（热能工程专业论文）360mw机组汽包水位仿真控制模型改进与研究.pdf

华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文摘要 摘要 借助于计算机仿真技术，建立锅炉汽包水位的动态数学模型，进行仿真研 究分析，对掌握汽包水位的动态特性起着非常重要的作用。 汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点。目前，电站汽包水位控制采用的 串级三冲量控制系统基于常规p i d 控制，在工况有较大变动时较难获得令人满 意的控制性能。研究能克服常规p i d 控制系统的缺点的新型控制方法，对于电 站运行的安全性和经济性有十分重要的意义。 本文以珞璜电厂3 6 0 m w 机组为对象，建立了的汽包水位数学模型，并在 m a t l a b s i m u l i n k 平台下进行仿真试验，获得了模型的动态特性。仿真研究表明， 该模型能够满足系统仿真的要求。 关键词：汽包水位，仿真，模糊控制，自适应控制 a b s t r a c t i ti s 嘶t i c a le 仃e c tt o 班pn l ed ) ，1 1 锄i cc h a r a c t 耐s t i co fb o i l e rd n 珊l e v dw l l i c h e s t a b l i s h e st h ed y n a m cm a m 锄a t i c “m o d e la n dd or e s e a r c ha i l a l y s i so ns i l i 】u l a t i o n d r u mw a t e rl e v e lc o n 缸d l i sad i 伍c u l tp o i n tmm eb o i l e rc o n 缸0 1 a tp r e s e n t ，m e p o w e rp l a n ta d o p td m ml e v e l c a s c a d et 1 1 】陀e p 娥吼e t e rc o n 缸d ls y s t 锄b a s e do n 缸a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，i ti sm o r ed i 伍c u l tt 0o b t a i l ls a t i s f a c t o 科c o n 仃d lp e r f o m a n c e w h 饥n l eo p e r a t i n gc o n d i t i o nh a s 蓼e a t e rc h a l l g e s f o rt l l es e c u r i t ya n de c o n o 觚co f p o w e rp l a n t ， r e s e a r c ht l l en e wc o n n - o lm e m o d 砌c hc 雒o v e r c o m et l l ed i s a d v a n t a g e so f 仃a d i t i o n a ld r u m1 e v e lc o n h i o ls y s t e mh a si i i l p o r t a n tm e a n i n g a c c o r d i n gt om es i m u l a t i o nm o d e lo fd r u m1 e v e lo f3 6 0 m w u n i ti nl u oh u a n g p o w e rs t a t i o n ，d y n 锄i cc h a r a c t 硪s t i co f t l l em o d e l i sa b s t a i n e db ys i m u l a t i o ne x p 舐m e n t i i lm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o m s i m u l a t i o ns t u d i e sh a v cs h o w nm a tm em o d e lc a i ls a t i s 母 t h er e q u i 倒n e n t so fs y s t e ms 曲u l a t