0 引　言

船用蒸汽发生器，具备能源转换、能量供应以及动力支持等作用^[1]，但由于给水不及时或供水过满造成的设备损坏问题不在少数，影响运行稳定性和安全性。基于此，对船用蒸汽发生器给水水位进行实时监控非常有必要^[2-3]。

综合上述问题，本文提出一种考虑PLC技术的船用蒸汽发生器给水水位监控方法。可编程序逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）属于一种编程监控技术，根据舰船蒸汽发生器的实际现场情况。监控算法考虑到蒸汽发生器的实时变化影响，以箱内外压差作为参照变量，根据压差变化得到具体的水位变化^[4]。本文方法可以避免除水位外的其他因素混淆影响，提高了监控的精准度、实时性以及实际贴合能力，整体算法所需运算量较小，简单易实现。

1 蒸汽发生器水位瞬态状态分析

由于船用蒸汽发生器给水水位变化受多种因素影响，为提高后续监控的精准性，只考虑蒸汽发生器内部质量和压差能量变化导致水位变动^[5]，对不同给水、出水情况下流动通道内流体质量及能量守恒关系，能量守恒方程为：

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} = - \frac{1}{A}\frac{{\partial W}}{{\partial z}}，$

(1)

$ \frac{{\partial \left( {\rho h} \right)}}{{\partial t}} = - \frac{1}{A}\frac{{\partial \left( {Wh} \right)}}{{\partial z}} + \frac{{{q^2}}}{A} + \frac{{\partial P}}{{\partial t}}。$

(2)

式中： $ A $ 为蒸汽发生器流通面积； $\ \rho $ 为水流密度； $ W $ 为水流质量； $ {q^2} $ 为流线密度； $ t $ 为测试时间； $ P $ 为发生器质量； $ \partial $ 为守恒参数。

根据上述得到的水体线性变化模式可得到流动水体的具体表达状态：

$ \left\{ \begin{aligned} \dot x = {A^2}x + {B^2}u ，\\ \dot y = {C^2}x + {D^2}u 。\\ \end{aligned} \right. $

(3)

式中： $ {A^2} $ 为水体状态变化矩阵； $ {B^2} $ 为水体输出矩阵； $ {C^2} $ 为状态反馈矩阵； $ {D^2} $ 为最终的水体实时状态变化矩阵。通过上述过程对船用蒸汽发生器给水实时状态的分析^[6]，得到进水和出水状态下，水体线性瞬态变化，根据实时变化值为后续监控算法提供初步判定标准。降低因环境状态判定失误导致监控误差问题，并通过初步线性函数判定，避免监控目标查找失败发生，提高整体监控性能。将上述水位用曲线学形式进行描述如图1和图2所示。

可以看出，随着测试时间的不断增长，水位出现上升、发生器水箱两侧压力存在下降现象。根据上述过程给出状态运算函数，可精准求解到水体状态与其他参数之间的关联关系，有助于后续监控。

2 船用蒸汽发生器给水水位监控 2.1 基于PLC技术的监控参数变量分析

考虑船用蒸汽发生器给水水位监控容易受外界（船体涨水、天气以及空气蒸发）等因素干扰，还因为监控点与接收点之间存在时延，所以监控误差较大。本文采用PLC技术的（比例+积分+微分）运算公式，将给水水位瞬态变化参数作为初步运算的模拟量，对下一步监控参数进行调节控制，使计算过程更符合船用蒸汽发生器的实际变化情况，提高监控精准度。

设定初始水位输出变量为 $ M\left( t \right) $ ，函数表达式为：

$ M\left( t \right) = {K_c}e + {K_c}\int_0^t {e{\rm{d}}t + } {M_{initial}} + {K_e}{\rm{d}}e/{\rm{d}}t。$

(4)

式中： $ {M_{initial}} $ 表示控制回路输出的初始值； $ {K_c} $ ， $ {K_e} $ 分别表示在 $ c $ ， $ e $ 点的偏差增益。为保证算法的实际应用性能，设定水位传感器，将现场数据输入到式（4）中，采用PLC算法求得回路表输出值，即为后续监控的判定因子。但由于现场变动因素过多，得到的输出值需要不断进行模拟演化后，发送至接收器中，给后续监控算法需要考虑的详细参照变量。

2.2 监控算法实现

以上述得到给水水位参照变量函数为基础，建立船用蒸汽发出器水位变化模型，分析导致水位变化的详细判定参数如：水位线、水密度、管内压强差变化等，根据这些动态值和PLC技术实现有效监控。

通常情况下，蒸汽发生器的水位测量点布置在下降通道环形空间内，该环形空间内的水位变化通常是因为内外压强差变动引起的，但要想获得最为精准监控数据，不仅要考虑压强差，还要考虑水密度以及零水位压差变化。

