（控制理论与控制工程专业论文）超超临界机组燃水比控制策略研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超超临界机组燃水比控制策略研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期i n j ，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 壶童坚 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着锅炉朝着大容量、高参数的方向发展，超超临界机组的特点日益显现：大 大降低了煤耗，节约了能源，减少了排污量，提高了经济效益。超超临界机组将 是我国今后火电发展的主力机型，而燃水比控制是超超临界直流锅炉控制的关键 和难点，而且控制效果制约着超超临界机组的整体控制水平。本文针对超超临界直 流锅炉运行特性，提出了一种多变量解耦内模控制方法。该方法结合了多变量内模 控制算法和解耦算法，应用于超超临界锅炉燃水比系统中。仿真结果表明：该设计 方案具有良好的解耦效果，控制系统的调节品质令人满意，并具有良好的鲁棒性和 抗干扰能力。 关键词：超超临界机组，燃水比，解耦，多变量i m c a b s t r a c t a st h eb o i l e rd e v e l o pt o w a r d s l a r g ev o l u m ea n dh i g hp a r a m e t e r , t h eu l t r as u p e r e r i t i c a l u n i t sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r , w h i c hr e d u c et h ec o a lc o n s u m p t i o n ，e c o n o m i z et h e e n e r g ys o u r c e ，l e s s e nt h ed i s c h a r g ec a p a c i t y , a n de n h a n c et h ee c o n o m yb e n e f i t t h e u l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i t sw i l lb et h em a i nt y p eo ff o s s i lp o w e ru n i ti nc h i n a ，a n dc o n t r o lo f r a t i oo ff u e lt ow a t e ri st h ek e ya n dt h ed i f f i c u l t yi nc o n t r o l l i n gt h eu l t r as u p e r e r i t i e a lu n i t s ， b u ta l s or e s t r i c t st h ew h o l ec o n t r o ll e v e lo ft h eu l t r as u p e r c r i t i e a lu n i t s a c c o r d i n gt ot h e r u n n i n g f e a t u r e so fu l t r a s u p e r c r i t i c a lo n c e - t h r o u g hb o i l e r , t h e a r t i c l e p r o p o s e s a m u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n ga n di n t e r n a lm o d e lc o n t r o lm e t h o d t h em e t h o di sb a s e do na c o m b i n a t i o no fm u l t i v a r i a b l ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o la l g o r i t h ma n dd e e o u p l i n ga l g o r i t h m ，a l s o u s e df o r t h er a t i oo ff u e lt ow a t e ro ft h eu l t r as u p e r c r i t i c a lo n c e - t h r o u g hb o i l e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ed e s i g np r o g r a mc a l ld e c o u p l