可有效控制直流蒸汽发生器 无静态偏差 超调量小 优于串级前馈一反馈控制系统 是一种有效的控制方法 关键词 直流蒸汽发生器 数学模型 p i d 控制器 单神经元 一 a b s t r a c t s t e a mg e n e r a t o r s g a ni m p o r t a n th e a te x c h a n g e rt h a tc o n n e c t sp r e s s u r e d w a t e rr e a c t o r s p r i m a r yl o o p w i t hs e c o n d a r yl o o p i s c o n s i d e r e dt h a tt h e i n t e r s e c t i o no fp r i m a r yl o o pa n ds e c o n d a r yl o o p t h em a i nf u n c t i o no fs t e a m g e n e r a t o ri st r a n s f e r r i n gt h eh e a tf r o mt h e r e a c t o rc o r ec a r r i e db yp r i m a r ys i d e c o o l a n tt os e c o n d a r ys i d ew a t e rt h r o u g hu t u b e t h e ns e c o n d a r ys i d ew a t e rc h a n g e i n t os t e a mw h i c hi sc a r r i e dt ot h et u r b i n e s t e a mg e n e r a t o rc a nb ed i v i d e di n t on a t u r a lc i r c u l a t i o ns t e a mg e n e r a t o ra n d o n c e t h r o u g hs t e a mg e n e r a t o r t h i so b je c to fs t u d y i st h eh e l i c a lc o i lo n c e t h r o u g h s t e a mg e n e r a t o r i t sp r e s s u r ec o n t r o lh a sad i r e c te f f e c to ns t e a mq u a l i t ya n dt h e s a f e t yo fs t e a mg e n e r a t o r t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y f o ru st oc o n t r o l a n di ti sv a l u a b l et oh a v es t u d yo np r e s s u r ec o n t r 0 1 p h y s i c a lp r o c e s so fo n c e t h r o u g hs t e a mg e n e r a t o ri sa v e r yc o m p l e xp r o c e s s i ti sp r o v i d e dw i t hn o n l i n e a r p a r a m e t e rv a r i a b i l i t ya n du n c e r t a i n t yc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ev a r i o u sd i s t u r b a n c e s s oi ti sh a r dt oc o n t r o lp r e s s u r eo fo n c e t h r o u g hs t e a m g e n e r a t o rs a t i s f a c t o r i l yb yt r a d i t i o n a lp i d m e t h o d s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi n d e p t ht h ep r i n c i p l eo ft h e n e u r a ln e t w o r k t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e d o nt h e a p p l i c a t i o n so fn e u r a ln e t w o r ki nc o n t r o ls y s t e