超临界机组协调控制系统的分析与设计

南 京 工 程 学 院毕 业 设 计 说 明 书 (论 文 )作 者 ： 张 曼 学 号 ： 240072908 系 部 ： 康 尼 学 院 专 业 ： 热 能 与 动 力 工 程 （火 电 厂 集 控 运 行 ） 题 目 ： 超 临 界 机 组 协 调 控 制 系 统 的 分 析 与 设 计 指 导 者 ： 张 君 副 教 授 (姓 名 ) (专 业 技 术 职 务 )评 阅 者 ： (姓 名 ) (专 业 技 术 职 务 )2011 年 6 月 南 京毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要火 电 厂 超 临 界 机 组 协 调 控 制 系 统 是 一 个 多 变 量 被 控 对 象 ， 具 有 非 线 性 强 、参 数 时 变 大 、 迟 延 等 特 性 ， 针 对 这 些 特 性 ， 需 要 对 机 组 进 行 解 耦 控 制 ， 然 后对 控 制 算 法 进 行 改 进 ， 使 系 统 更 加 稳 定 的 运 行 。本 文 首 先 介 绍 了 协 调 控 制 系 统 的 控 制 方 案 ； 其 次 ， 对 协 调 控 制 系 统 的 影 响因 素 进 行 了 总 结 ， 分 析 了 超 临 界 机 组 的 动 态 特 性 以 及 超 临 界 机 组 在 100%负荷 下 的 动 态 数 学 模 型 ； 再 次 ， 通 过 对 该 超 临 界 机 组 数 学 模 型 相 对 增 益 的 计 算 ，结 果 表 明 ， 该 系 统 是 以 汽 机 跟 随 为 基 础 的 协 调 控 制 系 统 ； 然 后 ， 分 别 采 用 前馈 解 耦 和 对 角 阵 解 耦 两 种 方 法 对 超 临 界 机 组 协 调 控 制 系 统 进 行 了 仿 真 研 究 ，比 较 解 耦 后 与 解 耦 前 以 及 等 效 单 回 路 的 阶 跃 响 应 曲 线 ； 最 后 ， 对 机 组 的 控 制效 果 进 行 改 进 ， 利 用 积 分 分 离 PID 控 制 算 法 对 超 临 界 机 组 100%负 荷 模 型 进行 了 仿 真 研 究 ， 并 与 常 规 PID 控 制 算 法 进 行 了 比 较 ， 结 果 表 明 ： 积 分 分 离PID 控 制 算 法 比 常 规 PID 控 制 算 法 能 够 显 著 降 低 系 统 的 超 调 量 ， 使 系 统 更 趋与 稳 定 运 行 。关 键 词 ： 协 调 控 制 解 耦 控 制 PID 控 制 积 分 分 离 PID 控 制毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title The Analysis And Design of the Coordinated Control System of the Supercritical UnitAbstractThe coordinated control system of boiler-turbine is a complicated multi-variable control object, and it has some characters such as nonlinear, time-varying parameters and large delay。 According to these characteristics, need to decouple control unit, then to control algorithm was improved, make the system more stable operation 。Firstly ， this article introduces the control schemes of coordinated control system are presented; Secondly, summarizes the influence of factors of coordination control system ，analyzes the dynamic characteristic of supercritical unit in 100% load and supercritical unit under the dynamic mathematical model ;Again, through the calculation of relative gain mathematical model, the result shows that ,this system is based on turbine follow coordinated control system ; Then, we adopt feedforward decoupling and diagonal matrix decoupling two methods coordinated control system of supercritical unit simulated research, compare decoupling control and not decoupling control effect and completely decoupling single loop control effect after the difference ; Finally, on the unit control effect, using improved integral separation PID control algorithm for supercritical unit 100% load model and simulation with the conventional PID control algorithm is compared, results show that: integral PID control algorithm is better than conventional PID control algorithm can significantly reduce the system overshoots, make the system more hasten and stable operationKeyword: The coordinated control system(CCS); Decoupling; PID controller; PID controller using integral separation南京工程学院毕业设计说明书（论文）目 录前 言 .1第 一 章 绪 论 .21.1 单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 的 研 究 目 的 及 意 义 .21.2 单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 的 研 究 现 状 .21.2.1 国 内 外 协 调 控 制 的 应 用 现 状 .31.3 研 究 内 容 与 研 究 计 划 .4第 二 章 机 炉 协 调 控 制 系 统 概 述 .62.1 协 调 控 制 系 统 概 述 .6122.1.1 协 调 控 制 系 统 的 基 本 策 略 .82.2 协 调 控 制 系 统 的 数 学 模 型 分 析 .102.2.1 超 临 界 机 组 协 调 控 制 系 统 的 特 点 .102.2.2 超 临 界 机 组 协 调 控 制 系 统 的 数 学 模 型 .15第 三 章 多 变 量 耦 合 系 统 概 述 .213.1 概 述 .213.2 前 馈 补 偿 解 耦 法 .273.3 对 角 矩 阵 法 .283.4 解 耦 控 制 效 果 比 较 .343.4.1 模 型 降 阶 .3453.4.2 前 馈 补 偿 法 开 环 解 耦 控 制 效 果 比 较 .413.4.3 对 角 矩 阵 法 开 环 解 耦 控 制 效 果 的 比 较 .463.5 小 结 .51第 四 章 协 调 控 制 系 统 的 控 制 策 略 .534.1 机 跟 炉 协 调 控 制 系 统 .544.1.1 补 偿 锅 炉 侧 扰 动 的 机 跟 炉 协 调 系 统 .544.1.2 补 偿 汽 机 侧 扰 动 的 机 跟 炉 协 调 系 统 .554.1.3 实 现 双 向 补 偿 的 机 跟 炉 协 调 系 统 .564.2 炉 跟 机 协 调 控 制 系 统 .57南京工程学院毕业设计说明书（论文）4.2.1 补 偿 锅 炉 侧 扰 动 的 炉 跟 机 协 调 系 统 .574.2.2 补 偿 汽 机 侧 扰 动 的 炉 跟 机 协 调 系 统 .584.2.3 实 现 双 向 补 偿 的 炉 跟 机 协 调 系 统 .58第 五 章 协 调 控 制 系 统 的 仿 真 研 究 与 分 析 .605.1 解 耦 后 单 回 路 控 制 系 统 的 整 定 .605.2 前 馈 法 闭 环 解 耦 与 等 效 单 回 路 控 制 效 果 的 比 较 .675.2.1 前 馈 法 闭 环 解 耦 后 的 整 定 .675.2.2 