过热汽温控制系统分析与仿真研究Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:18010761
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:440.52KB
过热汽温控制系统分析与仿真研究Word文档下载推荐.docx
《过热汽温控制系统分析与仿真研究Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《过热汽温控制系统分析与仿真研究Word文档下载推荐.docx(31页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
Steamtemperaturecascadecontrolsub-systemperformanceanalysisandsimulation
Abstract
WithChina'
spowerindustrydevelopingrapidly,moreandmorelarge-capacityhigh-parameterunitshaveputintoproduction..Fromthedevelopmenttrend,above600MWunitwillbecomeamainunitofthepowergridsinthefuture.Withtheincreasingofthelarge-capacityunitandtheincreasingdegreeofautomationoftheschedulinggrid,itisahigherdemandtothequalitycontrolofthethermalpowerplantunit.Supercriticalgeneratingunitsisthedevelopmentoflarge-capacitygeneratingunitsinChinawillalsobecomethemainforceunits.Themainsteamtemperatureisthemainparametersintheboileroperation,whichaffectthesafeandstableoperationofboilerdirectly.Thecontrolofmainsteamtemperatureintheboilerisnonlinearandtimevariability.Itisverydifficulttocontrolforthelargedelayandtheinertiaofitscharacteristics.
Inthispaper,wefocusedonthecharacteristics,composition,andtheprinciplesanalysisofmainsteamtemperaturecontrolsystemandandproposeacontrolstrategythatfitsthelargedelaycontrolststemandcanbeappliedinpractice.Then,wemustconductthesimulationanddynamicperformanceanalysis.
Keywords:
superheater,segmentcontrol,cascadecontrol,superheatedsteamtemperature,
controlstrategy
目录
中文摘要I
AbstractII
第一章绪论3
1.1电力行业发展现况3
1.2课题内容和背景3
1.2.1汽包炉主汽温控制系统的工艺流程3
1.2.2直流锅炉主汽温控制系统的工艺流程4
1.2.3过热器的分段控制策略4
1.2.4过热汽温控制的意义及控制难点4
1.2.5串级控制策略5
1.3本文的研究内容6
第二章主汽温热力系统及控制策略分析7
2.1直流炉与汽包炉汽温控制系统的区别7
2.2过热器的工艺流程7
2.3汽温调节对象的动态特性8
2.4过热汽温的分段控制策略9
2.5主汽温控制的任务分配10
2.6串级控制系统的概述11
2.7串级汽温调节系统13
第三章主汽温控制策略15
3.1概述15
3.2模糊控制论16
3.3神经网络控制及其与模糊控制的结合17
3.4Smith预估器18
第四章分段串级控制系统的工程实现19
4.1过热汽温控制系统SAMA图19
4.2过热汽温控制连锁逻辑21
4.2.1一级减温喷水控制逻辑22
4.2.2二级减温水喷水控制逻辑23
第五章分段串级汽温控制系统的仿真实验24
5.1调节器参数的工程整定法24