m m a k i n gu s eo f i ts e l f 1e a r n i n g a b i l i t y b a s e do i lp s da l g o r i t h m t h ep a p e rp r o p o s e st h eg a i na d a p t i v ea l g o r i t h m t om a k et h eg a i no ft h ec o n t r o l l e rh a v es e l f a d a p t i v ea b i l i t y i th a s e x c e l l e n t r o b u s t n e s sc h a r a c t e r i s t i c s i ti sf i tf o rt h ep r e s s u r ec o n t r o lo fo n c e t h r o u g hs t e a m g e n e r a t o r t h e nt h ep r o p o s e ds t r a t e g yi sa p p l i e dt op r e s s u r ec o n t r o lo ft h eh e l i c a lc o i l o n c e t h r o u g hs t e a mg e n e r a t o r t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tu n d e rt h i s c o n t r o ls t r a t e g yt h es y s t e mm a yo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e o u si n f l u e n c ea n di t h a ss m a i l e rm a x i m u mo v e r s h o o tt h a nt h ec a s c a d ef e e d f o r w a r d f e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m k e yw o r d s o n c e t h r o u g hs t e a mg e n e r a t o r m a t h e m a t i c sm o d e l p i dc o n t r o l l e r 哈尔滨 1 r t 大学硕十 位论文 第l 章 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 目录 绪论 1 概论 1 论文选题的背景及意义 2 国内外的研究现状 4 1 3 1基于经典控制理论的压力控制 4 1 3 2 基于现代控制理论的压力控制 4 1 3 3 蒸汽发生器水位智能控制方法 5 本文主要研究内容 6 螺旋盘管式直流蒸汽发生器 7 蒸汽发生器结构及原理概述 7 螺旋盘管式直流蒸汽发生器 8 直流蒸汽发生器的数学模型 9 2 3 1建模的基本假设 9 2 3 2 直流蒸汽发生器分段 9 2 3 3 稳态数学模型 l o 2 3 4 动态数学模型 一l l 2 3 5 直流蒸汽发生器动态特性的研究 1 3 本章小结 l7 直流蒸发器的串级p i d 控制系统设计 18 串级控制系统 1 8 3 1 1p i d 控制概述 l8 3 1 2 串级p i d 控制 2 0 前馈控制系统 2 3 3 2 1 前馈控制概述 2 3 3 2 2前馈控制的特点及结构形式 2 4 3 2 3前馈控制原理 一2 6 前馈一反馈控制系统 一2 8 3 3 1 前馈一反馈控制系统原理 一2 8 哈尔滨 1 柞大 宁 硕十学何论文 3 3 2 前馈一反馈控制的设计原则 2 9 3 4 直流蒸汽发生器的串级前馈 反馈控制系统 一3 0 3 4 1 直流蒸汽发生器控制系统分析 3 0 3 4 2 控制系统的工作过程 3 3 3 5 串级前馈一反馈控制仿真结果及分析 一3 4 3 6 本章小结 3 9 第4 章直流蒸汽发生器的单神经元自适应p i d 控制系统 4 0 4 1 单神经元的自适应p i d 控制 4 0 4 1 1 单神经元简介 4 0 4 1 2 单神经元p i d 控制器的构成及学习算法 4 2 4 2 单神经元p i d 控制器学习算法改进 4 5 4 2 1 增益自调整的单神经元p i d 控制器 4 5 4 2 2 算法改进 4 7 4 2 3 稳定性分析 4 8 4 2 4 单神经元p i d 控制器参数调整规律 5 0 4 3 单神经元自适应p i d 控制仿真结果及分析 5 0 4 4 本章小结 5 5 结论 5 6 参考文献 