前 馈 补 偿 法 闭 环 解 耦 控 制 系 统 与 等 效 单 回 路 控 制 系 统 的 仿 真 比 较 .725.3 对 角 矩 阵 法 闭 环 解 耦 与 等 效 单 回 路 控 制 效 果 的 比 较 .745.3.1 对 角 矩 阵 法 解 耦 后 的 整 定 .745.3.2 对 角 矩 阵 法 解 耦 控 制 系 统 与 等 效 单 回 路 控 制 系 统 的 仿 真 比 较 .795.4 小 结 .81第 六 章 改 进 积 分 算 法 的 协 调 控 制 系 统 仿 真 研 究 .826.1 采 用 积 分 分 离 PID 控 制 器 的 仿 真 研 究 .826.2 小 结 .87第 七 章 结 论 .89参 考 文 献 .90致 谢 .92南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 1 页 前 言众 所 周 知 ， 我 国 现 阶 段 正 处 在 电 力 建 设 的 高 峰 期 。 根 据 国 家 的 “十 一 五 ”电 力 规 划 ， 2010 年 发 电 装 机 将 要 达 到 5.8 6 亿 千 瓦 左 右 ， 其 中 火 电 在 4 亿千 瓦 以 上 ， “十 一 五 ”电 力 安 排 投 产 在 1.65 亿 千 瓦 左 右 ， 而 其 中 火 电 为 8500万 千 瓦 ， 到 2020 年 全 国 规 划 装 机 容 量 预 计 达 到 9 9.5 亿 千 瓦 左 右 ， 其 中63 为 火 电 装 机 容 量 。 而 现 阶 段 300MW、 600MW 等 大 容 量 、 高 参 数 、 单 元 制 机组 已 经 成 为 火 力 发 电 的 主 力 机 组 ， 1000MW 也 已 陆 续 投 入 生 产 。目 前 ， 超 临 界 机 组 是 我 国 新 建 或 扩 建 火 力 发 电 厂 的 主 流 机 组 ， 随 着 越 来 越 来多 的 大 容 量 、 高 参 数 机 组 的 投 运 ， 现 代 化 电 力 生 产 对 机 组 运 行 安 全 性 、 经 济 性要 求 的 提 高 ， 使 其 自 动 化 水 平 也 得 到 了 很 大 的 提 高 ， 自 动 化 已 经 在 生 产 过 程 中起 到 了 至 关 重 要 的 作 用 。 超 临 界 机 组 是 以 汽 水 一 次 循 环 为 特 征 的 直 流 锅 炉 ， 是强 耦 合 、 非 线 性 、 多 参 数 的 被 控 对 象 ， 必 须 同 时 考 虑 锅 炉 惯 性 较 大 ， 汽 机 反 应较 快 的 特 点 ， 将 机 炉 看 作 联 系 紧 密 的 一 体 化 对 象 ， 采 用 协 调 控 制 （ CCS） 策 略 ；单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 是 在 常 规 的 机 炉 局 部 控 制 系 统 的 基 础 上 发 展 起 来 的 复 杂控 制 系 统 ， 具 有 多 种 控 制 功 能 ， 能 够 满 足 不 同 运 行 方 式 和 不 同 工 况 下 的 控 制 要求 。 随 着 技 术 的 发 展 ， 对 单 元 机 组 控 制 提 出 更 高 的 要 求 ， 研 究 单 元 机 组 协 调 控制 系 统 ， 将 有 助 于 提 高 火 电 厂 的 自 动 化 程 度 和 安 全 经 济 运 行 水 平 ， 因 此 具 有 很重 要 的 现 实 意 义 ； 又 由 于 协 调 控 制 系 统 的 被 控 对 象 是 一 个 多 变 量 被 控 对 象 ， 具有 非 线 性 、 参 数 时 变 、 大 迟 延 等 特 性 。 而 且 机 、 炉 耦 合 严 重 ， 机 、 炉 响 应 特 性差 异 巨 大 ， 精 确 的 数 学 模 型 难 于 得 到 ， 常 规 机 炉 协 调 控 制 系 统 的 控 制 策 略 远 远不 能 满 足 电 网 对 单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 的 要 求 。 因 此 ， 需 要 对 单 元 机 组 协 调 控制 系 统 的 被 控 对 象 特 性 及 控 制 策 略 进 行 深 入 研 究 。南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 2 页 第 一 章 绪 论1.1 单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 的 研 究 目 的 及 意 义近 年 来 ， 随 着 我 国 电 力 工 业 体 制 改 革 及 电 力 建 设 步 伐 的 加 快 ， 长 期 制 约 国 民经 济 发 展 和 人 民 生 活 水 平 提 高 的 电 力 紧 缺 问 题 基 本 得 到 缓 解 。 