单元机组汽温控制系统分析与研究

毕 业 设 计(论文)题 目 单元机组汽温控制系统分析研究系 别 动力工程系专业班级 测控技术与仪器 11K2 班学生姓名 杨睿指导教师 吕丽霞二一五年六月华北电力大学科技学院毕业设计（论文）I单元机组汽温控制系统分析研究摘要近年来，随着我国经济的快速发展，对电力行业的发展要求也越来越高。为了满足发展的要求，我国在研究高参数、大容量机组项目上投入了大量的人力物力。经过数十年的研究，我国的电力设备制造水平取得长足的发展，越来越多的高参数、大容量机组相继投产。大参数机组的不断增加和电网调度自动化程度的日益提高，对火电机组的控制品质提出了更高的要求。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，对锅炉安全稳定运行起决定作用，因为其具有大惯性、大延迟的特点，所以火电厂的汽温控制一直都是难点。本次毕业设计，针对火电厂单元机组汽温控制系统大惯性、大延迟的特点进行分析与研究，设计一个能有效的改善过热汽温控制品质的串级回路，并用 MATLAB 进行仿真实验，研究其动态特性与抗干扰能力。关键字：汽温控制系统，大延迟，串级控制华北电力大学科技学院毕业设计（论文）IIANALYSIS AND RESEARCH ON THE SYSTEM OF STEAM TEMPERATURE CONTROL UNITAbstractRecent years, with the rapid development of our country economy, the development of electric power industry demand is higher and higher. In order to meet the requirements of development, in the research of high parameters and large capacity, the project of high - size and large capacity of our country has invested a lot of manpower and resources. After decades of research, the level of power equipment manufacturing in china has made considerable development, more and more large-capacity high-parameter and units have put into production. With the increasing of the large parameter unit and the increasing degree of automation of the scheduling grid, it is a higher demand to the quality control of the thermal power plant unit. Supercritical generating units is the development of large-capacity generating units in China will also become the main force units. The main steam temperature is an important indicator of the quality of boiler operation, it play an very key role on the safe and stable operation of the boiler, because it has large inertia and large delay, so thermal power plant steam temperature control is always difficult.In this graduation design, we focused on the power plant unit steam temperature control system with large inertia and large delay characteristics, analysis and research the characteristics of steam temperature control system and put forward a cascade circuits which can effective improve the superheated steam temperature control quality. Then we using MATLAB to carry out the simulation experiment, and study its dynamic characteristic and anti-interference ability.Keywords: steam temperature control system; large delay; cascade control strategy华北电力大学科技学院毕业设计（论文）目录摘要.Abstract.1 绪论.11.1 国内电力行业的发展状况. .11.2 课题背景及意义.21.3 本课题的研究历史及现状.31.4 本文的内容.42 过热汽温控制系统概述.52.1 直流炉与汽包炉汽温控制系统的区别.62.2 汽温控制系统流程简介.72.2 过热汽温调节的动态特性.82.3 过热汽温控制概述.92.3.1 过热汽温控制任务以及重要意义.92.3.2 过热汽温控制的难点.93 过热汽温控制策略.113.1 串级控制系统概述.113.2 