5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 6 2 致j 射 6 3 哈尔滨一f 程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 概论 目前的世界面临着三个相互联系的主要问题 自然资源短缺 主要指能 源 粮食和水 人口增长迅速 环境污染生态破坏 而严重的问题是潜在 的能源短缺 因为能源是满足人类一切物质需要的基础 是衣 食 住 行 和娱乐的基本保障 能源是人类生存 生活与发展的主要基础 能源科学与技术以及能源利 用的发展在人类社会进步中一直扮演着极其重要的角色 随着社会的发展 能源的需求也在不断扩大 为了缓解能源矛盾 除了应积极开发太阳能 风 能 潮汐能以及生物质能等再生能源外 核能是被公认的唯一现实的可大规 模替代常规能源的既清洁又经济的现代能源 核能动力是一种资源丰富 且极少污染环境的清洁能源 经过几十年来 的发展 核能在世界能源结构中 已占有重要的地位 尤其在化石燃料逐渐 枯竭 人类对保护环境同益重视的条件下 核能的重要性更加突出 在新的 世纪中 要求核电必需具有更高的安全性 可靠性和经济性 于是各种新型 堆应运而生 核能在人类生产和生活中的应用的主要形式是核电 核能发电具有以下 有优点 l 1 成本低廉 由于核燃料的能量高度集中 l k g 天然铀可代替 2 3 1 0 3 t 标准煤 因而大大节省燃料的运输费和存储量 在每千瓦小时的核电成 本中 燃料费不到1 4 燃料费在煤电成本中占4 0 6 0 在气电成本中占 6 0 7 5 今后化石燃料价格终将上涨 核电的经济竞争力是长期占优势 的 2 不受燃料运输的限制 煤 石油和天然气由于地理分布不均匀 对 许多国家和地区来说 保证其稳定的供应是一个大问题 一座电功率1 0 0 0 m w 的燃煤电厂每年需运人原煤3 5 1 0 6 t 同功率的核电厂仅需低富集铀燃料组 件3 0 t 燃煤电厂的发展尸 受到铁路运输容量的严重限制 而核电厂无此问题 3 污染环境轻微 一座1 0 0 0 m w 的燃煤电厂每年向大气中排放飘尘 哈尔滨t j 挥人学硕卜 学位论文 2 3 x 1 0 3 t s 0 2 5 1 0 1 0 4 t n o 2 3 x 1 0 4 t c o l 0 0 0 2 0 0 0 t c 0 2 6 7 1 0 6 t s 0 2 和n o 是酸雨的主要成因 c 0 2 引起的温室效益和全球气候变化 己引起国家社会的严重关注 此外 燃煤电厂每年排出数十万吨的灰渣 对 于当地也是一个沉重的负担 而灰渣中所含数百吨的有毒元素砷 镉 铅 钒 汞等一般不做封闭处理 核电厂则除向水体排放温水的热污染要大于火 电厂以外 在正常运行状态下 废物排放受到严密的控制和监督 排放的低 放射性气体 液体给周围居民造成的额外剂量负担甚小 一般不到天然本底 辐射剂量的1 现在的核电站在设计时充分考虑了核安全问题 严重事故 发生的概率极低 低于每堆年十万分之几 今后还会进一步降低 因此 核电被称为是 最新式 最干净 最方便 最安全 成本最低 的 可持续能源 在世界范围内发展非常迅速 蒸汽发生器 s t e a mg e n e r a t o r 是核电站中一个非常重要的热量交换设 备 在核反应堆中 核裂变产生的能量由冷却剂 高温高压水 带出 进入 蒸汽发生器 将热量传递给二回路的给水使其产生具有一定参数的蒸汽 饱 和蒸汽或过热蒸汽 此蒸汽再进入汽轮机中做功 转换为电能或机械能 在这个能量转换过程中可以看出 蒸汽发生器既是一回路设备 又是二回路 设备 所以被称为一 二回路的枢纽弘1 同时一回路水经堆芯具有放射性 蒸汽发生器承担了防止二回路被污染的生物防护屏障p 1 实际运行经验表明 蒸汽发生器能否安全 可靠地运行对整个核动力装置的经济性和安全可靠性 有着十分重要的影响 蒸汽发生器可分为自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器 这两种蒸汽 发生器各有其特点 适用于不同的情况 本文的研究对象是螺旋盘管式直流 蒸汽发生器 1 2 论文选题的背景及意义 直流蒸汽发生器结构简币 静念特性好 有良好的运行机动性p 1 但是 其对给水控制要求较高 而准确建模对于优化控制策略 提高控制品质显得 尤为重要 直流蒸发器为典型的多变量非线性系统 对其建立详细的非线性 模型十分困难 在国内 由于新型船用核动力装置拟采用直流蒸汽发生器 因此对直流 一 哈尔滨r i 稃人 学硕 学何论文 蒸汽发生器的研究和探讨也在逐渐展丌 根据新型船用核动力装置的运行方 案的要求 直流蒸汽发生器过热蒸汽的压力必须控制在规定范围之内 而且 船用核动力装置变负荷特性 导致产生蒸汽量的变化 如何保证要求的干度 和蒸汽压力的稳定 也必须进行蒸汽压力控制策略研究 由于直流蒸汽发生 器水容积小 蓄热能力小 因此对控制要求高 