i o n x i a n gx i a n b i n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f a nq u a n g u i k e yw o i t d s ：d r u mw a t e r l e v e l ，s i m u l a t i o n ，f h z z yc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文摘要 摘要 借助于计算机仿真技术，建立锅炉汽包水位的动态数学模型，进行仿真研 究分析，对掌握汽包水位的动态特性起着非常重要的作用。 汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点。目前，电站汽包水位控制采用的 串级三冲量控制系统基于常规p i d 控制，在工况有较大变动时较难获得令人满 意的控制性能。研究能克服常规p i d 控制系统的缺点的新型控制方法，对于电 站运行的安全性和经济性有十分重要的意义。 本文以珞璜电厂3 6 0 m w 机组为对象，建立了的汽包水位数学模型，并在 m a t l a b s i m u l i n k 平台下进行仿真试验，获得了模型的动态特性。仿真研究表明， 该模型能够满足系统仿真的要求。 关键词：汽包水位，仿真，模糊控制，自适应控制 a b s t r a c t i ti s 嘶t i c a le 仃e c tt o 班pn l ed ) ，1 1 锄i cc h a r a c t 耐s t i co fb o i l e rd n 珊l e v dw l l i c h e s t a b l i s h e st h ed y n a m cm a m 锄a t i c “m o d e la n dd or e s e a r c ha i l a l y s i so ns i l i 】u l a t i o n d r u mw a t e rl e v e lc o n 缸d l i sad i 伍c u l tp o i n tmm eb o i l e rc o n 缸0 1 a tp r e s e n t ，m e p o w e rp l a n ta d o p td m ml e v e l c a s c a d et 1 1 】陀e p 娥吼e t e rc o n 缸d ls y s t 锄b a s e do n 缸a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，i ti sm o r ed i 伍c u l tt 0o b t a i l ls a t i s f a c t o 科c o n 仃d lp e r f o m a n c e w h 饥n l eo p e r a t i n gc o n d i t i o nh a s 蓼e a t e rc h a l l g e s f o rt l l es e c u r i t ya n de c o n o 觚co f p o w e rp l a n t ， r e s e a r c ht l l en e wc o n n - o lm e m o d 砌c hc 雒o v e r c o m et l l ed i s a d v a n t a g e so f 仃a d i t i o n a ld r u m1 e v e lc o n h i o ls y s t e mh a si i i l p o r t a n tm e a n i n g a c c o r d i n gt om es i m u l a t i o nm o d e lo fd r u m1 e v e lo f3 6 0 m w u n i ti nl u oh u a n g p o w e rs t a t i o n ，d y n 锄i cc h a r a c t 硪s t i co f t l l em o d e l i sa b s t a i n e db ys i m u l a t i o ne x p 舐m e n t i i lm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o