5.2被控对象数学模型24
5.3主汽温控制系统simulink仿真及性能分析25
5.3.1主汽温控制系统simulink组态图25
5.3.2主汽温控制系统在设定值扰动下的仿真25
5.3.3主汽温控制系统在减温水扰动下的仿真26
5.3.4主汽温控制系统鲁棒性测试27
5.4一级汽温控制系统的simulink仿真及性能分析27
5.4.1一级汽温控制系统simulink组态图27
5.4.2一级汽温在设定值扰动下的响应曲线28
5.4.3一级汽温在减温水扰动下的响应曲线28
5.4.4一级汽温控制系统鲁棒性测试29
第六章总结30
参考文献31
致谢32
第一章绪论
1.1电力行业发展现况
电力行业是国民经济发展的重要支柱,是人类社会生产和生活必不可少的重要产业。
在我国各大电力系统中,主力机组的单机容量已有300MW过渡到600MW,并继续到1000MW迈进。
随着单机容量的增大,初蒸汽参数也向高压、超高压、亚临界、超临界、超超临界压力逐步过渡。
超临界机组是我国近期发展起来的大容量机组,并逐渐将成为国家电力行业的主力机组。
就目前看来,我国发电还是主要以火力发电为主,由于我国的煤炭储量还较为丰富,所以火力发电厂主要还是燃煤电厂,而考虑到煤炭、石油、天然气等资源的有限性和不可再生性以及我国水利资源的可观性,我国这几年正在大力发展水电站。
除此以外,核电事业的发展也取得了很好的成绩,如新建的三门核电站、福清核电站等。
这标志着我国的发电模式逐渐向环保、节能、高效、多元、安全、低耗、环保、调度灵活的电力系统目标发展。
数据显示,截至2009年底,全国发电设备容量87407万千瓦,同比增长10.23%。
其中,水电19679万千瓦,占总容量22.51%,同比增长14.01%;
火电65205万千瓦,占总容量74.60%,同比增长8.16%。
水电占总容量比重上升0.74个百分点,而火电占比则减少1.45个百分点。
从上可知,在未来很长的一段时间内,火电机组仍是发电的主力。
火电厂日渐朝着大机组大容量的方向发展,这样可以提高热效率,每千瓦的建设投资和发电成本也会降低。
目前,我国发电主要是向600WM、1000WM机组的目标迈进。
由于超临界和超超临界机组可以调高煤炭利用率、降低环境污染、提高经济性的优势,发展超临界机组和超超临界机组是必然趋势。
1.2课题内容和背景
1.2.1汽包炉主汽温控制系统的工艺流程
汽包炉主汽温控制系统是由汽包,水冷壁,减温器和过热器串联而成。
其工艺流程可以从图1-1中看出。
主汽温控制系统采用分段控制策略,具体内容可见1.2.4。
汽包炉主汽温调节可以分为A、B两侧,蒸汽经过A、B两侧过热器后进入联合混热箱,最后通过蒸汽管道进入汽轮机。
通过A、B两侧一级减温器喷水注入过热器来调节A、B两侧一级过热器的出口蒸汽温度,通过A、B两侧二级减温器的喷水流量来控制主蒸汽温度。
图1-1汽包炉主汽温控制系统的工艺流程图
1.2.2直流锅炉主汽温控制系统的工艺流程
直流锅炉没有汽包,只有汽水分离器。
直流锅炉是依靠给水泵一次性的将通过省煤器预热、水冷壁蒸发、过热器各受热面而变成过热蒸汽。
其工艺流程可以从图1-2中可以看出。
直流锅炉主汽温控制系统和汽包锅炉一样,采用分段控制、通过调节A、B两侧喷水流量调节蒸汽温度。
图1-2直流锅炉主汽温控制系统的系统流程图
1.2.3过热器的分段控制策略
过热器一般会分为低温过热器、屏式过热器和高温过热器。
过热器采用两级喷水减温,一级喷水减温器通常布置在屏式过热器之前,且分布在过热器的中间位置。
二级喷水减温器通常布置在高温过热器之前,同样安装在过热器的中间位置。
一级减温器的作用是使屏式过热器出口温度维持在设定值,以保护屏式过热器管壁不超温,同时配合高温过热器温度控制系统的工作。
二级喷水减温器是使主汽温维持在规定的范围内,并保持末级过热器不超温。
过热器每级喷水减温系统均有两只减温器,每只减温器均分A、B两侧。
对于A、B两侧来说,由于其出口均有独立的温度测点,且温度的设定值可以相互独立,所以其控制系统可以设计为两套独立的汽温控制策略。
1.2.4过热汽温控制的意义及控制难点
过热汽温控制对于机组的安全经济的运行有着非常重要的意义,但同时也是最难控制的的系统之一,其控制难点主要体现在一下几个方面:
1)过热汽温的干扰因素很多,例如负荷,减温水量等。
2)在各种扰动量的干扰下汽温对象具有非线性、时变等特性,使控制难度加大。
3)汽温对象具有大迟延、大惯性的特点,尤其是随着机组容量和参数的提高,蒸汽过热受热面的比例加大,使其迟延和惯性进一步加大,增大了控制难度。
但同时过热汽温控制对于机组安全经济的运行有着相当重要的作用,主要有以下几个方面:
