毕业设计论文火电厂过热汽温模糊控制的研究毕业论文精品Word格式.docx
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随着电力工业迅速发展、电力体制改革和市场化进程加快,电力安全生产的重要性更加突出,电力安全生产的重要性有以下几个方面。
(1)电力安全生产影响各行各业和社会稳定。
电力工业是国民经济的基础产业,是具有社会公用事业性质的行业。
并为各行各业(如工业、农业、国防、交通、科研)提供电力,为人民的日常生活提供电力,如果供电中断,特别是电网事故造成大面积停电,将使各行各业的生产停顿或瘫痪,有的还会产生一系列次生事故,带来一系列次生灾害。
另外,供电中断或大面积停电,会给社会和人民生活秩序带来混乱,甚至造成社会灾难,造成极坏的政治影响。
因此,电力安全生产关系到国家人民生命财产安全,关系到人民群众的切身利益,关系到国民经济健康发展,关系到人心和社会的稳定。
(2)电力安全生产影响电力企业本身。
安全是电力生产的基础,如果一个电厂经常发生事故,就不可能做到满发稳发和文明生产,如果系统经常发生事故,系统中的发电厂和变电站都不能正常运行,使电力生产和输配电处于混乱状态,因此电力企业本身需要安全生产。
电力安全生产是电力企业物质文明和精神文明建设好坏的集中体现,安全生产离不开精神文明建设,精神文明建设为安全生产提供强大动力,精神文明建设做得好,则企业生产的安全局面就好,安全生产对电力企业的物质文明建设提出了强烈要求,又为物质文明建设提供了高层次的保证,因此安全生产做得好,则企业的物质文明建设也做得好。
没有安全生产,就没有效益。
电力企业的生存与发展,必然要求有好的经济效益,如果电力企业的安全生产做不好,必然减少发供电并增加各种费用的支出,其结果是成本上升,效益下降,因此,搞好安全生产是提高经济效益的基础。
(3)电力生产的特点需要安全生产。
由发电厂生产的电能经升压变电站、输电线路、降压变电站、配电线路送到用户,组成了产、供、销统一的庞大的整体。
由于电能尚不能大规模储存,因此,产、供、销是同时进行的,电力的生产、输送、使用一次性同时完成并随时处于平衡。
电力生产的这些内在特点决定了电力生产的发、供、用必须有极高的可靠性和连续性,任何一个环节发生事故,都可能带来连锁反应,造成人身伤亡、主设备损坏或大面积停电,甚至造成全网崩溃的灾难性事故。
因此,电能生产的内在特点需要安全生产。
特别是目前的电网已是大机组、大电厂、大容量、高电压、高度自动化的电网,对安全生产提出了更新、更高的要求,安全生产就显得更加重要。
(4)电力生产的劳动环境要求安全生产。
电力生产的劳动环境有几个明显的特点:
①电气设备多;
②高温高压设备多,如火电厂的锅炉、汽轮机、压力容器和热力管道等;
③易燃、易爆和有毒物品多,如燃煤、燃油、强酸、强碱、制氢气及制氧气系统、氢冷设备等;
④高速旋转机械多,如发电机、风机、电动机等;
⑤特种作业多,如带电作业、高空作业、起重及焊接作业等。
这些特点表明,电力生产的劳动条件和环境相当复杂,本身潜伏着诸多不安全因素,潜在的危险性大,这些都构成了对职工人身安全的危胁。
因此,工作中稍有疏忽,潜在的危险会转化为人身事故,电力生产环境要求对安全生产要高度重视。
电力工业作为国家的经济命脉,而电力行业又是一个高危行业,因此历来受到国家的高度重视。
对于火力发电行业,发电机组的安全运行一直是电厂生产管理的核心,设备安全性的提升以及一系列安全生产规程的制订使火力发电行业的安全性有了很大的提升,90年代以来,我国大部分新建的火力发电机组均采用了分散控制系统(DistributedControlSystem,简称DCS)。
分散控制系统的普及使我国火力发电行业机组管理的自动化程度达到了世界领先的水平。
在过去的时间里,火力发电行业一直把安全生产作为企业管理的重中之重,而忽视了机组运行经济性等方面的探索。
随着我国电力企业市场化的改革和“厂网分开、竞价上网”政策的实施,电力生产的经济性开始变得越来越重要,市场要求电厂必须使电力生产的安全性和经济性并重。
优化生产过程,降低生产成本和设备损耗,以及提高管理水平和技术人员的综合素质是电厂提高经济性的必然要求。
在如今的形式下,电厂电力生产的安全性和经济性关系到企业的荣辱兴衰,由于电力行业是国家的命脉行业,电厂生产能否做到安全性和经济性两手抓将直接影响社会的安定和国家的长治久安。