m s i m u l a t i o ns t u d i e sh a v cs h o w nm a tm em o d e lc a i ls a t i s 母 t h er e q u i 倒n e n t so fs y s t e ms 曲u l a t i o n x i a n gx i a n b i n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f a nq u a n g u i k e yw o i t d s ：d r u mw a t e r l e v e l ，s i m u l a t i o n ，f h z z yc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 6 0 m w 机组汽包水位仿真控制模型 改进与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：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： 日期： 导师签名： 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章引言 近年来，随着国民经济和科学技术的迅速发展，一方面，火力发电技术日趋成 熟，机组不断向高参数、大容量方向发展，大型火电机组大量投产，这对机组运行 的安全性、经济性等诸方面提出了更为严格的要求。由于机组容量的增大、参数的 增高，机组运行的安全性、经济性越来越依赖于先进的自动化系统。另一方面，随 着我国电力系统改革的进一步深化、厂网分开模式的建立，电厂经济将实行独立核 算，如何不断降低发电成本，提高效益己成为发电企业面临的一个重大研究课题。 在这种情况下，设计和运行人员对机组的运行特性，尤其是对机组热力系统及设备 动态特性的掌握就显得前所未有的重要。然而，在现实环境中，许多科研实验一则 实际条件难以满足，二则系统的安全运行也不允许进行实验，因此火电仿真就显得 尤为重要，通过仿真系统可以优化运行过程，为先进控制算法或新型智能控制策略 提供试验平台等等。 锅炉是火电机组的重要组成部分，其动态特性将直接影响着整个机组的动态性 能。由于电站锅炉体积庞大、系统复杂，很难得到其精确模型。为此，国内外许多 学者对锅炉的动态模型进行了研究n 。，取得了许多成果。就模型的用途而言，这些 研究可分为两个方面。一是研究系统的动态特性，用于仿真培训及系统的改进，这 些模型一般比较复杂，需要将整个锅炉系统划分为不同的子系统进行研究，国内在 这方面的研究较多n q l 。另一种动态模型主要用于控制系统集成及测试，a s t r o m 提 出的模型是其中较有代表性的一个h 7 1 ，被广泛用于控制系统研究中，国内在这方面 的研究较少。 火电机组是一个非常复杂的热力系统，选择合适的软件平台将数学模型转化为 实用的仿真软件形式是非常重要的。国内外已经开发了许多专用的仿真系统平台， 比如英国的w i t n e s s 仿真环境、加拿大c a e 公司的r o s e 仿真平台、瑞典d y n a s i m 公司的d n o l a 仿真平台、美国s 3 t 公司的s 3 、a b b 公司的c e 2 t r a n 等等。国内 的亚仿公司推出了a s c a 仿真平台，华北电力大学推出了s t a r 9 0 仿真平台，清华 大学独立开发了具有自主版权的支持软件“一体化仿真支持环境”，简称i s s e 。 目前，大部分火电厂仿真机上都采用了专用仿真系统平台，用于支持模型的调 试和运行，这种软件一般与仿真机一起出售，且价格昂贵，一般人员难以拥有。这 使得其推广程度不是很高，软件自带的控制器算法，在实现复杂算法用于控制系统 时，有一定难度。通用仿真软件m a t l a b 的出现为解决这一难题带来了新的契机。 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 m a t l a b 是由美国m a m w o r k s 公司开发的大型仿真软件，它是以矩阵运算为基础， 把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中，在此环境中可以实现工 程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等。