1)过热汽温过高会使蒸汽管道金属和锅炉受热面的蠕变加快,影响使用寿命。
当超温严重的时候,将会使材料强度急剧下降从而导致管道破裂。
过热汽温过高还会导致汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片的机械强度下降,导致使用寿命降低和设备损坏。
2)汽温过低,将会影响机组的经济性。
当汽温低的时候机组热效率降低,煤耗增大。
另外,汽温降低会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大,影响汽轮机内部的热效率,使汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。
此外,汽温降低会使汽轮机所受的轴向推力增大,对汽轮机的安全运行很不利。
3)主汽温变化过大,除使管材及有关部件产生疲劳外,还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化,甚至产生剧烈振动,危及机组安全运行。
总之,过热汽温是火电机组的主要参数。
由于过热器是在高温、高压环境下工作,过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点,也是金属壁温的最高处,工艺上允许的汽温变化又很小,汽温对象特性呈非线性,影响汽温变化的干扰因素多等,这些都使得汽温控制系统复杂化,因此正确选择控制汽温的手段及控制策略是非常重要的。
1.2.5串级控制策略
过热汽温控制对象具有大迟延大惯性的特质,简单的单回路控制系统不能满足控制要求。
目前大型机组多数采用串级控制系统,串级控制系统原理框图如图1.3所示。
图1-3串级控制系统原理框图
从图中可以看出,串级系统和简单系统有一个显著的区别,即其在结构上形成了两个闭环,一个闭环在里面,被称为副环或副回路,在控制过程中起着“粗调”的作用,一个环在外面,成为主环或者主回路,用来完成“细调”的任务,最终能够保证被调量满足工艺要求。
串级控制系统具有良好的控制性能,主要原因有以下三个原因:
1)对二次干扰有很强的克服能力;
2)改善了对象的动态特性,提高了系统的工作频率;
3)对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。
由于串级控制系统的良好控制性能,所以在过热汽温控制中得到了广泛的应用。
在基本扰动下,主汽温反映有着较大的迟延,而减温器出口温度有着明显的导前作用,因此可以构成以减温器出口温度为副参数,过热器出口温度为主参数的串级控制系统,具体如图1-4所示。
当扰动发生在副回路时(如减温水温度发生扰动),由于有副回路的存在,并且导前区的惯性小,副调节器能够快速反应,消除扰动,从而使主汽温不必发生较大变化。
当扰动发生在副回路之外时,引起主汽温偏离设定值,这时主调节器改变其输出信号,通过副调节器调节减温水流量,使主汽温恢复设定值。
图1-4过热汽温串级控制系统
1.3本文的研究内容
1)了解主汽温控制现状,主汽温控制系统的热力系统及其控制对象的特性,对各种控制策略都要有大概的了解,并选定自己要做的控制策略。
2)对分段串级控制系统的工程应用做出分析。
3)了解各种整定方法,建立汽温控制对象的数学模型。
4)在文献中找到符合自己需要的数学模型,分别设计一级与二级汽温控制系统,并进行参数整定。
5)对一级与二级汽温控制系统分别进行仿真实验,熟悉参数调节的方法,研究控制系统的稳定性,动态性能并进行鲁棒性测试。
第二章主汽温热力系统及控制策略分析
2.1直流炉与汽包炉汽温控制系统的区别
汽包炉的汽水系统主要由省煤器,汽包,下降管,水冷壁,过热器和再热器组成。
在汽水系统中,锅炉的给水由给水泵打出,先经过高压加热器,再经过省煤器吸收一部分烟气中的余热后进入汽包.汽包中的水在水冷壁中进行自然或强制循环,不断地吸收炉膛辐射热量,由此产生的饱和蒸汽由汽包顶部流出,再经过多级过热器进一步加热成过热蒸汽。
这个具有一定压力和温度的过热蒸汽就是锅炉的产品.
高压汽轮机接受从锅炉供给的过热蒸汽,其转子被蒸汽推动,带动发电机转动而生成电能。
从高压汽轮机排出的蒸汽,其温度、压力都降低了,为了提高热效率,需要把这部分蒸汽送回锅炉,在再热器中再次加热,然后再进入中、低压汽轮机做功,最后成为乏汽从低压汽轮机尾部排入冷凝器凝为凝结水。
凝结水与补充水一起经凝结水泵先打到低压加热器,然后进入除氧器,除氧后进入给水泵,至此完成了汽水系统的一次循环。
直流炉的汽水系统主要由省煤器、汽水分离器、分离器储水罐和储水罐控制阀、水冷壁、过热器和再热器组成。
直流炉与传统汽包炉在结构上的主要区别主要在于直流炉没有汽包,只有汽水分离器,所以直流炉的蓄水能力不强,但是对于扰动和负荷的响应较快。