为了进一步提高直流蒸汽发 生器的控制水平 智能控制策略的研究是非常必要的 从直流蒸汽发生器动态特性分析可知 1 当蒸汽负荷减小时 二回路蒸汽压力迅速上升 但由于蒸汽流量的 增加 它从管壁吸热量也增加 因此压力又逐渐减小 2 二回路给水流量降低 由于单位质量的水吸热量上升 二回路压力 上升 但随着给水流量的降低 二回路产生的蒸汽量减少 压力又逐渐降低 最后趋于稳定 3 一回路主载热剂温度随时间逐渐下降 它通过金属管壁传递给二回 路的热量也相应减少 二回路蒸汽温度随之降低 压力随之升高 当主载热 剂温度稳定下来之后 二回路内水由于吸热量减少 转化为蒸汽的比例也降 低 因此二回路蒸汽压力又慢慢降低 但一回路载热剂温度扰动相对于负荷 与给水扰动来说 对二回路蒸汽压力的变化的影响要小 4 在动态过程中 直流蒸汽发生器各段长度均发生很大变化 蒸干点 是变化的 在过热蒸汽压力变化很小时 过热蒸汽温度变化很大 这对于螺 旋盘管热疲劳分析是相当重要的p 直流蒸发器的各段长度均发生变化 所受干扰因素多 具有不确定性和 非线性等特性 在负荷扰动下 压力出现了较大的波动 在实际工作过程中 如果出现较大压力波动 易造成二回路管子破裂事故 在压力控制过程中 各种不确定性破坏了系统的稳定性及静 动态性能 为了克服不确定性因素 对系统品质的影响 必须使设计的系统具有鲁棒性 即系统在不确定因素 有 干扰和建模误差 扰动下具有使特性 稳定性 最优性 不变的能力 从而 使系统具有较好的稳定性及静 动态性能 保证核动力装置安全 可靠的运 行 哈尔滨f 柞人号 硕十 伊论文 1 3 国内外的研究现状 目前 大多数直流蒸汽发生器压力控制采用传统p i d 控制方法 为提高 直流蒸汽发生器的压力控制效果 国内外提出了多种方法 1 3 1基于经典控制理论的压力控制 在过程控制中 p i d 控制是常用的方法 该方法具有直观 实现简单和 鲁棒性好等优点 常规p i d 控制系统通过比例环节 积分环节 微分环节对误差信号进行 处理并产生控制输入量 进而对被控对象进行控制 其控制规律为 k p m f 寺扣 d r 半 1 1 式中 k 口为比例系数 t i 为积分时间参数 t d 为微分时间常数 p f 为 误差 在直流蒸汽发生器仿真模型的建立中 首先对模型进行合理假设 然后 根据水在管内的状态和热工水力的不同状态 将传热管分为4 段 预热段 核沸腾段 膜沸腾段和过热段 分别针对一次侧和二次侧建立质量连续方程 动量方程和能量方程 针对管壁建立能量方程 构成直流蒸汽发生器仿真模 型 6 1 但是直流蒸汽发生器是一个高度复杂的非线性 时变非最小相位系统 具有较小的稳定裕度 欲在变工况运行情况下获得良好的控制效果 往往需 要改变p i d 控制器的参数和增益 由于模拟控制系统p i d 控制器的参数难以 实现在线整定 其增益也不能调得过高 否则会引起控制系统闭坏不稳定 因此 难以满足核动力装置瞬念情况下的自动控制要求 1 3 2 基于现代控制理论的压力控制 控制理论及计算机技术的发展使复杂的控制策略在实际中能够容易实 现 人们考虑采用更为先进的控制方法设计压力控制器 于是提出采用串级 p i d 控制方法实现其控制 若将所有对被控参数的扰动都包含在一个控制回 路之内 由流量调节器调节入口流量 构成简单的压力控制系统 则控制通 道长 时间常数和容量滞后较大 控制作用不及时 系统克服扰动的能力较 4 哈尔滨f 样火学硕十学何论文 差 压力控制效果不是很好 为了能及时克服各种扰动 选择二回路工质出口压力为被控参数 选择 二回路工质入口流量作为中间辅助变量 构成出口压力和流量的串级控制系 统 给水流量反馈 对于给水侧扰动 能及时克服 提高了控制系统的动态 响应品质 同时引入蒸汽流量信号 使蒸发器的蒸汽负荷变化时 蒸汽流量 与给水流量偏差迅速增加 从而使副控制器控制输出 不仅有效的限制压力 在规定范围内 而且按蒸汽流量与给水流量偏差克服负荷变化的影响 减少 了压力波动 仿真计算结果表明 所设计的串级系统基本能满足直流蒸发器 压力控制的需要 并且控制效果较好 1 3 3蒸汽发生器水位智能控制方法 模糊理论由美国加利福尼亚大学著名学者l a z a d e h 教授于1 9 6 5 年首先 提出p 1 模糊集合的引入可将人的判断与思维过程用比较简单的数学形式直 接表达出来 从而对复杂系统做出合乎实际及人类思维方式的处理成为可能 为处理客观世界中存在的一类模糊性问题提供了有力的工具 1 9 7 4 年 英国 伦敦大学教授m a m d a n ieh 研制成功第一个模糊控制器 其控制方法的特点 是把人的经验转化为控制策略 为模型未知的复杂系统控制提供了简便的模 式 取得了优于常规调节器的控制品质 为提高常规p i d 控制系统的控制效果 将模糊自适应整定技术应用于常 规p i d 控制系统中 p i d 参数模糊自整定的方法是找出比例项p 积分项i 微分项d 