ec o n t r o lv e r yw e l l ，t h eq u a l i t y o fc o n t r o ls y s t e mi sg o o da n dt h er o b u s t n e s sa n da n t i i n t e r f e r e n c eq u a l i t ya r ea l s og o o d g a oy u - f e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i - - z h e na n dp r o f n i uy u - g u a n g k e yw o r d s ：u l t r as u p e r c r i t i c a lu n i t ，r a t i oo ff u e lt o w a t e r , d e c o u p l i n g ， m u i t i v a r i a b l ei n t e r n a im o d e lc o n t r o i 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 相关研究现状和发展3 1 - 2 1 燃水比控制策略研究3 1 2 2 燃水比调节信号研究4 1 - 3 本文的主要研究工作4 第二章超超临界机组控制特性分析6 2 1 超超临界直流锅炉特性6 2 1 1 直流炉工作原理。6 2 1 2 直流炉静态特性6 2 1 3 直流炉动态特性7 2 2 超超临界直流锅炉的控制特点9 2 2 1 直流锅炉控制中的问题9 2 2 2 超超临界机组控制特点1 0 2 3 超超临界直流锅炉燃水比控制1 1 2 3 1 燃水比控制任务l l 2 3 2 燃水比调节的反馈信号1 2 2 4 国电泰州超超临界直流炉概要1 3 2 4 1 泰州超超临界直流炉介绍1 3 2 4 2 泰州电厂燃水比调节特点1 4 第三章多变量系统解耦内模控制1 9 3 1 引言1 9 3 2 内模控制基本原理2 0 3 2 1 内模控制结构及其等价形式2 0 3 2 2 内模控制的主要性质。2 2 3 2 2 1 对偶稳定性2 2 3 2 2 2 理想控制器特性2 2 3 2 2 3 零稳态偏差特性2 3 3 2 3 内模控制的实现问题2 3 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4 内模控制器的设计方法2 4 3 2 5 设计示例( 一阶加纯滞后过程) 2 5 3 3 多变量系统解耦内模控制2 6 3 3 1 解耦方法2 6 3 3 2 多变量解耦内模控制结构2 7 3 3 3 设计示例2 9 第四章多变量内模控制在燃水比调节中的应用研究3 l 4 1 超超临界直流锅炉燃料给水系统辨识建模3 1 4 1 1 辨识方法介绍3l 4 1 2 原始数据处理3 2 4 1 3 直流锅炉燃料给水系统建模3 2 4 2 多变量i m c 燃水比控制系统设计及仿真一3 7 4 2 18 0 负荷下控制系统位置跟随性能比较3 9 4 2 28 0 负荷下控制系统抗干扰性能比较4 1 4 2 - 3 变负荷情况下控制系统鲁棒性比较4 2 第五章结论与展望4 4 5 1 论文的主要工作与总结4 4 5 2 存在的问题及今后工作的展望。4 4 参考文献4 6 致 射5 0 附录5 1 泰州超超临界机组典型工况下运行数据5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 7 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 我国的煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数 几个以煤炭为主要一次能源的国家之一。已探明的煤炭保有量为l 亿万吨，占一次 能源的9 0 以上。我国一次能源结构决定了我国发电机中火电机组占绝对优势。2 0 0 6 年底，我国火电机组总容量占发电装机总容量的比例为7 7 8 2 t 。 能耗高和环境污染严重是目前我国火电厂中存在的两大突出问题，并成为制约 我国电力工业乃至整个国民经济发展的重要因素。因此，在能源日趋紧张、环境日 益恶化的情况下，为节约能源和减轻环境污染，必须发展洁净煤发电技术，即：循 环流化床( c f b c ) 、增压流化床联合循环( p f b c - - c c ) 、整体煤气化联合循环( i g c c ) 以及超临界( s c ) 与超超临界技术( u s c ) 。发展超临界、超超临界机组是提高我国能 源利用率现实可行的选择，其发电净效率为4 5 左右，与i g c c ( 整体煤气化联合 循环发电) 和p f b c - - c c ( 增压流化床燃气蒸汽联合循环发电) 相当；并且超临界、 超超临界机组具有良好的负荷调节特性，在部分负荷下依旧能保持较高的效率，基 建投资、发电成本也较i g c c 和p f b c - - c c 优越，是2 l 世纪电力工业的主力机组。 