因此,如何提高电厂生产自动化水平,做到安全性与经济性并重将成为人们重点研究的领域
。
1.1过热汽温控制领域的现状
火力发电厂的生产过程概括地说是把燃料中含有的化学能转化成电能的过程。
整个生产工程可分为三个阶段:
一:
燃料的化学能在锅炉中转化成热能,加热锅炉中的水使之变成蒸汽,称为燃烧系统;
二:
锅炉产生的蒸汽进入汽轮机,推动汽轮机转动,将热能转变成机械能,称为汽水系统;
三:
由汽轮机旋转的机械能带动发电机发电,将机械能转变为电能,称为电气系统。
单元机组的控制主要是指对锅炉、汽轮机及辅助设备的控制。
为了保证机组的经济、安全的运行,必须把各生产的主要工艺参数严格控制在规定的范围之内。
其中,对主汽温的控制是单元机组控制中比较重要的参数之一,因为过热汽温温度是锅炉运行质量的重要指标之一。
过热汽温的温度过高或过低都会显著影响电厂的安全性和经济性。
通过对过热汽温实时控制现状资料的查阅,发现过热汽温控制系统在正常工况下,能基本满足过热汽温实时控制系统的需要。
但当负荷变化较频繁且比较大时,过热汽温控制经常出现的越限和超调现象,会影响机组安全和经济运行。
另外,还发现目前火电厂对过热汽温实时控制多采用串级控制,但过热汽温控制困难较多,不仅质量要求高,而且被控对象相当复杂,无法确定过热器精确的数学模型,过热汽温实时控制可控性差早已成为众所周知的事实。
1.1.1过热蒸汽温度过程控制的重要性
锅炉过热汽温是影响锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数,主要表现在以下几个方面。
(1)过热汽温过高,影响设备使用寿命
过热汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快,影响设备使用寿命。
现代锅炉的过热器是在高温和高压的条件下工作,过热器出口的过热汽温,是火电厂整个汽水行程中工质温度的最高点,也是金属壁温的最高处。
过热器采用的是耐高温和耐高压的合金钢材料,过热器正常运行时的温度已经接近材料所允许的最高温度。
如果过热汽温过高,则容易烧坏过热器,也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而毁坏,影响机组的安全运行。
(2)过热汽温过低,汽轮机的安全运行无法保证
如果过热汽温过低,将会降低全厂的热效率。
一般地,过热汽温每降低5一10℃,热效率约降低1%,不仅增加燃料的消耗量、浪费能源,而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加,加速汽轮机叶片的水蚀。
因为过热汽温降低还会导致汽轮机高压部分的烩降减小,引起各级反动度和轴向推力增大,对汽轮机的安全运行带来不利。
所以,过热汽温过低不仅会使机组循环热效率降低,煤耗增大,而且汽轮机的安全运行也无法保证。
(3)过热汽温变化过大,危及机组安全运行
过热汽温变化过大,除了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,过热汽温过高、过低或变化过大都是生产过程所不允许的。
基于上述原因,对过热汽温控制是必不可少的。
不仅如此,工艺上对过热汽温控制的质量要求也是非常严格的。
如何有效地控制过热汽温始终成为人们关注的问题
1.1.2过热蒸汽温度实时控制存在的难度
火电厂过热汽温实时控制的复杂性主要表现在以下几方面。
(1)影响过热汽温变化的因素很多
例如,燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位,还会影响过热汽温和烟气流量等。
另外,蒸汽负荷、减温水量、烟气流量和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起过热汽温变化
(2)过热汽温被控对象具有大迟延、大惯性的特点
过热器具有大迟延、大惯性的特点。
尤其随着机组容量和参数的增加,蒸汽的过热受热面相对于蒸发受热面的比例加大,使其迟延和惯性更大,从而进一步加大了过热汽温控制的难度。
(3)过热器呈现非线性、不确定时变等特点
例如,燃料量的变化对过热汽温、压力、汽包水位等的影响有不同的滞后,减温水量的变化对过热器出口的过热汽温有较大的滞后影响,这些滞后的大小还随着负荷状况的改变而改变。