自其投放市场以来一直是国内 高校理工科教学与科研的利器，而与之配套灵活易用的图形化仿真建模模块 s i m u l i n k ，成为现在工业界工程开发的首选仿真设计工具。与其它专业火电仿真软 件相比，m a t l a b 更容易获得，仿真试验更容易进行，只要是安装有m a t l a b 软件的计 算机上都可以随时进行仿真实验。s i m u l i n k 中的提供了大量模块，使得开发人员可 以在一个系统中进行机、炉、电、控所有模型的建模工作，建模的效率大大提高。 利用模糊逻辑工具箱和神经网络工具箱可以更方便实现各种复杂的控制方法。可以 很直观的观察各参数的变化过程，也可以得到以数组形式输出的所需数据，仿真系 统的可扩展性好、升级容易，所支持的模块库完全向用户开放。用户可以利用系统 提供的模块资源管理器对模块库进行添加、删除和编辑等，使其更加满足自己的需 要。 锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象，主要的控制系统 包括锅炉汽包水位的控制、锅炉燃烧系统的控制、过热蒸汽系统的控制。其中维持 汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重 要指标。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢影响蒸汽质量及传热 效率，严重的将引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水 冷壁局部过热而爆管，汽包水位过高过低的后果非常严重，所以必须严格加以控制 口1 。大容量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 品质也提出了更高的要求。因此，研究火电厂汽包水位的新型控制策略对于电站运 行的安全性和经济性具有十分重要的理论意义和现实意义。 1 2 国内外研究动态 由于锅炉热力系统的重要地位，国内外大批科技工作者在其动态特性的理论研 究方面进行了大量的工作，迄今为止已有半个多世纪的历程，取得了一系列富有成 效的研究成果，从而极大地丰富了此研究领域的方法和内容，并逐渐形成了一门新 兴的交叉学科热力系统动态学比9 ，。 在国外，瑞典学者k j a s t r o m 和澳大利亚学者r d b e l l 对自然循环汽包锅炉蒸 发系统的动态特性进行了长期的研究和试验工作，他们应用基本物理定律建立了蒸 发过程的非线性动态模型，进行了阶跃扰动响应仿真，并与电厂试验数据进行了比 较n p l 2 一纠，仿真结果与电厂试验数据有着很好的一致性。v k e c m a n 对锅炉蒸发系统 循环回路中的流动和传热过程进行了建模与仿真研究3 1 。该研究分别建立了水冷 壁、汽包和下降管的数学模型。其中水冷壁处理成分布参数系统，用三个非线性偏 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 微分方程描述质量流量、熵和压力。循环回路的非线性模型描述了汽包水位的涨落 现象。不同负荷下非线性模型对相同值的输入的响应比较分析清楚的反映出循环回 路中过程的非线性。 国内学者在这方面也开展了大量的研究。文献n 们回顾和分析了前苏联、美国和 日本等国的研究工作，并在此基础上对自然循环锅炉的汽包压力和水位动态特性进 行了深入研究，建立了新的自然循环蒸发区动态数学模型，得出了较为简单和更为 合理的汽包压力和水位动态方程。针对目前汽水系统两相区集总参数法数学模型精 度不高的问题，文献n5 吲在建立更为精确的模型方面做了崭新的尝试，水冷壁采用 与时间和空间有关的分布参数模型，而汽包仍然采用集总参数模型。文献【17 】介绍了 s t a r 9 0 仿真支撑系统下，采用工程模块化方法建立的自然循环锅炉蒸发系统的实 时仿真数学模型及该系统主要过程算法的设计。模型由下降管、上升管、汽包等算 法模块搭接而成。文献n 8 1 钉从基本的质量平衡、能量平衡和容积平衡出发，推导出 汽包压力和水位的非线性动态模型，可用于动态特性研究和控制系统研究。 