直流锅炉因为没有汽包,给水一次性通过省煤器、水冷壁、过热器。
直流锅炉不受工作压力的限制,可以适用于300MW以上的亚临界和超临界机组。
直流锅炉的加热面和蒸发受热面之间和蒸发受热面和过热受热面之间无固定的分界点,在工质发生变化时,各受热面的长度会发生变化。
直流炉的主要过程是:
首先从给水泵过来的锅炉除盐水,经过省煤器加热后再经过水冷壁的受热面加热后变成汽水混合物,经汽水分离器后到过热面。
在直流锅炉中,蒸汽流量等于给水量和减温水量的叠加,如果采用和汽包炉同样的喷水降温的手段,则当喷水增加时,给水就会减少,继而扩大了燃水比的失调程度。
所以对于直流锅炉,必须保持燃水比作为维护主汽温的粗调手段,用喷水减温作为细调手段。
超临界直流锅炉的主汽温控制相对于汽包锅炉增加了许多困难,主要体现在:
汽温控制的要求增大;
被控量过热器温度对于给水流量改变的相应迟延时间(T=200-400s)比汽包锅炉的同样迟延(T=30-200)长的多。
因此,通常采用响应较快的微过热汽温作为判断燃水比是否失调的的检查信号。
2.2过热器的工艺流程
从图2-1可以看出,过热器分为低温过热器、屏式过热器、末级过热器,有两级减温系统。
一级喷水减温器的作用是使屏式过热器出口温度维持在设定值,以保护屏式过热器管壁不超温,同时配合高温过热器温度控制系统的工作。
每级过热器的A、B两侧都有各自的温度测点,且温度设定值可以单独设定,所以其控制策略可以设计为两套独立的控制策略。
图2-1过热器喷水减温控制工艺流程图
2.3汽温调节对象的动态特性
影响过热器出口温度的因素有很多,主要有以下三种扰动:
(1)蒸汽流量扰动下过热汽温动态特性
汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。
蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件,导致汽温变化。
蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度的响应曲线如图2-2所示。
可以看到温度响应具有自平衡特性,而且惯性小和迟延都比较小。
这是因为蒸汽量变化时,沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。
图2-2蒸汽流量扰动下的汽温响应曲线
(2)烟气侧传热量扰动下的汽温动态特性
燃料量增减,燃料种类的变化,送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速与烟气温度的变化,从而改变了传热情况,导致过热器出口温度的变化。
由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的,因此汽温变化的迟延很小。
烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2-3所示。
图2-3烟气侧传热量扰动下汽温响应曲线
(3)喷水量扰动下的动态特性
过热器是具有分布参数的对象,可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷个单容对象
串联组成的多容对象。
当喷水量发生变化时,需要通过这些串联单容对象,最终引起出口
蒸汽温度的变化。
因此,蒸汽温度的响应有很大的迟延。
减温器离过热器出口越远,延迟
越大。
喷水扰动下的动态特性曲线如图2-4所示。
图2-4喷水量扰动下的汽温响应曲线
2.4过热汽温的分段控制策略
从汽温动态特性的情况看,烟气量、烟气温度和喷水量都可以用来控制过热汽温,但是考虑到在实际应用中的系统结构的难易度,目前大多数过热汽温控制系统都采用喷水量作为汽温调节手段。
由于喷水量扰动下的大迟延特性,目前的汽温控制系统都采用分段控制策略,设有两级喷水,这样能够有效的调高系统的控制品质。
从控制策略上看,分段控制策略可以分为定值控制策略和温差控制策略。
在实际应用中,定值控制策略由于其操作简单得到广泛的应用。
本文主要讨论定值控制策略。
在定值
图2-5主汽温分段控制策略
控制策略中,一级喷水与二级喷水减温的控制逻辑相互独立,互不干扰。
定值控制策略的控制目标明确,系统结构分明,参数整定容易,投运简单。
当过热器各段都是以对流换热为主时,定值控制系统的控制品质基本上能够达到要求的品质。
由于定值汽温调节系统中,各个子系统分别维持各自的设定值,所以当汽温调节对象特性不同时,这种控制系统将不能满足控制要求。
例如在许多锅炉的屏式过热器处在辐射换热区,汽温调节对性呈现辐射特性,而高温过热器是布置在对流换热区,呈现对流特性。