过热器在各种扰动作用下(如负荷、工况变化等)表现出非线性和时变等特性,使过热汽温控制的难度加大。
(4)过热汽温参数要求高
因过热器正常运行时的温度已接近钢材允许的极限温度,强度方面的安全系数也很小。
故现代大型机组对过热汽温参数要求很严格,通常中高压锅炉过热汽温的动态偏差不允许超过士10℃,长期偏差不允许超过士5℃。
(5)控制手段单一
目前主要以喷水减温为主要控制手段。
综上所述,过热器是一个典型的非线性、时变、大迟延、大惯性和多随机干扰扰动的设备,过热汽温是火电机组热力过程的主要参数之一。
过热器是在高温高压环境下工作,过热器出口的过热汽温是全厂工质温度的最高点,也是金属壁温的最高处。
火电厂生产工艺上允许的过热汽温变化范围很小,影响过热汽温变化的干扰因素多,过热器呈现非线性特性等,这些都使得过热汽温控制系统复杂化。
正确选择控制过热汽温的控制手段及控制策略是非常重要的
1.1.3过热蒸汽温度过程控制的发展方向
通过查阅资料和分析可知,目前,串级控制在火电厂中的过热汽温实时控制中占主导地位,但其控制效果还不能令人十分满意。
时滞系统的控制问题早己引起了人们的广泛关注,许多人从不同角度发展了很多时滞被控对象的控制方法。
长期以来,针对火电厂被控对象过热器具有大滞后、非线性、多变量和时变等特点,国内外对过热汽温控制方法进行了很多有益探索和研究。
因为国内外在过热汽温控制系统的技术和发展方面十分接近,所以,这里主要对当前国内过热汽温过程控制的方法,进行有限的阐述。
PID控制算法是其中最简便的,控制参数可依据经验公式进行整定或解析设计。
火电厂中的过热汽温实时控制,如果采用传统的PID控制规律,因为参数整定困难,缺乏对过热器动态变化的自适应能力,达不到火电厂中的过热汽温实时控制要求。
所以,原则上不采用单回路的PID对过热汽温进行控制。
过热器实时控制常规控制方案主要包括串级控制、Smith预估控制、导前微分、分段式控制和温差控制等,但投运效果均不理想。
导前微分或串级控制是目前针对时滞被控对象应用最广泛的控制策略。
导前微分与串级控制在理论上十分接近,第3章节将重点对串级控制系统进行有关的技术分析和陈述。
模糊控制是由控制理论与模糊集合理论相结合发展起来的一种新型控制技术。
能够利用熟练运行人员的操作经验或领域专家的知识,解决复杂被控对象的控制问题,故模糊控制从一开始便立刻引起控制界的广泛兴趣,并得以迅速发展。
模糊控制的发展历史不长,模糊控制本身还存在一定的缺陷等原因。
如果单独使用模糊控制对过热汽温进行过程控制,也不能满足过热汽温实时控制的要求。
第4章节将重点对模糊控制系统进行有关的技术分析和表述。
近年来,关于过热汽温控制这一课题的研究,主要集中在以下三个方面。
(1)利用PID复合控制
针对过热器的特性,在传统的PID控制领域,利用其他方法和PID控制相结合来改善PID控制效果。
(2)开发专家、人工神经网络和模糊控制系统等多种控制系统
针对过热器的特性,应用人工智能和计算机科学的最新技术,开发专家控制系统、人工神经网络控制系统和模糊控制系统等多种控制系统。
(3)开发解耦控制系统
针对过热器的强耦合性,开发解耦控制系统。
尽管国内许多控制专家就过热汽温可控性差的问题,做了很多研究,也提出了不少新的、先进的控制方案,但因工程实现存在困难,真正应用甚少,首先过热汽温过程控制对火电厂的安全生产是非常重要的。
其次,在电力生产过程中,真正的过热器数学模型无法得到。
影响过热汽温过程控制的因素众多,过热汽温过程控制的优化仍是没有真正解决的难题。
对于火电厂过热汽温实时控制问题的解决仍需一定的时间。
1.2本文研究目的及研究的主要内容
大型电厂锅炉主蒸汽温度控制系统是提高电厂经济效益,保证机组安全运行的关键环节。
而同时,主蒸汽温度对象具有大延迟、大惯性和时变性的特点,过热器管道长度和蒸汽容积较大,当减温水流量发生变化时过热器出口蒸汽温度有较大的延迟;
负荷变化时,主蒸汽温度的动态特性变化明显;
这给有效控制带来了很大的困难。
通过合理利用火电厂工程技术人员的经验和技能、有关专家的丰富的实践经验和系统设计能力,在对火电厂过热汽温控制对象分析基础上,保留串级控制抗内扰的性能,结合模糊控制动态特性好的特点,寻求串级控制与模糊控制有效结合,并提出一种复合模糊串级控制设计方案,改善火电厂过热汽温的动态性能,以求提高火电厂电力生产安全性与经济性。
本文研究的主要内容有