武汉大学动力与机械工程学院的张江红瞳们等人利用在m a t l a b s i m u l i n k 平台基 础上依据图形组态的方法，建立了大型电站凝汽器的动态数学模型，同时采用模块 化的建模方法，建立了单压、双压、三压凝汽器的动态仿真模型，并利用经验数据 进行了正常工况扰动和故障设置的数值实验。通过比较不同背压凝汽器的调节，结 果表明建立的多压凝汽器模型具有较高的精度和通用性，适合于各种工况下的仿真 研究。 北京交通大学的岳世锋口等人利用m a t l a b 语言对火电厂热力系统常用设备模 块进行了编制和封装，为用户提供了用方框图进行建模的图形窗口，采用这种结构 模型可以方便地利用鼠标在模型窗口上“画”或“连”出所需的控制模型，然后利 用s i m u l i n l ( 提供的功能对系统进行仿真。它与传统的软件包用微分方程和差分方程 建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。用户可以根据自己的需要定制和创建 自己的模块和模块库。利用这些模块搭建所要分析问题模型的结构图，并选择好参 数，就可以对系统进行动态仿真。 华北电力大学的王晓妹乜2 1 等人在分析火电专用仿真软件存在不足的基础上，以 机组热工过程为研究对象，引入模块化建模思想，选择以系统仿真研究为目的合理 简化后的数学模型对各设备模块进行描述，以m a t l a b s i m u l i n k 为开发平台，建立机 组设备模块库。 传统的锅炉汽包水位控制策略包括基于p i d 控制的单冲量、双冲量、三冲量等。 目前各种锅炉汽包水位绝大多数采用三冲量控制方案。由于锅炉系统的复杂性，很 难精确描述其动态特性。实际上，汽包水位控制的难点主要在于“虚假水位 现象， 使得传统的控制策略参数整定比较困难，难以适应所有工况。借助于三冲量控制策 3 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 略的结构，通过智能方法来对p i d 控制器的参数进行整定或直接采用先进控制策略 成为目前研究的热点。这些新型控制策略主要有：基于预测控制理论的控制策略， 如用预测函数控制、模型预测控制策略等乜卜2 7 1 ；基于模糊控制理论的控制策略， 如f u z z y 在线自校正p i d 、模糊神经网络( f n n ) 等乜8 2 钆3 p 3 引；基于智能控制的控制 策略，如专家控制系统、神经元网络优化控制等阳3 3 利。上述策略各有优劣，但毕竟 为更多的自动控制理论和方法进入汽包水位控制系统起到了抛砖引玉的作用口5 1 。 1 。3 课题的研究内容 本课题的主要目的是建立一个用于控制系统研究的3 6 0 m w 机组锅炉汽包水位 动态模型，并在此基础上进行汽包水位控制策略的研究。该模型采用机理法建立， 主要依据为质量守衡、能量守衡等基本定律，以燃料量、给水流量、汽机调门开度 做为输入，汽包压力、汽包水位、蒸汽流量做为输出，模型中各参数具有明确的物 理意义，大部分可根据设计数据计算求得，其余可根据现场试验数据进行辨识求得。 表卜1 锅炉主要参数 4 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 本课题主要研究以下内容： ( 1 ) 分析已有的汽包水位仿真模型，提出改进方案，建立新的数学模型； ( 2 ) 以m a t l a b s i m u l i n k 为开发平台，建立的仿真模型，并进行给水流量、主 蒸汽流量、燃料量扰动试验，得到汽包水位的主要动态特性； ( 3 ) 分析目前电厂所采用的基于常规p i d 控制的汽包水位控制系统，讨论新 型控制策略；并比较分析常规p i d 控制、模糊控制与自适应模糊p i d 控制的控制性 能。 1 4 课题研究对象 本课题针对珞璜电厂3 6 0 m w 机组锅炉的汽包水位进行研究。锅炉型式为亚临 界、中间再热、平衡通风，双拱炉膛、固态排渣、燃煤汽包炉，并配有脱硫装置。 锅炉主要参数如表1 1 所示。 5 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 第二章汽包水位数学模型研究 锅炉蒸发系统主要吸收炉内辐射热量，使水冷壁管内的热水汽化，产生锅炉的 全部或绝大部分饱和蒸汽，它是电站锅炉最重要的子系统之一，在整个锅炉中占有 相当重要的地位。由于蒸发系统具有强烈的蓄热及贮质能力，其动态品质的优劣对 整台锅炉及整个发电机组的运行特性均有十分明显的影响。