当机组负荷升高时辐射式过热器中单位质量蒸汽的辐射吸热量减少,出口汽温下降,而对流过热器中单位质量蒸汽的吸热量增加,其出口汽温增加。
由于定值控制策略的各个子系统的控制逻辑相互独立,所以其一级减温器喷水量减少,调节阀关小,而二级减温器喷水量增大,调节阀开大。
此种控制策略两级喷水器喷水量不协调。
为了克服这种缺陷,可以将其改进,从二级控制系统的主调节器输出引出前馈回路到一级减温系统。
2.5主汽温控制的任务分配
主汽温θ1的控制是通过控制一级减温器的喷水量和二级减温器的喷水量来实现的,主汽温与设定值(与负荷成单值函数关系)的偏差经调节器运算产生基本喷水量需求信号,此信号经与前馈信号迭加形总喷水量需求信号。
前馈信号包括代表锅炉送风量的信号和主汽压偏差信号(主汽压与设定值之差),它们都提前反映负荷变化。
总喷水量需求分别乘以两个不同的系数K1和K2(K1>K2)得到一级喷水需求信号A和二级喷水需求信号B。
正常情况下,一级喷水量需求信号A经修正形成一级喷水调节器设定值a,从而控制一级喷水阀。
二级喷水量需求信号经修正形成二级喷水调节器设定值b,从而控制二级喷水阀。
因为K1>K2,所以当系统处于稳定状态时,一级喷水量是大于二级喷水量的,即二级喷水的出力较小,这样能够使二级喷水留有余力的防止主汽温超温。
当系统处于动态时,系统将一级喷水需求通过惯性环节等环节调整一级喷水量的设定值,逐步改变一级喷水量;
系统将一级喷水需求与一级喷水量设定值的偏差加到二级喷水量需求上,使二级喷水阀完成一级喷水阀没有完成的部分。
这样保证了主汽温θ1能够快速的维持在设定值。
实际上,二级喷水量值是由总喷水量进行比例微分形成,加强二级喷水的动态控制作用,改善控制效果。
2.6串级控制系统的概述
串级控制在热工自动控制系统中的应用非常广泛,其调节品质好,特别适用于时间常数较大,阶次较高和有较大延迟的调节对象。
串级控制系统除了主被调量外,还有一个辅助被调量,辅助被调量对调节作用的响应要比较迅速。
比较典型的有锅炉主汽温控制系统,当减温水量改变后,过热汽温的变化较慢,减温器出口汽温的变化较快,这时就可以把减温器出口汽温作为过热汽温调节系统中的辅助被调量,形成一个调节回路,构成串级调节系统。
串级调节系统的结构方框图如下图2-7所示。
串级控制系统和单回路控制系统有有一个显著的区别,即其在结构上形成了两个闭环,一个闭环在里面,被称为副环或者副回路,在控制过程中起着粗调的作用;
一个闭环在外面,别成为主环或者主回路,用来完成细调的任务,以保证被调量最终满足工艺要求。
如图2.7所示,有调节单元I、执行器、调节对象I和测量单元I构成的回路称为副回路(或称内回路),调节单元I称为副调节器,调节对象I的输出信号称为辅助被调量。
有调节单元II、副回路、调节对象II和测量单元II构成的回路称为主回路(或称外回路),调节单元II称为主调节器,调节对象II的输出信号称为主被调量,调节对象I和调节对象II统称是系统的调节对象。
串级调节系统具有下列特点:
(1)串级控制系统有一个副回路,副回路具有快速作用,能够有效的克服二次扰动的影响可以说串级控制系统主要是用来克服进入副回路的二次扰动的。
从图2.7可以看出,进入副回路的扰动u1在进入副环后,首先影响副参数y2,于是副调节器立即动作,力图消除干扰对于副参数的影响。
显然,如果没有副回路,扰动u1的影响就需要由主被调量的变化通过主调节器来克服。
如果具有副回路,扰动u1的影响就可以很快的由辅助被调量的变化通过辅助调节器来加以克服。
(2)副回路起了改善调节对象动态特性的作用,因此可以加大主调节器的增益,提高系统的工作频率。
在串级控制系统中,副回路替代了单回路的一部分对象,其等效时间常数会缩短,而且随着副调节器比例增益的增大而减小。
通常副回路被控对象都是单容或者双容的对象,因此副回路控制器的比例增益可以调的很大,这样,等效时间常数就可以很小,从而加快了副环的响应速度,提高了系统的工作频率。
(3)由于副回路的存在,使串级控制系统有了一定的自适应能力。
在生产过程中,往往会包含一些非线性因素的存在。
因此,在一定负荷下,即在确定的工作点情况下,按照一定控制指标整定的控制器参数只适应于工作点附近的一个小范围。
如果符合变化过大,超出这个范围,控制品质就会下降。
在单回路控制系统中如不采取其他措施是很难解
图2-7串级调节系统的结构方框图
决的。
但在串级控制系统中,负荷变化引起副回路内各环节参数的变化,可以减少影响或不影响系统的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 过热 温控 系统分析 仿真 研究