的参数与误差 e 及误差变化 e 之问的模糊关系 在运行中 通过不断检测e 和e 根据模糊控制原理对比例系数岛 积分系数k 微分 系数k d 等3 个参数进行在线修改 以满足不同e 和e c 时对控制参数的不同要 求 使被控对象有良好的动 静态性能 模糊自适应整定p i d 控制系统以e 和e 作为输入 可以满足不同时刻的e 和e 对 参数自整定的要求p 1 利c p i d 用模糊控制规则在线对p i d 参数进行调整 构成j 模糊自适应整定p i d 控制 系统一 为减少一回路给水温度 蒸汽发生器给水流量和蒸汽流量的扰动 采用 三冲量控制系统将扰动信号反馈到控制系统中 提高了抗干扰能力 对直流 蒸发器的仿真结果分析表明 所设计的三冲量模糊自适应整定p i d 控制系统 哈尔滨 i 稃人学硕十 学何论文 可以实现对直流蒸汽发生器的有效控制 具有响应快 超调量小 较强抑制 干扰能力等良好性能 0 1 1 4 本文主要研究内容 直流蒸汽发生器控制系统是具有大滞后 非线性 时变和干扰的不确定 等特性的多变量系统 在大蒸汽流量扰动情况下 参数变化范围广 使直流 蒸汽发生器压力控制在大蒸汽流量扰动下成为难题 传统的固定参数p i d 控 制方法难以兼顾动态性能与静态性能的控制要求 且不能满足全工况的运行 控制要求 实践证明 无论是采用最早的模拟p i d 控制方法还是后来采用的 数字p i d 控制方法 直流蒸汽发生器控制系统的控制性能仍不尽如人意 而 模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制 但是它依赖于 对对象特性的充分了解 人工操作经验和领域专家知识 因此 需要研究控 制直流蒸汽发生器更有意义的方法 本文旨在研究直流蒸汽发生器的控制方法 主要研究单神经元p i d 控制 方法 本论文工作的主要内容有 1 采用的数学模型是针对螺旋盘管式直流蒸汽发生器所建立的数学模 型 根据直流蒸汽发生器的特点 按照二回路工质的状态将其划分为预热段 核态沸腾段 膜态沸腾段和过热段 并根据直流蒸汽发生器的建模基本假设 建立并简化其稳态数学模型及动态数学模型 分析了其动态工作过程 2 设计直流蒸汽发生器的串级前馈一反馈控制系统 分析直流蒸汽器 控制系统的要求 结构及工作过程 选择串级控制系统中主 副控制器 并 分析串级控制的控制规律 设计系统的前馈补偿回路 为此设计了串级前馈 一反馈控制系统 3 设计直流蒸汽发生器的单神经元p i d 控制系统 采用不用系统模 型进行单神经元p i d 控制器的设计方法 根据直流蒸汽发生器的动念过程估 计非线性切换曲线 因而设计了直流蒸汽发生器的啦神经儿p i d 控制器 4 得出直流蒸汽发生器的不同控制方法在不同的典型扰动下的控制仿 真结果 并进行了比较与分析 6 哈尔滨i 稃人学硕十学何论文 第2 章螺旋盘管式直流蒸汽发生器 世界各国对于核能的利用逐步增加 作为核动力装置关键性设备之一的 蒸汽发生器的设计 实验和研究更是受到广泛重视 它能安全 可靠地运行 对核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响 2 1蒸汽发生器结构及原理概述 蒸汽发生器是核动力装置的主要换热设备 它的工作原理过程可用核动 力装置系统简图 图2 1 来说明 图2 1压水堆动力装置系统简图 在反应堆中 核裂变产生的热能传给一回路载热剂 高温高压水由主循 环泵传送到蒸汽发生器 在其中放出热量后又被主循环泵打回反应堆 重新 加热后再被传送到蒸发器中去 这样周而复始就形成闭式的循环回路 称之 为一网路 哈尔滨i 稃人学硕十学何论文 在蒸汽发生器中 一回路载热剂热量通过传热管传给二回路工质 使之 预热 蒸发而产生饱和蒸汽 或过热蒸汽 品质合格的蒸汽被送往汽轮机 带动发电机发电 在汽轮机中做过功的蒸汽 进入冷凝器被冷却水冷却并凝 结成水 和补水一起被给水泵打到蒸汽发生器 重新被加热 这样周而复始 就形成另一个循环回路 称之为二回路 从装置的工作过程看 蒸汽发生器既是一回路设备 又是二回路设备 被称为一 二回路的枢纽 按二回路工质在蒸发器中的流动方式 可分为自然循环蒸发器和直流 强 迫循环 蒸汽发生器 自然循环蒸汽发生器是借助与上升通道和下降通道中汽水混合物与水的 比重差产生的力来推动工质运动并建立循环的 而在直流蒸发器中 工质的 流动依靠给水泵的压头来实现 外力强迫工质一次流经传热管 随着水沿传 热管的流动 水被载热齐l j j h 热 经预热 蒸发 过热而达到所要求的温度 所以直流蒸汽发生器也被称为循环倍率为1 的蒸汽发生器 按照二回路工质的流动情况 直流蒸汽发生器又可分为管内直流蒸汽发 生器和管外直流蒸汽发生器 在管外直流蒸汽发生器中 二回路工质在传热 管外流动 一回路冷却水在传热管内流动 管内直流蒸汽发生器则恰好相反 二回路工质在传热管内流动 一回路冷却水在传热管外流利 1 