(1)对过热汽温的特性进行分析,了解目前国内外对具有大滞后和大惯性特点的过热汽温控制方面所采取的控制方案的情况。
(2)对传统的过热汽温所采用的串级控制系统进行结构、原理、特点进行学习分析。
(3)提出复合模糊串级控制方案,利用MATLAB软件进行仿真研究,密切关注参数变化对控制结果的影响,做好对比和总结。
(4)将复合模糊串级控制与传统串级控制进行对比研究。
2过热汽温控制特性与要求
现代锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的,锅炉出口的过热蒸汽温度是整个汽水行程中工质的最高温度,对于电厂的安全经济运行有重大影响。
锅炉蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器等。
过热器布置示意图如图2.l所示。
图2.1过热器布置示意图
过热器正常工作时的温度,一般要接近材料所允许的最高温度,如果过热蒸汽温度过高,则过热器容易损坏,也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀,严重影响生产运行的安全;
过热蒸汽温度偏低,则设备的效率将会降低,一般蒸汽温度每降低5℃,效率要降低1%,同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加,引起叶片的磨损。
因此,必须控制过热器出口蒸汽温度,使不超出规定的范围。
锅炉蒸汽过热系统的控制任务,是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内,并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度自动控制是锅炉自动化的重要任务之一。
2.1过热蒸汽温度对象的静态特性
过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。
锅炉过热器由对流式过热器和辐射式过热器等组成,但是从图2.2所示的静态特性可以看出,对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温的静态特性完全相反。
对于对流式过热器,当负荷增加时,通过其烟气的温度和流速都增加,因而使过热汽温升高,所以对流式过热气的出口汽温随负荷增加而升高。
对于辐射式过热器,由于负荷增加时炉膛温度升高不多,而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量,因此辐射式过热器的出口汽温随负荷增加而降低。
现代大型锅炉的过热器,对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器受热面积,因而总的汽温将随负荷增加而升高。
图2.2过热蒸汽温度的静态特性
2.2过热蒸汽温度对象的动态特性
过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。
引起过热蒸汽温度变化的原因很多,如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流过过热器的烟气的温度和流速变化等,这些因素还可能相互制约。
归纳起来主要有三个方面,蒸汽流量变化(负荷变化),加热烟气的热量变化和减温水流量变化(过热器入口汽温变化)。
2.2.1蒸汽流量(负荷)扰动下过热汽温的动态特性
当负荷扰动时,蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变,从而改变过熟器的对流放热系数,使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变,因而汽温反应较快,迟延时间较小。
从阶跃响应曲线可知,其特点是:
有延迟、有惯性、有自平衡能力,但其延迟和惯性都比较小,如图2.3所示。
图2.3蒸汽量变化对过热汽温的影响
2.2.2烟气流量扰动下过热汽温的动态特性
烟气流量扰动(烟气温度和流速产生变化)时,由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的,因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化,所以汽温反应较快,时间常数和迟延均比别的扰动小,和蒸汽流量扰动的影响类似。