结合我国的能源资源状况和电力技术发展的实际水平等具体因素，当前积极发展作 为洁净煤发电技术之一的超临界、超超临界火电技术很有必要【i 】。 超临界、超超临界火电机组是常规蒸汽动力火电机组的自然发展和延伸。提高 蒸汽的初参数( 蒸汽压力和蒸汽温度) 一直是提高这类火电厂效率的主要措施【2 】。 在一定范围内，新蒸汽温度和再热蒸汽温度每提高1 0 ，机组的耗热就可下降 0 2 5 0 3 。当蒸汽压力提到高于2 2 1 m p a 时就称为超临界机组，习惯上又将超 临界机组分为两个层次：常规超临界机组，其主蒸汽压力一般为2 4 m p a 左右， 主蒸汽和再热蒸汽温度为5 4 0 - 5 6 0 ；超超临界机组，其主蒸汽压力为2 5 m p a 及以上，主蒸汽及再热蒸汽温度为5 8 0 及以上【3 】。与常规超临界机组相比，超超 临界机组的热效率可提高3 左右，而相对于亚临界机组其热效率更要高6 左右【4 1 。 与此同时，超超临界机组的供电煤耗也有较大幅度的降低。表卜l 给出了不同参数 机组的热效率和供电煤耗数据。 华北电力大学硕十学位论文 表1 - 1 不同参数机组的热效率和供电煤耗 机组类型主蒸汽压力主蒸汽再热蒸汽热效率( )供电煤耗 ( m p a )温度( )( g k w h ) 亚临界机组 1 7 5 4 0 5 4 0 3 83 2 4 超临界机组 2 4 5 6 7 5 6 7 4 13 0 0 超超临界机组 2 56 0 0 6 0 04 42 7 8 注：供电煤耗是用标煤量统计的。 由此可见，与亚临界和超临界机组相比，超超临界机组在经济性方面有了更大 提高。近些年来，超超临界机组的发展同趋成熟，其在可用率、可靠性、运行灵活 性和机组寿命等方面已经可以和亚临界机组相媲美。运行实践表明，超超临界机组 的变压运行方式能较好地满足调峰的需要。 据有关资料分析表明，一台年运行7 5 0 0 h 的6 5 0 m w 机组，如果采用 2 7 m p a 5 8 0 6 0 0 的超超临界参数，将比参数为1 8 m p a 5 4 0 5 4 0 的亚临界机组 年节省煤炭9 7 5 0 0 t ，少排放c 0 2 气体2 7 0 0 0 0 t ，因此我国发展超超临界机组在保护 环境、节约能源方面都具有重大的现实意义。新一代大容量超超临界燃煤机组已具 备了优良的经济、环保和启动调峰运行性能，并在低负荷时仍然保持较高的效率。 从我国国情出发，发展超超临界机组有利于降低我国平均供电煤耗，有利于电网调 峰的稳定性和经济性，有利于保护生态环境，提高环保水平，有利于实现技术跨越， 创建国际一流的火力发电厂。 近十几年来，世界上许多发达国家都在积极开发和应用超超临界机组，其中技 术领先的国家有德国，日本，丹麦等。德国是发展超超临界发电技术最早的国家之 一，其在早期追求高参数，但后来蒸汽参数降低并长期稳定在2 5 m p a 5 4 5 5 4 5 的水平上，之后蒸汽参数逐步提高。2 0 0 3 年投产的n i e d e r a u s s e n 电厂参数为 9 6 5 m w 2 6 m p a 5 8 0 6 0 0 ，设计热效率为4 4 5 。日本因能源短缺，燃料主要依 赖进口，因此采用的超临界机组较多( 占总装机容量的6 0 以上) 。1 9 8 9 年和1 9 9 0 年，日本的川越电厂先后投运了两台参数为7 0 0 m w 3 l m p a 5 6 6 5 6 6 5 6 6 的机 组。这是同本发展超超临界发电技术的标志性机组。丹麦也非常重视发展超超临界 机组，其在提高机组蒸汽参数的同时，还利用低温海水冷却大幅提高机组效率。1 9 9 8 年投运的n o r d j y l l a n d 电厂机组参数为4 0 0 m w 2 8 5 m p a 5 8 0 5 8 0 5 8 0 ，机组效 率高达4 7 。2 0 0 1 年投运的a v v 2 电厂中一台超超临界机组的效率高达4 9 ，这 也是目前世界上运行效率最高的超超临界机组。 我国在本世纪初开始大力发展超超临界发电技术。目前已有华能玉环、华电邹 县、国电泰州等电厂的百万千瓦机组投入商业运行。其中华能玉环电厂一期工程是 2 华北电力人学硕十学位论文 超超临界机组国产化示范项目，一期建设2 台1 0 0 万千瓦机组，于2 0 0 4 年6 月开 工，2 0 0 6 年1 2 月建成投产。机组主蒸汽压力达到2 6 2 5 m p a ，主蒸汽和再热蒸汽温 度达到6 0 0 ( 2 ，是目前国内单机容量最大、运行参数最高的超超临界机组之一。发 展高效率、低煤耗的超超临界发电技术可以推进我国火电机组的升级换代，提高煤 炭资源的利用率，改善环境质量。超超临界机组也将成为我国今后2 0 到3 0 年的主 要发展机型p j 。 