但 是 ， 由 于 用 电结 构 发 生 明 显 变 化 ， 电 网 负 荷 峰 谷 差 呈 不 断 增 大 趋 势 ， 电 力 系 统 面 临 着 电 网 峰谷 差 偏 大 、 调 峰 能 力 不 足 的 矛 盾 。 电 网 AGC 控 制 对 单 元 机 组 提 出 了 深 度 调 峰的 要 求 。 对 单 元 机 组 来 说 ， 也 就 是 对 其 协 调 控 制 系 统 的 控 制 品 质 提 出 了 更 高 的要 求 。 主 要 包 括 :大 范 围 的 负 荷 变 动 ， 良 好 的 负 荷 动 静 态 跟 踪 性 能 、 稳 定 性 能 等 。目前，我国中小机组还占相当大的比例，且自动化水平较低，造成 CCS 的投入率很低。即使是大容量的新机组，其 CCS 的投入水平也往往不能适应电网 AGC 的要求。因此，设计合理适用的协调控制系统方案、改造不同容量的新老机组是迫切需要解决的实际问题。单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 把 锅 炉 和 汽 轮 机 发 电 机 组 作 为 一 个 整 体 进 行 控 制 ， 采用 了 递 阶 控 制 系 统 结 构 ， 把 自 动 调 节 、 逻 辑 控 制 、 联 锁 保 护 等 功 能 有 机 的 结 合在 一 起 ， 构 成 一 种 具 有 多 种 控 制 功 能 ， 满 足 不 同 运 行 方 式 和 不 同 工 况 下 控 制 要求 的 综 合 控 制 系 统 。 单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 的 设 计 充 分 利 用 了 机 炉 对 象 特 性 方面 的 特 点 ， 采 用 了 前 馈 、 补 偿 、 多 变 量 解 耦 等 控 制 策 略 ， 使 控 制 系 统 具 有 合 理 、可 靠 、 易 于 维 护 调 整 等 优 点 。1.2 单 元 机 组 协 调 控 制 系 统 的 研 究 现 状传 统 意 义 上 的 协 调 控 制 有 两 种 划 分 方 式 :一 种 是 根 据 系 统 发 展 的 基 础 按 照 机跟 炉 或 炉 跟 机 的 方 式 来 划 分 。 另 一 种 是 从 能 量 平 衡 的 观 点 出 发 ， 将 协 调 控 制 系统 分 为 直 接 能 量 平 衡 (DEB)和 间 接 能 量 平 衡 系 统 (IEB)两 大 类 。 协 调 控 制 的 本 质就 是 维 持 机 组 在 运 行 过 程 中 机 炉 之 间 供 需 能 量 的 平 衡 。 通 常 把 机 前 压 力 P:作为 锅 炉 输 出 能 量 与 汽 机 需 求 能 量 之 间 平 衡 的 特 征 参 数 。 通 过 控 制 间 接 参 数 来 维持 整 个 机 组 能 量 平 衡 的 系 统 ， 称 为 间 接 能 量 平 衡 系 统 。 通 过 构 造 出 能 量 平 衡 信号 ， 并 以 此 直 接 控 制 能 量 输 入 的 系 统 ， 称 为 直 接 能 量 平 衡 系 统 。 从 目 前 工01程 领 域 的 应 用 来 看 ， 无 论 是 直 接 能 量 平 衡 协 调 控 制 系 统 还 是 间 接 能 量 平 衡 协 调控 制 系 统 都 属 于 近 似 解 祸 设 计 方 法 范 畴 。 这 类 系 统 通 常 具 有 以 下 局 限 性 :(l)间 接 能 量 平 衡 协 调 控 制 系 统 的 设 计 往 往 是 在 机 炉 独 立 控 制 回 路 的 基 础 上南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 3 页 加 入 前 馈 控 制 。 这 种 设 计 是 基 于 静 态 的 近 似 解 祸 。 因 此 无 法 考 虑 系 统 的 不 确 定性 扰 动 、 非 线 性 等 因 素 。 系 统 的 鲁 棒 性 能 较 差 。(2)锅 炉 系 统 的 大 时 延 、 大 惯 性 等 问 题 没 有 充 分 的 考 虑 。 因 此 很 难 在 快 速 的汽 轮 机 控 制 回 路 和 相 对 较 慢 的 锅 炉 控 制 回 路 之 间 达 到 快 速 的 能 量 平 衡 。(3)系 统 的 设 计 与 整 定 一 般 基 于 特 定 的 工 作 点 线 性 化 处 理 ， 没 有 考 虑 动 态 非线 性 及 大 范 围 适 应 性 等 。