2 2 螺旋盘管式直流蒸汽发生器 本文所研究的螺旋盘管直流式蒸汽发生器 能产牛过热蒸汽 卜再需要 汽水分离 对汽轮机要求降低 产生过热蒸汽 又提高了热循环效率 这种 型式的蒸汽发生器具有以下优点 2 1 传热性能优于直管 结构布置紧凑 在单位空间旱具有更大的换热能力 有利于一体化布置 热膨胀自由 提 高了设备的安全性和可靠性 但是 由于螺旋管结构复杂 因此制造难度大 而且它对 次侧给水品质和传热管材的抗腐蚀性能要求较高 运行和控制方 面有特殊要求 蒸汽发生器同时受一 二回路工质的作用 故对安全性的要 求很高 这就要求对螺旋管式蒸汽发生器的各方面特性有充分的认识 采取 正确的控制方法 以确保蒸汽发生器的安全运行 蒸汽发生器是按满功率进行设计的 但在蒸汽发生器的实际运行中往往 哈尔滨 i 群人学硕 学位论文 需要改变其负荷的大小 由于蒸汽发生器负荷的变化将影响传热和温差 因 而也将影响冷却剂的温度和二回路的压力 为了在负荷变化时实现压力控制 首先应建立其数学模型 2 3 直流蒸汽发生器的数学模型 动态数学模型是用来描述对象在不稳定状态下各种参量随时间变化的数 学关系式 直流蒸汽发生器是一个复杂的能量转换设备 它具有明显的分布 参数特点 但是一个分布参数系统的数学模型是非常复杂的 而且通常都是 非线性的 为了简化模型 采用集中参数模型 将蒸汽发生器划分为几个区 段 对每个区段内的各种参数都分别用平均值来代替 这些区段的划分定义 了建立模型的控制边界 对每个区段都应建立质量方程 能量方程和状态方 程 以获得热力学特性 2 3 1 建模的基本假设 1 蒸汽发生器分为四个区域 其中每个区域都看作是一个独立的换热 器 2 对每个区域的每一回路分别建立质量方程 能量方程和状态方程 以获得介质热力学特性 3 在蒸汽发生器的工作过程中 会属管壁热惯性起着重要作用 因此 必须考虑两级热传递 第一级热传递是在一回路工质与金属管壁之间进行 第二级热传递是在金属管壁与二回路工质之间进行 4 汽水系统按工质状态分为单相区和双相区 单相区是指仅存在水或 水蒸气的单一工质的区域 包括预热段和过热段 双相区是指吸热过程中发 生相变的区域 即饱和蒸汽和饱和水共存的区域 包括核沸腾区和膜沸腾区 2 3 2 直流蒸汽发生器分段 一个蒸汽发生器可被分为以下四个区域 这些区域的边界根掘体积水 蒸汽比焓h 和蒸汽偏离核态沸腾点的质量x 来定义如下 3 1 1 预热段 h h f 及x x d n b 9 哈尔滨f 科人学硕十 学何论文 3 膜沸腾段 x d n b x i 4 过热段 x l 此处x d n b 是偏离核念沸腾点的质量 根据直流蒸汽发生器的特点 按 照二回路工质的状态由上述定义将其划分为预热段 核念沸腾段 膜态沸腾 段和过热段 各段管子的有效长度分别为l 8 l 6 l 4 和l 2 一回路载热剂 入口 出口流量w p l w p 9 入口 出口温度为t p l t p 9 二回路工质入 v 1 出口流量为w s 9 w s l 入v i 出口温度为t s 9 t s l 建起模型简化为 如下图 翌 里 二 二亟 二二工 堕堡 竖马 二 二巫口二二 二 塑 卜 一一 叫 i 卜 l l l 垦鱼il 垒ll 2i 预热段 核沸腾段膜段过热段 图2 2 直流蒸汽发生器各区段示意图 数学模型的基本假设 1 一回路载热剂的重度 比热和传热系数在各段缓慢变化 2 金属的重度 比热和导热系数在各段各自为常数 3 二回路工质的物理特性及热传导系数在每个区域内呈线性变化 2 3 3 稳态数学模型 认为蒸汽发生器处于满负荷状念 各区段一回路载热剂和二回路工质的 流量及温度均不发生变化 各参数值稳定不变 经过推导得到简化的稳态数 学模型如下 绯s2c p s 乙 一 乙 2 1 绯s q s2 钱s 2 2 统s c s 形 i 一形 正 2 3 g c s s 一 乙 2 4 绯e q e 瓯e 2 5 1 0 一 哈尔滨i 程人学硕十 z 何论文 q c s 6 哆5 t 5彬 t q p c p 4 0 一 s 乙s q t q q 瓯 c s 4 彬 c 一形 t g z c z 乙 2 3 4 动态数学模型 0 q p 一q z 瓯 既 l c s 2 形i i 一彤 正 若蒸汽发生器处于动态过程 简化的动态数学模型如下 d 乙s 出 d t f s ys g c p 8 一 乙 一q p d l 8 d t d r 8 d t 吗 一 d t d t 0 4 二一 出 c p 8 f r p 8 8 q p 8级 一q c m 8 y 8 1 8 形 i 乙s 讲 8 出 乙 讲 1 8 d t c s s f s ys 8 l gl g d t 形7 一彬5 彳 声6 甜芦6 d t f s ys 6 a 1 c p 6 s 乙s 一 一q e c p 6 f rp 6 t 6 t p 6d 1 6 1 6 d