影响超超临界机组发展的主要原因除金属材料的原因外，综合控制水平越来越 成为制约超超临界机组发展的重要因素。其中燃水比控制更是超超临界直流锅炉控 制的关键和难点，其控制效果制约着超超临界机组的整体控制水平。直流锅炉运行 时，进入锅炉的给水一次通过锅炉受热面变成蒸汽，没有明确而稳定的汽水分界面， 燃料量和给水流量的改变都会引起汽水分界面的改变。在某种负荷下一旦实际汽水 分界面偏离设计值较多，必将导致锅炉出口主蒸汽温度大幅升高或降低，这时仅靠 过热器减温喷水不可能将主蒸汽温度控制在允许范围之内，会严重威胁机组的安全 运行。可见，必须保证锅炉内部汽水分界面基本保持在该负荷下设计值附近，即必 须按照负荷要求严格控制好燃水比。 1 2 相关研究现状和发展 1 2 1 燃水比控制策略研究 国内外大批科技工作者对燃水比控制策略进行了深入研究，取得了一系列研究 成果。机组的主要设备之一是锅炉，由于在临界参数下汽水密度相等，因此在超临 界压力下无法维持自然循环，故不能采用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。与汽 包锅炉相比直流锅炉在控制上有其特殊性，最显著的区别是，直流锅炉中没有把给 水控制系统与汽温控制系统和燃烧控制系统隔离开来。而且超临界直流锅炉是多变 量控制系统，直流锅炉的控制任务与汽包锅炉有很大差别。 超临界直流锅炉调节系统中，最主要的是给水调节和燃料调节系统，这两个调 节系统的正确协调动作与配合，使锅炉的负荷达到要求，也使过热汽温基本稳定。 由于燃料量和给水量的变化都对输出功率产生明显影响，所以对于直流锅炉的负荷 调节就存在着下列两种不同的原则方案：第一种方案是，以燃料量作为协调控制系 统的主动调节量，调节负荷或机日 压力；以给水量作为从动调节量，调节中间点( 微 过热蒸汽) 温度或焓值，保证燃水比；第二种方案是，以给水量为主动调节量，调节 负荷或汽压；以燃料量为从动调节量，调节微过热段喷水减温器前后温差，保证燃 水比，实现过热汽温粗调。 亚临界直流锅炉一般采用中储式制粉系统，用燃料量控制中问点温度或焓值为 主要手段，例如文献 6 中介绍的绥中发电责任有限公司8 0 0 m w 机组；而超临界锅 3 华北电力人学硕十学位论文 炉常采用直吹式制粉系统，惯性较大，用燃料量控制中间点温度或焓值比用给水流 量控制迟延大。且从减少锅炉热应力及锅炉寿命考虑，动态温度控制应优先于压力 控制，因此超临界机组以给水流量控制中间点温度或焓值为主要方案。 目前超临界直流锅炉燃料给水调节系统大部分采用传统p i d 设计，这主要是因 为p i d 控制器结构简单，便于调节，能满足大量工业过程的控制要求。但应用于复 杂对象仍有不足，原因有：p i d 是建立在准确模型基础之上，而超临界直流锅炉很 难得到准确模型；预整定的p i d 参数只是相对于某一点上最优，不适合动态特性大 范围变化的系统。另外，电厂热工对象是非线性的，而p i d 调节器本质上属于线性 控制，对一些复杂过程且参数时变的系统，p i d 不能很好的满足要求。 由于超临界机组特性较亚临界机组更为复杂，被控特性较差，远比亚临界机组 难于控制，在理论研究方面相对于亚临界机组来说也比较滞后，先进的控制理论还 未能广泛应用。国外一些学者分别采用了自适应控制理论、模糊控制理论对大型直 流锅炉给水燃烧控制进行了研究【7 】，为我们提供了参考价值。 1 2 2 燃水比调节信号研究 燃水比保持不变时，过热器出口蒸汽焓值不变。对于汽水行程中某一点而言， 这个结论同样也是正确的。换言之，汽水行程中某一点工质焓值的变化反映了燃水 比的变化。大量试验证明，燃料量或给水量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动 态特性曲线形状相似，而越接近于汽水行程的入口，惯性和滞后就越小。所以，人 们取汽水行程中某一点工质的焓值作为反映燃水比的信号。当锅炉作定压运行时， 由于工质的焓与温度之间有一定的关系，也可取汽水行程中某一点工质的温度作为 反映燃水比的信号。 目前对于超临界直流炉的过热汽温调节大多是以锅炉汽水分离器处( 一般称之 为中间点) 的微过热蒸汽温度值或微过热蒸汽焓值作为燃水比调节信号，再通过控 制减温水量对过热汽温进行细微调节以使锅炉正常、高效运行【1 2 4 1 。这是因为微过 热蒸汽之前各受热面的吸热量约占工质总吸热量的6 0 左右，这些受热面包括对流、 辐射等各种受热面，具有一定的代表性，而且惯性较小，能够获得较好的控制质量。 文献 15 提出将辐射能信号运用到3 0 0 m w 直流锅炉燃水比系统中，这对于超临界 和超超临界机组的优化控制具有一定的借鉴意义。 1 3 本文的主要研究工作 本文以国电泰州电厂1 0 0 0 m w 超超临界机组为研究对象，主要工作如下： ( 1 ) 超超临界机组控制特性分析 介绍了超超临界机组的原理及特性，分析了其控制系统的现状及难点。针对超 超临界直流锅炉多变量、非线性、大迟延、大惯性的特点，提出了多变量内模控制 4 华北电力人学硕十学位论文 策略。 ( 2 ) 燃水比控制系统对象特性分析及模型建立 重点分析了超超临界直流锅炉的机理特性，根据其整体运行情况，确定被控对 象的动态特性，并根据现场机组运行数据利用最d x - - 乘法对系统模型进行辨识。建 立了8 0 、1 0 0 两种工况下的燃水比动态数学模型。 ( 3 ) 燃水比先进控制策略研究 超超临界直流锅炉是一个具有强耦合的多输入多输出系统，本文在相关文献基 础上开展了燃水比先进控制策略的研究，将多变量解耦内模控制应用于燃水比控 制，并依据所建机组在不同负荷点上的动态数学模型，进行控制器设计及仿真研究， 通过与常规p i d 控制器在跟随性、抗干扰性和鲁棒性三方面的比较，验证了该控制 系统的可行性和优越性。 5 华北电力人学硕十学位论文 第二章超超临界机组控制特性分析 2 1 超超临界直流锅炉特性 2 1 1 直流炉工作原理 直流锅炉的汽水流程中不设置汽包，而且直流锅炉是由各受热面以及连接这些 受热面的管道所组成。锅炉给水依靠给水泵的压头一次性通过预热、蒸发、过热各 受热面而变成过热蒸汽，蒸发量等于给水量，故可认为直流锅炉的循环倍率为1 。 在直流锅炉中，给水加热成蒸汽一次性完成，汽水通道可看作由加热段、蒸发 段、过热段三部分组成，各受热段如图2 1 所示【l2 1 。其中蒸发段是汽、水混合物， 随着管道的往后推移，工质由饱和水逐渐被加热成饱和蒸汽。直流炉由于没有汽包 进行汽水分离，因此水的加热、蒸发和过热的受热面没有固定的分界线，随着给水 流量、燃料量的变化前后移动，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段 受热面面积的比例发生了变化。在锅炉吸热和其他条件都不变时，若减小给水量， 则只需要吸收较少的热量就可以使水达到沸点，故蒸发段前移，即加热段的长度缩 小，蒸发段长度也会缩小，但是锅炉受热管总的长度是不变的，所以过热段长度势 必增大，也就是增加了过热器的受热面，因而过热汽温会上升。反之，给水量增大 时，过热汽温会下降。这对机组运行极为不利，所以要控制蒸发段的位置。一般来 说，要控制蒸发段出口的微过热汽温2 ；，若? ；偏离规定值，则说明由于燃料量与给 水流量比例不当致使蒸发段发生移动，应及时调节燃料量和给水量。 ，蒸发段、 瓦 加热段 过热段、 、， 1 迭姑 o oo o o0 0 o o oo 2 1 2 直流炉静态特性 图2 一l 直流锅炉各受热段示意图 热力学理论认为，在2 2 1 2 9 m p a 、温度3 7 4 时，水的汽化会在一瞬间完成， 即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在，二者的参数 6 华北电力大学硕十学位论文 不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在超临界压力下无法维持自然 循环，故不能再采用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。 为了估计燃料量与给水量对过热蒸汽温度( 或焓值) 的影响，可采用一次工质 在稳定工况下的热平衡方程式： 1 b 2 k + 静 _ 1 ) 式中 ，一过热蒸汽焓值： 。，一给水焓值； 形一给水流量； q l 一一次工质的有效吸热量。 假定一次工质的吸热量q i 占锅炉内工质的有效吸热量的份额为，其余的份额 为二次工质( 如果锅炉没有再热器，则= 1 ) ，由此可得： q l = b q 口r , n e t 7 7 r l ( 2 - 2 ) 式中召一燃烧量； q 口，删一燃料应用基的低位发热量； 仇，一锅炉的热效率。 综合以上两式，得： d ( b k ) 2 芳q 口，删 ( 2 3 ) 由上式可知，如果锅炉燃料发热量、锅炉热效率、给水焓值在一定负荷范围内 不变，无再热器直流锅炉过热蒸汽焓值( 或温度) 只取决于燃料量和给水量的比例。 只要维持一定的燃水比，过热蒸汽温度可保持稳定。锅炉燃水比是影响过热蒸汽温 度最根本的因素。 对于有再热器的直流锅炉，不同工况下，锅炉辐射吸热量与对流吸热量的份额 会发生改变。因此，对于超临界锅炉，为维持过热蒸汽温度不变，不同负荷下燃水 比比值应进行适当修正。 2 1 3 直流炉动态特性 从控制的角度分析，超临界机组可视为一个多输入、多输出对象，其输入为给 水量形、燃料量b 和汽轮机调节阀门丌度，输出为发电量f 、主蒸汽压力片和 主蒸汽温度r 。 在所有参数控制中，主蒸汽温度r 的控制最为困难，因为燃料量和给水流量的 比例对它有严重影响。对于一般超临界压力锅炉，燃料量和给水量的比例变化l ， 将使r 变化8 1 0 【1 6 】。在实际超临界机组控制中，喷水减温仅作为主蒸汽温度的 7 华北电力大学硕+ 学位论文 精细调节手段，而在汽水流程上选择一点( 一般选择在微过热区) ，其温度五较之t ， 对燃料量和给水量变化的反应更为迅速。