(4)基 于 简 化 的 建 立 在 传 递 函 数 基 础 上 的 单 元 机 组 动 态 数 学 模 型 来 设 计 的 协调 控 制 系 统 无 法 考 虑 相 关 系 统 相 对 较 弱 的 祸 合 关 系 的 影 响 及 机 组 的 动 态 时 变 性等 。021.2.1 国 内 外 协 调 控 制 的 应 用 现 状目 前 ,国 内 的 协 调 控 制 系 统 基 本 上 都 是 在 引 进 系 统 的 基 础 上 设 计 和 改 进 的 ，国 内 厂 家 以 和 利 时 公 司 的 HS-2000 系 列 比 较 成 功 ， 但 市 场 占 有 率 还 很 低 ， 国内 众 多 电 厂 已 成 功 地 应 用 了 国 外 的 控 制 系 统 。 广 东 沙 角 发 电 厂 A 厂 3 号 机 组采 用 德 国 Hartmann&Braun 公 司 的 Symphony 分 散 控 制 系 统 ， 其 协 调 控 制 方 案采 用 以 机 跟 炉 为 基 础 的 IEB 控 制 方 案 。 秦 皇 岛 热 电 厂 引 进 美 国 MCS 公 司03的 MAX1000 分 散 控 制 系 统 ， 协 调 控 制 系 统 采 用 以 能 量 直 接 平 衡 (DEB)为 基 础的 炉 跟 机 控 制 策 略 。 山 西 神 头 一 电 厂 6 号 机 组 系 统 改 造 成 INFI-90 分 散 控04制 系 统 ， 协 调 控 制 方 式 为 机 跟 炉 协 调 ， 采 用 IEB 的 控 制 策 略 。 山 东 十 里 泉5电 厂 6 号 和 7 号 机 组 采 用 美 国 西 屋 公 司 的 WDPF 分 散 控 制 系 统 作 为 硬 件 平 台 ，协 调 控 制 方 式 采 用 直 接 能 量 平 衡 (DEB)的 思 想 ,以 炉 跟 机 为 基 础 。 山 西 阳 泉06二 电 厂 3 号 机 组 采 用 了 SIEMENS 公 司 的 Teleperm-Xp 分 散 控 制 系 统 ， 协 调 控制 系 统 采 用 SIEMENS 的 控 制 策 略 ， 该 系 统 以 锅 炉 跟 随 为 基 础 ， 并 综 合 采 用 了各 种 前 馈 控 制 方 案 功 率 调 节 和 主 汽 压 力 调 节 由 机 炉 作 为 统 一 整 体 来 共 同 完 成。 国 电 北 仑 电 厂 1 000 MW 超 超 临 界 机 组 工 艺 过 程 ， 提 出 了 超 超 临 界 机 组07协 调 控 制 优 化 方 案 ， 采 用 了 一 系 列 改 进 措 施 来 改 善 过 程 协 调 性 与 动 态 品 质 ， 如加 快 锅 炉 动 态 响 应 的 并 行 前 馈 控 制 ， 在 锅 炉 主 控 制 器 中 通 过 变 参 数 控 制 ， 对 进入 给 水 指 令 的 锅 炉 主 指 令 进 行 分 解 ， 然 后 通 过 反 馈 信 号 来 校 正 前 馈 等 ， 获 得 了满 意 的 效 果 。08美 国 的 L&N 公 司 首 先 发 明 了 DEB 的 控 制 方 案 ， 其 协 调 控 制 方 式 基 本 以DEB 为 主 而 美 国 的 FOXBORO 公 司 的 协 调 方 案 也 是 以 DEB 为 主 。 对 于 日 本 的南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 4 页 日 立 公 司 的 HAICS-1000 协 调 控 制 系 统 以 锅 炉 跟 随 为 基 础 ， 从 能 量 的 角 度 来 看它 以 功 率 指 令 信 号 作 为 前 馈 ， 所 以 它 也 是 能 量 间 接 平 衡 系 统 (IEB)。综 合 以 上 协 调 控 制 系 统 的 分 析 ， 可 以 发 现 西 欧 和 日 本 的 协 调 控 制 系 统 基 本 采用 间 接 能 量 平 衡 (IEB)为 主 ， 而 美 国 的 公 司 基 本 上 采 用 了 能 量 直 接 平 衡 (DEB)为 主 。1.3 研 究 内 容 与 研 究 计 划本 论 文 主 要 研 究 的 内 容 是 以 下 几 面 ：（ 1） 协 调 控 制 系 统 的 控 制 方 案 综 述协 调 控 制 系 统 按 反 馈 回 路 分 类 ， 可 分 为 以 机 跟 炉 为 基 础 和 以 炉 跟 机 为 基 础 的协 调 控 制 系 统 。 由 于 纯 粹 的 机 跟 炉 和 炉 跟 机 系 统 都 有 较 大 的 缺 点 ， 所 以 ， 在 单元 机 组 中 一 般 都 加 入 前 馈 补 偿 信 号 作 为 机 炉 彼 此 协 调 动