t 望互生一望 二里竺 二里 一盘皇笠 d t c m 6 f m y m 0 61 6 d t 刃4形5 一彬3b 声4 十 伊4 d l f s ys 4 b 1 c p 4 乙 一 s 乙s 一q p d 乙 出 c p 4 f p y 口4 1 4 q p 4 一q l l l 一q s 4 c m 4 f o t ym l l t p 4d 1 4 l m 乙4 讲4 l a m 2 6 2 7 2 8 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 1 8 2 1 9 2 2 0 2 2 1 2 2 2 哈尔滨 j 程人 学硕 学位论文 塑垒一o 乙 一 乃 一q p 乃 扰 一 二 二 二 二 一一 二 一 二 d t c p 2 f p yp 2 1 21 2 d t l 2 讲2 d t c m 2 f m y m l t 2 1 2 d t 盟 竺 二竺 一鱼堕 d t f s l 21 2 d t 塑蔓 竺i 互 丝 互 堡 一生堕 d tc s 2 f s ys 2 1 21 2 d t 2 2 3 2 2 4 2 2 5 2 2 6 式中 岛 6 2 各区段的有效长度 m 疗 传热管数 d 传热管一回路侧直径 m m d 传热管二回路侧直径 m m c 一回路有效截面积 m 2 l 管壁截面积 m 2 f 二回路流通截面积 m 2 c 口8 c p 6 c p 4 c p 2 各区段载热剂的平均比热 k c a l k g c y p y p 7 7 p 各区段载热剂平均重度 k l p 8 k l p 6 k p 4 k p 2 各区段载热剂平均传热系数 k c a l m 2 h c c 8 c 6 c 4 g i n 2 各区段管壁会属比热 k c a l k g c y y 各区段管壁金属重度 c 8 c 2 预热段 过热段工质的平均比热 k c a l k g c 以 以 预热段 过热段工质平均重度 k k k 4 k 2各区段工质的传热系数 k c a l m 2 h c 乙 乙 乙 乙 各区段进出口处载热剂温度 乙 乙 乙 乙 各区段载热剂平均温度 t t t c c 各区段出入1 3 处工质温度 t 互 互 互 各区段工质平均温度 l 乙 l l 各 又 段管壁甲均温度 l l l 乙 各区段管壁平均入口温度 乙 l 乙 l 各区段管壁平均出口温度 p 各区段进出口处载热剂流量 t h 职 彬 彬 彬 彬 各区段出入口处工质流量 t i l g q q q 各区段热剂放热量 j 1 2 哈尔滨i 稃大学硕十学位论文 q q q q 各区段上质吸热量 j 瓯 瓯 绋 q 卅 各区段管壁吸热量 j g 矗 g 矗 核沸腾段 膜沸腾段饱和水重量 蚝 g 影 g 芦 核沸腾段 膜沸腾段饱和蒸汽重量 k g 扣 饱和水比容 m 3 k g 笋 饱和蒸汽比容 m 3 依g a 核沸腾段汽水重量比 曰 膜沸腾段汽水重量比 e 过热蒸汽调节阀开度 只 过热蒸汽压力 k g c m 2 2 3 5 直流蒸汽发生器动态特性的研究 根据直流蒸汽发生器几种典型工况下的动态仿真结果图 分析二回路工 质压力的影响因素及影响过程 图2 3 是二回路温度及负荷发生扰动时的动 态仿真结果图 图2 4 是一回路给水温度变化时动态仿真结果图 p 型 胡 3 2 0 一 藩 3 1 9 o 4 06 08 0 1 0 01 2 0 时i j l j s a 一回路入口温度 哈尔滨厂柞人 硕十学何论文 l 型 三 复 呈o 5 鸯r 0 o 6 0 o2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 时阃 s b 二回路出口阀门丌度 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 时间 s c 二回路蒸汽出口流量 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 时 h j s d 二回路出口蒸汽压力 一 裔g嘲媾亡 礁留巨 哈尔滨 t r 1 人学硕十学位论文 p 一 蜊 囊 艇 蠹 p 一 魁 赠 j 一 o 为神经元控制器的增益 庀 为单神 经冗控制器的控制量 x l 七 工 七 z 尼 分别为单神经元的三个输入量 其表达式为 4 2 哈尔滨f 释大学硕十学侮论文 i i i i i 昌i 宣 i i i 昌宣 i i i 置i i i i i 萱宣j i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l l i i 薯i 肓昌 暑置宣置宣i i i i i i i i i i i ix l 尼 r k 一y k e k x 2 尼 a e k p 七 一p 七一1 4 1 l x 3 