这使得蒸发受热面动态 数学模型在整个锅炉数学模型中占有相当重要的地位n 4 3 钔。 由于汽包压力和水位是影响锅炉安全运行的重要因素，同时汽包压力还反映了 蒸发受热面物质和能量的平衡关系，因此，对锅炉蒸发受热面动态特性的研究侧重 于汽包压力和水位的动态响应特性。 汽包水位变化是一个复杂的物理过程，因为汽包锅炉的蒸发系统不仅有质量的 流进、流出，而且还有能量的流进和流出；在汽包水面以下除了有水之外，还有大 量的汽泡。汽包水位决定于“质量水位 和“膨胀水位”，其中质量水位由汽包进、 出工质质量的不平衡状态决定；膨胀水位则是随着蒸发系统中压力的改变而变化 的。因为压力变化引起汽体胀、缩，同时引起饱和水的比焓变化而产生附加蒸发量。 膨胀水位又称为“虚假水位”。所以汽包水位的变化实际上是质量平衡和热量平衡 的综合过程。 2 1 原有仿真模型分析 丁力、吕红缨n7 3 引等人采用模块化建模的方法建立了华能珞璜电厂3 6 0 m w 机 组锅炉汽包水位数学模型。该仿真模型将蒸发系统划分为汽包、下降管、水冷壁内 工质、水冷壁金属和汽水导管等五个模块。利用美国电力研究所m m s ( m o d u l a r m o d e l l i n gs y s t e m ) 软件包建立了仿真模型。 在使用过程中，该仿真模型主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 该模型适用于电站工程分析，无法直接用于控制系统设计。 ( 2 ) m m s 软件包使用的是基于d o s 系统的早期版本，仿真程序的调试和维 护困难，不方便操作，同时，试验数据也不便于保存和打印，影响对试验数据的进 一步分析。 ( 3 ) 在m m s 仿真环境中，实现先进控制策略研究时，十分困难。 为此，本课题在分析原有数学模型的基础之上，把蒸发区作一个集中参数对象 处理，经过一定假设和合理简化，推导了额定负荷下的汽包压力和水位数学模型。 为后面汽包水位新型控制策略的验证打下了良好的基础。 6 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 2 2 建模基本假设 一个理想的数学模型应满足精确性及实用性两方面的要求。精确性指模型应能 在允许的误差范围内，反映出系统的全部重要特性，从这个角度来讲，考虑的影响 因素越多，模型越好；实用性指所建立的模型应易于数学处理，用于解决实际问题， 从这方面讲，模型越简单越好。通常所建立的模型往往是这两种要求的折中处理。 由于电站锅炉的复杂性，建模时应根据用途的不同，对系统进行一定的简化， 并做出合理的假定，这是建立锅炉模型时应注意的一个问题。 为建立汽包水位数学模型，作如下假设： ( 1 ) 蒸发区是一个各点具有相同状态参数的对象，其中各点压力和温度相同， 即压力和温度仅为时间的函数，而与空间无关，是一个集中参数模型。 ( 2 ) 蒸发区内工质均处于饱和状态。 ( 3 ) 饱和蒸汽和饱和水的密度与焓仅是压力的函数。 ( 4 ) 因金属管内壁换热系数很大，金属温度与工质饱和温度一致。 2 3 汽包压力数学模型h 瑚1 在机组运行时，锅炉出口压力保持为额定值，而汽包压力高于锅炉出口压力， 两者之差即为过热器的流动阻力。所以，在不同负荷时，汽包压力是变化的。在负 荷变动过程中，当蒸汽流量大于蒸发区的产汽量时，汽包压力下降，蒸发区中饱和 水温度和焓下降，金属温度也下降，从而放出一些热量使一部分饱和水蒸发，这部 分蒸汽是由一蒸发区蓄热量变化而产生的。另外，在汽包压力变化时，汽包金属会 产生温度差，从而会产生一定温度应力，影响汽包的安全性和使用寿命。可见，研 r 1 日 i 图2 一l 锅炉蒸发系统简化示意图 7 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 究汽包压力数学模型是很有意义的。 图中，q 一水冷壁吸热量( k j s ) ； 形一给水流量( k s ) ； d 一蒸汽流量( k s ) ； e 一汽泡上升速度( 1 i l s ) ； 日一水位高度( m ) ； 一蒸发系统的水容积( m 3 ) ； 圪一蒸发系统的汽容积( m 3 ) 。 汽包压力模型的输出信号是汽包压力，其输入信号是给水量、给水焓、炉膛热 负荷( 蒸发区吸热量) 和汽包出口蒸汽量。 物理概念比较清楚、数学推导比较严格的一种分析方法，是将汽包锅炉的蒸发 系统看成为一个具有集中参数的对象n 1 。