设计控制系统维持五不变，以减少喷水减 温调节的困难。 超临界直流锅炉在运行过程中经常受到各种扰动，如汽机调门开度扰动、燃料 量扰动等，各种扰动下的动态特性示意如图2 - 2 所示。 ( a ) 汽轮机调门开度扰动( b ) 燃料量扰动( c ) 给水流量扰动 图2 2 直流锅炉动态特性曲线 汽轮机调门开度扰动对压力、温度、功率的影响。假定汽轮机调门开度阶跃增 加，压力降低导致锅炉蓄热释放，蒸汽流量急剧增加，功率也显著上升，由于燃料 量没有发生变化，功率又逐渐恢复到原来的水平；压力随着锅炉蓄热的释放逐渐降 低最后稳定；中间点温度在蒸汽流量增加后略微降低，由于燃料量和给水流量没有 变化，随着蒸汽流量恢复回升到原来的水平。 燃料量扰动对压力、温度、功率的影响。假定燃料量阶跃增加，由于加热段和 蒸发段缩短锅炉储水量减少，在燃料量扰动后经过一个较短的延迟，机组蒸发量会 向增加的方向变化，也使压力、功率、温度增加。但是如果给水量没有改变，不能 维持上升趋势。由于燃水比增加，蒸发段提前，中间点温度上升至一定水平。 给水流量扰动对压力、温度、功率的影响。假定给水流量阶跃增加，由于加热 段、蒸发段延长，而推出一部分蒸汽，因此初期压力和功率是增加的，但由于过热 段缩短使汽温下降，减温水系统减少减温水流量以维持汽温，最终使压力和功率恢 r 华北电力大学硕士学位论文 复到原来水平；由于燃水比减小，蒸发段延后，中间点温度下降至一定水平【1 6 1 。 2 2 超超临界直流锅炉的控制特点 2 2 1 直流锅炉控制中的问题 ( 1 ) 机、炉之间耦合严重 超临界机组的控制难点之一在于非线性耦合，常规的控制系统难以达到优良的 控制效果。由于直流锅炉在汽水流程上的一次性通过特性，没有汽包这类参数集中 的储能元件，在直流运行时汽水之间没有一个明确的分界点，给水从省煤器入口开 始就被连续加热，蒸发与过热，根据工质物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸 发段与过热段三大部分，在汽水流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门 开度的扰动而发生变化，从而导致功率、压力、温度均发生变化。这说明超临界直 流锅炉是一个三输入、三输出的多变量被控对象，并具有极强的耦合特性【l 7 1 。所以 超临界直流锅炉不能像汽包锅炉那样，将燃料、给水、汽温简单地分为三个控制系 统，而是将燃料量与给水量的控制与一次汽温控制紧密地联系在一起，这是直流锅 炉控制最突出的特点。 ( 2 ) 强烈的非线性特性 强烈的非线性是超临界机组又一主要特征【1 8 】。超临界机组采用超临界参数的 蒸汽，其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，运行压 力在1 0 - - - 2 5 m p a 之间。这就意味着机组运行时要在亚临界工况和超临界工况之间 转换。而亚临界和超临界工况下工质物性存在巨大差异，因此机组在两种工况下动 态特性的差异尤为显著。 超临界锅炉是被控特性复杂多变的对象，随着负荷的变化，锅炉的动态特性参 数亦随之大幅度变化。例如，燃水比调节的温度对象，在负荷变化5 0 - 1 0 0 范围 内，增益变化达5 - 6 倍，时问常数的变化也有3 倍左右。而且超i | 缶界锅炉控制存 在不确定时滞，如燃料量的变化对蒸汽温度、压力等的影响有不同的滞后，减温水 量的变化对过热器出口温度的影响有较大滞后，这些时滞的大小同样随着负荷状况 的改变而改变。 在超临界锅炉中，各区段工质的比热、比容变化剧烈，工质的传热与流动规律 复杂。变压运行时随着负荷的变化，工质压力将在超临界到亚临界的广泛压力范围 内变化，随之工质物性变化巨大，这些都使得超临界机组表现出严重的非线性。具 体体现为汽水的比热、比容、热焓与它的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、 流量特性是非线性的，且各参数间存在非相关的多元函数关系。 9 华北电力人学硕士学位论文 2 2 2 超超临界机组控制特点 汽包锅炉的汽水行程中，汽包将锅炉受热面分割为加热、蒸发和过热三段。汽 包在运行中除作为汽水分离器外，还作为燃水比失调的反冲器。当燃水比失去平衡 关系时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系，以保持各段 受热面积不变。因此，当我们用汽包水位日、过热汽温r 和主汽压力只来表示汽包 锅炉的运行状态时，与三个主要控制量( 给水流量形、减温水流量，和燃料量b ) 之间的关系如下： 卧 g n 0 o o 吒 0 g h b 吒8 f - 矿 - 4 ) 可见，上式中的传递函数为上三角阵，由此也说明汽包锅炉给水、汽温和汽压 控制可采用单变量系统的分析方法，设计相应的较为独立的控制系统。 在直流锅炉中给水变成过热蒸汽是一次性完成的，见图2 - 2 。