过热汽温串级控制系统简介.123.3 过热汽温控制系统分析.123.4 过热汽温串级控制系统的特点.133.5 过热汽温串级控制系统的设计原则.134 某电厂汽温控制系统 SAMA 图分析研究.144.1 过热汽温控制系统简介.144.2 一级过热汽温控制系统 SAMA 图分析.144.2.1 一级过热控制系统原理分析.144.2.2 一级过热系统切手动逻辑.154.2.3 一级过热系统投自动的步骤.154.3 二级过热汽温控制系统 SAMA 图分析.164.3.1 二级过热系统原理分析.164.3.2 二级过热系统切手动逻辑.174.3.3 二级过热系统投自动的步骤.184.4 三级过热汽温控制系统 SAMA 图分析.184.4.1 三级过热系统原理分析.184.4.2 三级过热系统切手动逻辑.18华北电力大学科技学院毕业设计（论文）4.4.3 系统投自动的步骤.185 串级控制系统仿真实验.205.1 串级控制系统控制器的整定方法.205.2 一级过热汽温控制系统的 simulink 仿真及性能分析 .215.2.1 一级过热汽温控制系统 simulink 组态图. 215.2.2 一级过热汽温系统在定值扰动下的响应曲线.215.2.3 一级过热汽温系统在喷水量扰动下的响应曲线.225.3 二级过热汽温控制系统的 simulink 仿真及性能分析 .235.3.1 二级过热汽温控制系统 simulink 组态图. 235.3.2 二级过热汽温系统在定值扰动下的响应曲线.235.3.3 二级过热汽温系统在喷水量扰动下的响应曲线.24总结.25参考文献.26致谢.27华北电力大学科技学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 我国电力行业的发展状况电力是国民经济的重要支柱，是人类社会生活和生产中不可或缺的重要产业。随着我国装备制造水平的不断增强，单机容量 600MW 的机组已成为国内火电机组中的主力军。更大容量，更高参数的 1000MW 机组的研究也取得了惊人的成果，许多 1000MW 的机组相继建成投产。目前，我国的发电厂主要还是以火力发电厂为主。但是，近几年由于空气污染严重，我国已经在严格控制火电的规模；另一方面，考虑到煤炭、天然气等资源的不可再生性以及我国水利资源的可观性，我国正在大力发展水电站，此外，由于核电具有的高效、低耗、清洁的优点，所以国家在“十三五”规划中将大力发展核电作为调整我国能源结构的重要战略，今年在沿海城市有多个核电站陆续破土动工，如新建的山东海阳核电站、福建宁德核电站等，这些都标志着我国的能源结构正在向高效、节能、环保、安全、低耗的目标发展。据中电联发布的数据可知，截至 2014 年底，我国发电装机容量 136019万千瓦，同比增长 8.7%。全国基建新增发电设备容量 10350 万千瓦，其中，水电新增2185 万千瓦，火电新增 4729 万千瓦，核电新增 547 万千瓦，并网风电新增 2072 万千瓦，并网太阳能发电新增 817 万千瓦。其中水电装机提前一年半完成“十二五”规划目标，全年发电量达 10661 亿千瓦时，同比增长 19.7%，占全国发电量的 19.2%，比上年提高2.6 个百分点，火电我装机容量为 91569 万千瓦(含煤电 82524 万千瓦、气电 5567 万千瓦)，占全部装机容量的 67.4%，比 2013 年降低 1.7 个百分点。从以上数据可知，虽然火电机组的容量在我过发电装机总容量占有比率有所减少，但是在未来很长的一段时间内，火电机组仍是我国发电机组的主力军。1.2 课题背景及意义火电厂锅炉的过热汽温度对于电厂的安全、稳定、经济运行有决定性作用，一般要求将过热蒸汽温度控制在额定值5的范围内。过热蒸汽温度过高，机组的设备容易损坏；过热蒸汽温度过低，则会使机组的热效率降低。因此，必须将过热蒸汽温度严格的控制在给额定值附近。然而，在机组运行的过程中，机组的负荷是不断变化的，过热汽温对象的动态特性也在不断发生改变，特别是大参数、大容量机组，其动态特性变化更大，这些都对单元机组汽温控制系统的性能提出了更高的要求。单元机组汽温的稳定对机组的稳定、安全、经济运行具有非常重要的意义，主要体现在以下几个点:(1)汽温度过高会加速蒸汽管道以及锅炉受热面的蠕变，使设备的寿命大大的减少。例如，12Cr1MoV 钢在 580 的条件下寿命约为 10 万小时，而在 595条件下 3 万小时后就可能会丧失其应有的作用；主蒸汽温度过高还会使汽轮机的汽阀、汽缸、前几级喷嘴和汽轮机叶片、高压缸前轴承等部件的机械强度降低，部件热变形、温差热应力变大，华北电力大学科技学院毕业设计（论文）2从而使汽轮机的寿命大大的缩短。当严重超温时，管道金属材料的机械强度会急剧下降甚至可能出现蒸汽管道爆裂的危险状况。(2)汽温过低会导致单元机组煤耗增大，热效率降低。资料表明:主蒸汽温度热汽温降低 5，热效率将会降低 1%；主蒸汽温度降低 10，会使煤耗平均增加 0.2%1；另一方面，主蒸汽温度降低还会使汽轮机尾部的蒸汽含水量增大，这不仅使得汽轮机的效率降低，而且会造成汽轮机末几级叶片的浸蚀更加严重。同时，主蒸汽温度过低，汽轮机转子所受的轴向推力增大，这对机组稳定、安全运行是十分不利的。(3)汽温波动过大，不仅会使蒸汽管道及有关部件出现蠕变，还会引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差发生变化，甚至会引起汽机的剧烈振动，危及机组稳定、安全运行 2。总之，蒸汽温度是单元机组最重要的参数之一，现代大型单元机组对过热汽温参数的要求更高，一般要求中、高压锅炉过热汽温的暂态偏差不允许超出正常范围10，长期偏差不允许超出正常范围5。因此选择合适的控制策略是非常关键的。1.3 本课题研究的历史与现状 自 19 世纪 40 年代以来，由于 PID 控制具有其结构简单、实用且价格较低的特点且可以达到满意的控制效果，因此 PID 控制被广泛应用在单元机组汽温控制系统中。