从阶跃响应曲线可知,烟气流量的动态特性是:
有滞后、有惯性、有自平衡能力,如图2.4所示。
图2.4烟气流量变化对过热汽温的影响
2.2.3减温水流量扰动下过热汽温的动态特性
利用减温器进行调温,是目前应用较广的一种调节方式。
减温器有表面式和喷水式两种。
其中,喷水减温又分为表面式喷水减温和给水喷水减温两种型式。
表面式喷水减温的减温水和蒸汽是隔开的,而给水唼水减温则是利用减温水直接喷入过热蒸汽中去进行减温的,因此又称混合式减温器。
采用喷水减温来调节过热汽温,当减温水流量扰动时,改变了高温过热器入口汽温,从而影响了过热器出口汽温。
由于大型锅炉的过热器管路很长,管内的蒸汽和管壁可视为众多个单容对象串联组成的多容对象,喷水量的变化必须通过这些单容对象,才能影响到过热器出口蒸汽温度,因此与蒸汽流量和烟气热量扰动的情况相比,减温水流量扰动时,汽温的反应比较慢,对象具有大得多的惯性和迟延,如图2.5所示,这是此对象难以控制的原因。
图2.5减温水量变化对过热汽温的影响
总的来说,根据对过热蒸汽温度调节对象作阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知,其均为有迟延的惯性环节,但各自的动态特性参数值(t、e、p)有较大差别
2.3本章小结
影响过热汽温的过程控制有蒸汽流量、烟气传热量和减温水三个主要因素。
在各种扰动作用下,汽温对象都有迟延和惯性,且有自平衡能力。
当蒸汽流量扰动时,过热汽温动态特性的特点是有延迟,有惯性和有自平衡能力。
因蒸汽流量的扰动是由用户决定的,故不能将蒸汽流量扰动作为过热汽温控制系统的控制量使用。
引起烟气传热量扰动的原因很多。
烟气流量变化对过热汽温的影响,使被控对象过热器表现出有延迟、有惯性和有自平衡能力的特征。
从理论上说,应该利用烟气传热量扰动来控制过热汽温,而且这种控制还具有方便和容易操作的特点。
但实际操作中,因烟气控制的操作不易把握,很难满足过热汽温控制过程的需要,故一般不宜将烟气传热量扰动作为过热汽温的主要控制量使用。
减温水量扰动下的被控对象过热器具有延迟,有惯性和有自平衡能力的特点。
理论和实践都支持减温水量作为过热汽温的主要控制量使用。
3过热蒸汽温度串级控制系统的分析
3.1PID控制作用
PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
其输入e(t)与输出u(t)的关系为
(3-1)
式中积分的上下限分别是0和t。
因此传递函数为:
其中
为比例系数;
为积分时间常数;
为微分时间常数。
3.1.1比例(P)控制
控制作用u与偏差e成比例关系。
单独的比例控制也称“有差控制”,输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系,偏差越大输出越大。
实际应用中,比例度的大小应视具体情况而定,比例度太小,控制作用太弱,不利于系统克服扰动,余差太大,控制质量差,也没有什么控制作用;
比例度太大,控制作用太强,容易导致系统的稳定性变差,引发振荡。
对于反应灵敏、放大能力强的被控对象,为提高系统的稳定性,应当使比例度稍小些;
而对于反应迟钝,放大能力又较弱的被控对象,比例度可选大一些,以提高整个系统的灵敏度,也可以相应减小余差。
单纯的比例控制适用于扰动不大,滞后较小,负荷变化小,要求不高,允许有一定余差存在的场合。
工业生产中比例控制规律使用较为普遍。
3.1.2比例积分(PI)控制
比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种,其最大优点就是控制及时、迅速。
只要有偏差产生,控制器立即产生控制作用。
但是,不能最终消除余差的缺点限制了单独使用。
克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。
积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。
这里的“积分”指的“积累”的意思。
积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关,而且还与偏差存
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