锅炉的蒸发量d 不 仅决定于燃料量曰，同时也决定于给水流量形。因此，超临界机组的负荷控制是与 给水控制和燃料量控制密切相关而不可分的。当给水量和燃料量的比例改变时，直 流锅炉的各个受热面的分界就发生变化，从而导致过热汽温发生剧烈的变化。根据 上述超临界机组的静、动态特性分析，表征超临界机组运行状态的三个重要参数( 主 汽压力b 、微过热汽温不和过热汽温r ) 与三个相应的控制量( 燃料量曰、给水流 量和减温水流量矿) 之间的矩阵方程可表示如下： 阡 口 q 口 吒矿 盯 嚷盯 锄 ( 2 - 5 ) 由上式可见，主汽压力与微过热汽温构成多变量相关被控对象，而减温水流量 对主汽压力与微过热汽温没有直接的影响，因此在维持燃水比的前提下，减温水控 制可按单回路控制系统设计。 超临界机组的发电负荷在电网中的比重正在稳步上升，电网要求超临界机组能 调峰运行，其控制策略应保证机组良好的负荷响应性和关键运行参数的稳定。超临 界直流锅炉作为一个多输入、多输出的被控对象，其主要输出量为汽温、汽压和蒸 汽流量( 负荷) ，其主要的输入量是给水量、燃料量和汽机调门开度。由于是强制 循环且受热区段之问无固定界限，一种输入量扰动将对各输出量产生影响，与汽包 炉相比，其控制策略最大的区别在于：协调控制系统、给水调节系统、减温调节系 统。 综上所述，超超临界机组具有以下控制特点： 1 0 华北电力人学硕七学位论文 ( 1 ) 超超临界直流锅炉是一个多输入、多输出的被控对象，没有汽包环节， 在不同的运行工况下，其加热区、蒸发区和过热区之间的界限是变动的。因此，为 了维持锅炉汽水行程中各点的温度、湿度及汽水各区段的位置在规定的范围内，要 求控制系统严格地保持燃料量与给水流量之间的平衡关系。这种平衡关系不仅是稳 态下的平衡，而且应保持动态下的平衡。 ( 2 ) 超超临界直流锅炉由于没有具有储能作用的汽包环节，汽水容积小，所 用金属少，锅炉蓄能小且呈分布特性。一方面，由于蓄能小，负荷调节的灵敏性好， 可以实现机组的快速启停和负荷调节；另一方面，由于蓄能小，在外界负荷变动时 汽压反应很敏感，因此机组变负荷性能较差，保持汽压困难。 ( 3 ) 由于循环工质总质量下降，循环速度上升，工艺特性加快，这就要求控 制系统的实时性更强，控制周期更短，控制的快速性更好。 ( 4 ) 在超超临界直流锅炉中，不同工况下各区段工质的比热、比容、热焓与 其温度、压力的关系是非线性的，工质传热特性、流量特性是非线性的。 ( 5 ) 在直流炉工艺结构中，从给水泵到汽轮机汽水直接关联，因此锅炉各参 数之间以及汽轮机与锅炉之间具有较强的耦合特性，整个被控对象是一个多输入、 多输出的多变量系统。 可见，对于超超临界机组，控制系统应能最大限度利用蓄能、快速响应电网负 荷要求。因此，在进行控制系统配置和构造控制策略时，必须考虑控制作用的快速 性、稳定性、准确性，控制系统要有变负荷、变工况的自适应能力。 2 3 超超临界直流锅炉燃水比控制 2 3 1 燃水比控制任务 超超临界直流锅炉过热汽温的调节以燃水比作为主调手段，这是由工质的特性 和直流锅炉的灵敏性决定的。直流锅炉的汽水行程既无汽包，也没有小循环回路， 在给水泵的动力作用下，给水一次性的流过加热段、蒸发段和过热段，加热段、蒸 发段和过热段没有严格固定的界限。当燃料量与给水量的比例失调时，三个受热段 的面积将发生变化，吸热比例也将随之改变，这将直接影响出口蒸汽的参数，尤其 是出口汽温的数值。如当燃料量增加时，蒸发段与过热段之间的汽水行程将前移， 即加热、蒸发段缩短，过热段伸长，过热段面积增加，过热器出口汽温升高；反之， 如果给水流量增大，则加热段、蒸发段后移，过热段面积减小，过热器出口温度降 低。可见直流锅炉如果发生燃水比失调，将引起出口汽温发生很大波动。 实际运行中，为维持汽水流程中的额定温度，必须严格控制燃水比。如果采用 和汽包锅炉同样的控制方法，即用喷水减温的方法控制出口汽温，那就要求减温水 量有足够大的调节范围。大量地使用减温喷水，不仅影响机组效率，而且由于直流 1 1 华北电力大学硕士学位论文 锅炉中蒸汽量等于给水量和减温水量之和，当喷水量增加后，给水量会相应地减少， 反而扩大了燃水比的失调程度。因此对于直流锅炉，必须保持燃水比作为维持过热 器出口汽温的主要粗调手段，用喷水减温作为细调手段。 燃水比不是恒定不变的，它必须随着负荷而改变，式( 2 - 3 ) 可以说明这一点。 因为锅炉给水温度是随负荷的增加而升高的，故给水焓值也随之升高，机组定压运 行时，过热蒸汽温度和压力为定值，即过热蒸汽焓值为一定值，其余参数可视为常 数，因此燃水比是随着负荷的升高而减少的。 另一方面，给水量和燃料量在负荷改变时按照燃水比并行进行调整，但二者对 汽温的动态影响是不同的。为减小负荷动态调整过程中的汽温波动，还必须对负荷 调整产生的给水量和燃料量指令分别设置动态校正环节。 2 3 2 燃水比调节的反馈信号 超超临界机组控制的难点集中在燃水比调节上，现有燃水比调节的反馈信号无 法兼顾快速性和准确性，此问题在机组控制系统中具有代表性。