为了提高监控算法的及时性，在蒸汽发生器外部设置压差传感器、引压管以及液柱等装置，采用压差式测量原理，采集冷凝管上部的与内部之间的压差值，并传输到监控接收器中，表达式为：

$ {P_A} = {P_V} + {\rho _1}g\left( {h + {L_1}} \right) + {\rho _V}g\left( {{L_0} - h - {L_1}} \right)，$

(5)

$ {P_B} = {P_V} + {\rho _\chi }g{L_2}，$

(6)

$ \Delta P = {P_B} - {P_A} = {\rho _\chi }g{L_2} - {\rho _1}g\left( {h + {L_1}} \right) - {\rho _V}g\left( {{L_0} - h - {L_1}} \right)。$

(7)

式中： $ {\ \rho _1} $ 表示下降通道混合水密度； $ {\ \rho _V} $ 表示正常情况下蒸汽密度； $ {\ \rho _\chi } $ 表示参照管内水密度； $ g $ 表示蒸汽发生器质量； $ {L_0} $ ， $ {L_1} $ ， $ {L_2} $ 分别外部供给水箱初始、发生器满水以及零水位高度值。由此，得到最终的监控函数 $ \ \beta \left( \lambda \right) $ 为：

$ \beta \left( \lambda \right) = \frac{\xi }{\zeta }\frac{{\Delta P - \Delta {P_0}}}{{\Delta {P_{100}} - \Delta {P_0}}}。$

(8)

式中， $ \lambda $ 表示最终水位。可知，当蒸汽发生器外部传感采集到压差数据后，与求得的零水位和满水位数据进行计算，即可得到最终实时水位值，完成监控。

3 实验测试 3.1 测试背景

为保证实验质量和监控结果的参考性，以不同的变化条件为测试环境，验证本文监控方法在不同情况下的实用效果。测试条件分别为：给水温度升高、给水流量突然减少2种情况。实验涉及到的详细参数如表1所示。

3.2 不同情况下给水水位监控结果研究 3.2.1 基于给水温度升高的水位监控分析

在给水水温升高条件下，运用本文方法监控此时给水水位的实际变化。船用蒸汽发生器最高水位为2 m，水温变化为32℃～72℃。蒸汽发生器控水系统包含：主回水和循环混合室、发生器水箱，其中，混合室内水处于循环流动状态，水位一般在0.4 m左右不变。实验结果如图3所示。

可以看出，随着蒸汽发生器水温的不断上升，其水位有着先升高后下降的变化趋势，其升位点在56℃，持续变化至66℃后停止上升。这是因为，蒸汽发生器内温度上升，会导致水体沸腾，含汽量增加，使得箱内和箱外俩相流动减弱，导致给水水位升高，由此对比，发现本文监控方法结果符合给水温度升高下的水体变动情况，监控精准度较高。

3.2.2 基于给水流量突然减少的水位监控分析

图4给出在给水流量突然减少的情况下，本文方法对蒸汽发生器给水水位变化的具体监控结果，在360 s减少给水流量。

可以看出，在该环境下，本文方法监控到主回路和循环下水道的水位变化呈现开始和结尾稳定、中间区域波动较大的现象。说明此时发生了给水流量突然减少的情况，由于给水量短时间内突然下降，导致下降通道中的过冷度下降，混合室内的水不能及时供给到上升通道中，形成瞬时压差，导致沸腾高度减少，水位整体存在下降的现象。

3.2.3 基于蒸汽流量增加的水位监控分析

图5给出在蒸汽流量突然增加的情况下，本文方法对蒸汽发生器给水水位变化的具体监控结果，在600 s增加蒸汽流量。

可以看出，本文方法监控到主回水和循环混合室水位在600 s时出现先上升后下降的趋势，随后发生器水箱也下降。当蒸汽流量突然增加时，发生器内部压力迅速下降，此时由于压差变化上升通道内会存在大量气泡，导致混合室内水流动受阻，出现水位上升情况。随后，由于水流动供给不及时，水箱水位下降，短时间后恢复正常。由此可见，本文方法监控结果与实际情况较为贴合，与状态变化表达一致，对给水水位变化监控效果较佳。

4 结　语

本文提出一种基于PLC技术的船用蒸汽发生器给水水位监控方法。考虑到水位瞬态不确定性强和其他因素影响较大的问题，在实施具体监控前，对蒸汽发生器内部结构和给水系统进行详细分析，采用能量守恒定律，计算出给水前后箱体内部的实际压差变化，将该变化作为后续监控指标参考，大大提升监控精准度，避免误差影响。结合PLC技术的监控方法，能够有效捕捉到蒸汽发生器给水水位的实时动态变化，并结合传感器提高监控的实际应用能力，监控算法以给水箱内外压差为主要目标，能使得到的控制结果与实际情况更为贴合。在实时监控船用蒸汽发生器给水水位的基础上，按照调控器，根据实际要求来控制水位变动是下一步的研究方向。