七 p 尼 一2 e k 一1 e k 一2 这种取法有明显的物理意义 x k 反映了系统误差 相当于积分项 x 七 反映了系统误差的一阶差分 相当于比例项 x 3 尼 反映了系统误差 的二阶差分 相当于微分项 单神经元的输出表达式为 3 u k 七一1 k 乏 w f 七 x f 七 4 2 t l 单神经元控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应 自组织功能的 而加权系数的调整是按照一定的学习规则来实现的 单神经元网络有三种常 用的学习规则嗍3 5 1 1 无监督h e b b 学习规则 h e b b 学习是一种相关学习 它的基本思 想是 如果有两个神经元同时兴奋 则它们之间的突触权值的增强与它们的 激励的乘积成正比 则h e b b 学习规则可用下式表示 6 w j k r o f 七 d 尼 4 3 式中 w o 表示神经元j 到神经元i 的突触权值 d 表示神经元i 的输出 值 0 表示神经元j 的输出值 r l 为学习速率 2 有监督6 学习规则或w i d o w h o f f 学习规则 在h e b b 学习规则中 引入教师信号 将上式中的o i 换成网络期望目标输出d 与实际输出o 之差 即为有监督万学习规则 0 尼 q d f 尼 一o i 尼 d 七 4 4 上式表明 两神经元间的突触权值的变化量与教师信号d 和网络实际输 出o j 之差成正比 3 有监督h e b b 学习规则 将无监督h e b b 学习规则和有监督艿学习 规则两者结合起来 组成有监督h e b b 学习规则 即 k q d f 惫 一o i k j o f 七 d k 4 5 这种学习规则使神经元通过关联搜索对未知的外界做出反应 即在教师 信号d i k 一0 i 七 的指导下 对环境信息进行相关学习和自组织 使相应的输 出增强或削弱 4 3 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 本系统中单神经元p i d 控制器采用有监督的h e b b 学习规则 该算法中 权值系数w i k 和神经元的输入 输出和误差信号相关 w i k 1 1 一c m 足 r l v f 七 4 6 v 尼 z 尼 尼 x f 尼 4 7 式中 巧 为学习速率 叩 0 z k 为输出误差信号 z k y k 一y k e k c 为常数 通常取0 1 之间的数 由式 4 6 和式 4 7 可以推出 w f 七 w i k 1 一嘶 七 一c w i k 一q iz k u k x f 七 4 8 c 如果存在某函数z 七 z 尼 尼 一 尼 使得 当 w f 七 一丑z 忌 k x i 七 4 9 o w i c 则式 4 8 可以写成 匀 z x w k 一c 生 4 1 0 眺 上式表明 加权系数的调整按函数丘 对应于 七 的负梯度方向进行搜 索 应用随机逼近理论可以证明 当常数c 充分小时 w i k 可以收敛到某一 稳定值 而且与期望值的误差在允许范围内 为了保证式 4 8 的收敛性 将上述学习算法进行规范化处理如下 尼 u k o k z 尼 x 露 w i k 盟 4 1 1 w i k 1 w f 七 1 w 七 r l f z k u k x f 七 i 1 2 3 式中 w i k 二盟是为了保证该学习算法的收敛而进行的规范化处 j w 七 i i l 理 七为神经元的增益 比例系数 它对系统的快速跟踪和抗干扰能力有 较大的影响 对于不同的权值 学习速率采用不同的值 以便根据需要对各 自对应的权值进行调整 其取值可由实验或仿真确定 哈力 滨 稃人学硕十学f 市论文 4 2 单神经元p i d 控制器学习算法改进 4 2 1 增益自调整的单神经元p i d 控制器 相对于p i d 控制算法而言 单神经元p i d 控制算法对给定信号的响应速 度较慢 即上升时间较长 动态恢复缓慢 而且从学习算法中可以看出 该 控制器的增益是根据控制效果来手动调整的 不具备自整定功能 这是其不 足 在单神经元自适应p i d 控制中 调节神经元控制器的增益k 对开环放 大倍数较大的被控对象 它应能起到衰减神经元的控制作用 消除系统的响 应超调和振荡对神经元学习的不利影响 对开环放大倍数较小的被控对象 则应能增强神经元的控制作用 加快系统的响应速度 实验证明 k 取得较 大时 系统响应速度快 但会有超调 k 取得较小 系统响应比较慢 因此 k 的取值对神经元控制系统的性能产生很大的影响 尤其是对于开环增益不 确定的对象 k 的取值应随着对象的开环增益的变化而自动调整 这就要求 控制器具有自动调整增益的能力 一般自适应控制算法需要对过程进行辨识 然后设计自适应控制律 这 样必须在每个采样周期中进行一些复杂的数值计算 且由辨识所得的数学模 型其准确性也很难保证 因而限制了自适