由于燃水比变化时 过热汽温的响应延迟很大，因此不能直接使用过热汽温作为燃水比调节的反馈信 号。采用什么信号来更为快速和精确地反映燃水比的变化，从而提高燃水比调节的 性能，一直是直流锅炉控制中研究最为活跃的方向。人们做了大量研究工作，提出 了多种燃水比调节的反馈信号，按信号性质分为两类，反映燃水比的信号有加热段 水温、微过热汽温、微过热蒸汽焓值、最大热容区工质密度；反映燃料热量的信号 有烟气温度、火焰辐射温度、炉膛内蒸发段管外壁温度、微过热区热量信号、锅炉 出口热量信号等，据此构成了十余种典型的燃水比调节系统。 概括起来，问题集中在如何找到一个对燃水比或燃料量变化既准确又快速地响 应的反馈变量。目f j 研究最多的信号是热量信号、炉膛辐射能信号、微过热汽温和 微过热蒸汽焓值【1 7 1 。 热量信号是构造信号，其中微过热区热量信号是主要采用的反馈量，响应时间 常数约1 2 分钟，稳态时能精确地表征燃料能量，但在瞬态时由于蓄热的分布特 性，用一点的压力及其变化率无法描述总体上的蓄热变化，致使热量信号对汽轮机 调节阀的动作有较大的瞬态响应，破坏了理想热量信号和燃料量的唯一性关系，限 制了其应用效果。 炉膛辐射能信号其相对于热量信号具有更快速响应炉内燃烧状况的导l j 特性， 可以快速响应燃水比的变化。但是，受到火焰扰动的因素的影响，高频干扰大，存 在稳态精度不是很高的缺陷。 处于汽水分离器处的微过热汽温或微过热蒸汽焓值，因其对燃水比扰动的响应 曲线是单调的，响应较为快速并近似一阶惯性环节，在直流锅炉控制中得到广泛的 应用。通常这一点的温度也被称作“中间点温度”，在不同的负荷( 压力) 下，由 1 2 华北电力大学硕士学位论文 于饱和温度的不同，所以“中间点温度 的定值也是随负荷变化的。 采用微过热汽温( 中间点温度) 作为校正信号的优点是：在燃料量或给水流量 扰动的情况下，微过热汽温变化的迟延远小于过热汽温。同时，微过热点前包括有 各种类型的受热面，工质在该点前的焓增占总焓增的3 4 左右，此比例在燃水比及 其他工况发生较大变化时变化并不大。而且中间点温度比较直观，有利于现场操作 人员的控制。其缺点是：当中间点温度定值偏置较低，且遇到大幅度减负荷时，中 间点易进入饱和区和非饱和区，使得在一定范围内加减给水流量，不会造成中间点 温度变化而造成锅炉超调。 焓值比温度灵敏度高，特别是在接近饱和温度时，对燃水比失配的反应灵敏度 快，有利于防止中间点温度进入饱和区，而且即使进入饱和区，与温度控制相比也 可较快地退出饱和区。焓值代表了过热蒸汽的做功能力，随工况改变焓值的给定值 不但有利于负荷控制，也能实现过热汽温粗调。且焓值的物理概念明确，用“焓增 来分析各受热面的吸热分布更为科学。其缺点是：焓值测量不精确。水冷壁安 全性主要受温度的影响，焓值不能很好的体现对水冷壁的安全性的影响【l 9 1 。 2 4 国电泰州超超临界直流炉概要 2 4 1 泰州超超临界直流炉介绍 本文以国电泰州1 0 0 0 m w 超超临界机组作为研究对象，因此首先介绍该机组直 流炉的有关情况。 泰州电厂锅炉型号为h g 2 9 8 0 2 6 1 5 y m 2 ，是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司在 日本三菱重工业株式会社技术支持下设计的超超临界变压运行直流锅炉。该锅炉采 用n 形布置、单炉膛、反向双切圆燃烧方式。炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷 壁、循环泵启动系统、一次中间再热。锅炉采用平衡通风、露天布置、固态排渣、 全钢构架、全悬吊结构，燃用神府东胜、兖州、同忻煤。 锅炉最大连续蒸发量( b m c r ) 为2 9 8 0 t h ，在b m c r 工况下主蒸汽参数为 2 6 1 5 m p a 6 0 5 ，对应汽轮机入口蒸汽参数为2 5 m p a 6 0 0 。 锅炉的汽水流程如图2 - 3 所示。其中以汽水分离器为分界点，从水冷壁入口集 箱到汽水分离器为水冷壁系统，从分离器出口到过热器出口集箱为过热器系统，另 有省煤器系统、再热器系统和启动系统。 第旃蚺 ： ： 蛐舢 b 给水泵 汽 低 棠翠 分 霪卒 屏 乳 未 水 温 羞土。 隔 温+ 。 式级 匝巫卜吨互卜 分 过 屏 过过 离 执 过 执 器 器 执 热 、 器器 器 图2 - 3 锅炉汽水流程简图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 由上图可以看到，过热器采用四级布置，即低温过热器( 一级) 、分隔屏过热 器( 二级) 、屏式过热器( 三级) 和末级过热器( 四级) 。对于主汽温的控制，泰州 电厂采用燃水比为主要调节手段，三级喷水减温为辅助调节手段的控制方案。其中 燃水比调节用来保持分离器入口过热度为设定值，三级喷水减温分别对分隔屏过热 器