但是PID 控制也存在以下几方面的不足。(1)难以建立过热汽温对象的精确数学模型，且过热汽温对象具有大迟延、大惯性的特性，这些都使得在整定 PID 控制器参数时很难达到最优。(2)研究表明，过热汽温串级系统的结构与特点以及常规 PID 控制器自身的局限性使得整定参数时很难同时兼顾系统的汽温响应特性和抗干扰特性。(3)PID 控制器的线性控制规律难以克服过热汽温对象所具有的大惯性、大滞后的特性。因此，当系统出现设定值突变或者变发性干扰时，会引起被控量出现的较大偏差，而这对机组的。常规 PID 串级控制是利用导前汽温信号和过热汽温信号进行控制的，当惰性区的对象延迟和惯性较大时，控制品质会不理想。许多新型先进的控制理论应运而生，如神经网络控制，模糊控制，遗传算法等。通过引入这些先进的控制手段，单元机组汽温的控制取得了理想的控制品质。人工神经网络是当前主要的，也是非常重要的一种人工智能技术。它是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法应用最为广泛。人工神经网络以其高度的非线映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强，算法易于用硬件和软件实现。华北电力大学科技学院毕业设计（论文）3模糊控制是基于模糊语言推理的控制方法，适用于对象输入输出关系具有不确定性的系统，也适用于具有大惯性、大迟延对象特性的系统。近年来，基于模糊控制的一些新型控制策略已在大型单元机组的过热汽温控制系统中得到了应用。遗传算法 20Genetic Algoriths 简称 GA，是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串 1 或 0。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化三个 PID 参数，然后将控制量输出。具体实现是将三个 PID 参数串接在一起构成一个完整的染色体，从而构成遗传空间中的个体，通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体，经过多次搜索获得最大适应度值的个体即所求。在硬件上采用单片机控制，具有调试方便，温控精度高，抗干扰性强等优点。在软件上采用遗传算法对 PID参数进行优化控制，具有稳定，精度高的优点。总之，对于过热汽温控制这一类大惯性大时滞对象，常规 PID 控制难以取得好的控制效果。通过学习了解包括传统的 PID 控制、神经网络控制、模糊控制控制、遗传算法控制等控制策略，这些方案都各有优缺点，值得我们探索、研究和使用。神经网络采用自适应的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应快。缺点是容易陷入局部最优。采用遗传算法来训练神经网络可以实现结构与参数的快速全局寻优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的精确信息，与神经网络结合，能向自适应的方向发展。随着机组参数不断增大，许多新型的汽温控制系统设计方案不断涌现，如模糊控制与 PID结合(fussy-PID)，模糊控制与神经网络结合，模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合等。这些新型的高级控制手段的糅合使各种控制手段的优缺点相互补充，从而使过热汽温控制系统的精度大大提高。在如今机组向高参数、大容量发展的大环境下，具体采用哪种合适，还要根据具体的工艺要求和被控对象特性来确定，在实际投运过程中要综合考虑、灵活运用，将各种先进控制策略的设计思想糅合在一块并与实际情况相结合，才能达到最终的控制目标。1.4 本文研究的内容（1）了解单元机组汽温控制系统研究的历史和现状，汽温控制系统及其控制对象的特性。大概的了解各种控制策略，并选定自己熟悉的控制策略。（2）了解串级控制系统的特点及基本原理。（3）对某电厂的过热汽温控制系统的 SAMA 图进行分析。（4）了解各种整定方法，对一级、二级汽温控制系统分别进行仿真实验，熟悉参数整定的方法，分析控制系统的动态性能与抗干扰能力。华北电力大学科技学院毕业设计（论文）42 过热汽温控制系统2.1 汽包炉与直流炉汽水系统的区别2.1.1 汽包炉的汽水系统汽包炉的汽水系统主要由汽包，水冷壁，下降管，省煤器，过热器和再热器等部分组成。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,不断地吸收炉膛的辐射热量,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。高温高压的过热蒸汽进去汽轮机，推动转子带动发电机转动而将蒸汽的内能装换成电能。从高压汽轮机中排出的蒸汽，其温度、压力都有所降低，为了提高机组的热效率，需要把这部分蒸汽重新送回锅炉，通过再热器再次加热，然后再进入汽轮机的中、低压缸中做功，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。2.1.2 直流炉的汽水系统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、过热器和再热器等部分组成。直流炉与传统汽包炉在结构上的最大的区别就在于直流炉用汽水分离器代替了汽包，所以直流炉的蓄水能力不强，但是它对扰动和负荷变化的响应较快。因为直流锅炉没有汽包，所以它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影响，不仅适用于的亚临界机组，而且也适用于超临界机组以及超超临界机组。在直流炉汽水系统中，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。如果采用和汽包炉同样的喷水降温的手段，则当喷水量增加时，给水量就会减少，这样会使燃