这时汽包水位集中参数的物理模型如图2 1 所示。 根据蒸发系统的质量平衡可以得到 形一。= 丢( 圪成+ k 只) ( 2 - 1 ) 式中，p w 、p 。分别为饱和水、汽的密度( k m 3 ) 。 根据假设( 3 ) 可得 盟：监亟 d t d p b d t 盟：监亟 d t d p bd t 式中，娜为汽包压力( k c m ) 。 由于蒸发区汽水总容积不变，即圪+ k = 常数，故有 上述各式代入方程( 2 1 ) 可得 盟：一盟 d td t 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 一。= c 圪玺+ 圪静鲁+ c 风一只，警 ( 2 剞 根据蒸发系统的能量守衡，可以得到 q + k 形一忽d = 要( 圪凤冉k 肛吃+ o o ) ( 2 5 ) a f 。 q 吨形一吃。= 圪c 成鲁+ 饥玺，+ k c 只象+ 吃等，+ 勺鲁) 警。2 剞 m 。风一警 式中，j j l ，历一给水焓( k j k g ) 5 玉一饱和温度( ) ； 所，一有效金属质量( k g ) ； 0 一金属比热( k j l ( g ) ； 凡、j j l w 一饱和蒸汽及饱和水的焓( k j 瓜g ) 。 从( 2 4 ) 可求得d 以，代入( 2 6 ) 得 誓= 冰惫一卜惫舢 7 ， 式中，j l l g = w - | l 册一给水欠焓； 产缸 w 一汽化潜热。 = 圪( 以参+ 惫等) + k ( 肛象+ 惫玺) + 勺m ，鲁c 2 剐 勿为蒸发区热惯性。其物理意义是：在单位压力变化时，蒸发区所释放( 或存 储) 的热量。由式( 2 8 ) 可以看出：勿永远是正值，是蒸发区压力、容积和金属质 量的函数。印值可用锅炉额定工作点的有关参数计算出来。当压力下降( 或上升) 时， 蒸发区总的蓄热量将减少( 或增加) ，其释放( 或存储) 的热量将产生正的( 或负的) 附加 9 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 蒸发量，从而缓和压力变化的速度。为了表示锅炉负荷适应性，可用降低单位压力 蒸发区附加蒸发量除以锅炉额定蒸发量来表征锅炉的负荷适应能力。显然，此值仅 取决于锅炉的类型和参数，而与容量无关。 设 4 ：且 1 一成 a ：! p 。一ps 毕成拿+ 丑警 却bp 。一p sa p b 丘= 反象+ 惫玺a p bp w p s 印b k 2 勺云 则汽包压力及勿可按下式计算 2 4 汽包水位数学模型 ( 2 9 ) 警2 甚( 4 枷形一缈q ( 2 1 0 ) ip = k y w 七k 夕s + k p j ( 2 1 1 ) 汽包水位是锅炉运行中一个非常重要的参数，它对锅炉、汽轮机的安全性和经 济性有很大影响。汽包水位变化是一个很复杂的物理过程，有以下因素影响汽包水 位变化。 ( 1 ) 汽包输入输出质量不平衡。当汽包入口工质流量形与出口蒸汽流量d 不 平衡时，汽包水位会发生变化。这种质量不平衡除了受给水侧或蒸汽侧的操作( 如 给水调节阀或蒸汽负荷变化) 影响之外，还受锅炉燃烧率变化的影响，例如，当燃 料量增加时，即使给水量不变，蒸汽控制阀不动，蒸发区中也会产生和输出更多的 蒸汽，从而导致质量不平衡，引起水位的变化。 ( 2 ) 汽包压力的影响。当燃烧率变化时，若无其他操作，汽包压力也变化， 1 0 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 从而导致汽、水比容改变，引起汽包水位变化。例如，当燃烧率增加时，汽包压力 增高，这时饱和水的比容略有增加，但饱和汽比容却明显减小，后者大于前者，故 在压力增加时由比容改变引起的汽包水位变化是下降的。 ( 3 ) 汽包水面下蒸汽容积的变化。当其他条件不变时，汽包中水面下蒸汽容 积变化时，水面以下体积发生变化，引起水位变化。例如，若上升管中由于吸热量 增加而产生较多的蒸汽，则进入汽包中汽水混合物的容积增大，水位会上升。 在锅炉工况变化时，上述三个影响汽包水位的因素同时存在。所以，汽包水位 变化是质量不平衡和能量不平衡的综合影响结果。推导其数学模型时可按集中参数 进行处理，求得上述三个影响汽包水位因素与汽包水位之间的传递函数。 假定水中汽泡上升速度为e ，水位为日，蒸汽在水中的停留时间则为辟月旭， 考虑到蒸汽流量为d ，则水中蒸汽容积为掣，所以，汽包实际水容积为 己 矿+ 型。 ” e 设汽包截面积为，可得到容积平衡方程 对式( 2 1 2 ) 微分，可得 整理得 型：用 ” e 盟+ 垡! 堡塑：，塑 d te d td t ( 2 1 2 ) 车+ 丝粤单+ 堡塑+ 堕丝：，丝 ( 2 - 1 3 ) d ted p ，d ted ted td t ( f 一生) 塑：盟+ 丝亟亟+ 堡塑 ( 2 1 4 ) 、 e 。d td t ed p d ted t 又由式( 2 1 2 ) 可得 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 ，一生：丘 eh 由( 2 1 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可推得 警2 去( 俨眇蚴 e = 卜玺+ 凡参卜+ c 吃州玺+ 只象卜+ 勺差 垦= ( 几鲁一r 鲁卜+ 磋k + 勺m ，去 马= 一圪警一k 警 印b印b 代入式( 2 1 4 ) 可得 ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 警= 矗c 置矿一垦。+ 色功+ 嚣c 匕筹+ 啦等， c2 椰， i l = ip l 、p w p 3 日= 等 口p o 取水位的相对变化为砌= 删鼠汽泡在水中的停留时间为：仁聊e ，则( 2 1 7 ) 式变为 警= 矗( 叩唧瑚) + 舌( 匕等+ 观等) 协 假定 i 为燃料量( 0 l o o ) ，甜2 汽机调门开度( o 一1 0 0 ) ，“3 为给水阀开度或 给水泵转速( o l o o ) ，调节级压力为p l 。忽略蒸汽在过热器中的动态过程，蒸汽 流量可按下式计算。 1 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 由此可得 d = c l p 。= c 2 “：而 ( 2 1 9 ) d ：c i 岛：丝生型半型! 趔 ( 2 - 2 0 ) z c 给水阀变化时，给水流量将快速变化，忽略其动态过程，同时近似认为给水流 量与开度为线性关系，则 矿= 巳“3 ( 2 2 1 ) 燃料量变化时，吸热量的变化有较大的滞后，这与制粉系统的形式有关。对于 中储式制粉系统，滞后时间r = l o 3 0 s ，对于直吹式系统r = 4 0 1 0 m ，可用如下传递 函数表示： 2 5 模型中系数的计算 q = 羔e ” ( 2 2 2 ) 对于饱和状态而言，汽、水的状态参数，饱和水比容v w ( m 3 k g ) 、比焓f w ( k j k g ) 、 饱和汽比容( m 3 k g ) 、比焓f 。( k j l 【g ) 都是汽包压力p b 的函数。可用多项式近似 计算，在1 5 0 k c m 2 2 0 0 k c m 2 的范围内，计算公式如下啪j ： = o 0 0 1 8 3 5 一o 0 6 9 4 4 l o 。见+ 3 8 0 l 1 0 一8 露 k = o 0 3 3 1 3 1 一o 1 9 6 6 l o - 3 岛+ o 3 1 0 4 x l o _ 6 露 f w = 1 5 9 1 4 5 3 0 9 5 玩+ o 0 2 1 2 露 = 2 5 1 9 8 + 3 8 5 6 6 岛一o 0 2 1 2 露 = 1 0 8 3 + 3 9 9 既一4 6 7 式中，f l 为给水温度( ) 。 由以上各公式，并依据矾= 1 及只匕= l 可计算出方程( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 中的系 数，整理后可拟和成下列各式： 1 3 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 4 = 2 8 3 3 2 7 2 5 见+ o 0 1 3 9 5 露 4 = 1 5 1 9 。8 + o 5 4 5 岛o 0 1 7 5 p ： 墨= 一9 7 8 + 1 5 1 5 岛一o 0 0 3 6 4 彳 墨= - 2 7 8 6 + o 5 4 9 见一o 0 0 1 3 3 蠢 墨= o 3 9 8 4 一o 0 0 1 0 4 3 见 计算水位所用系数可按下列各式求得： 且= 蜀- 圪+ 蜀2 圪+ ( 量，k + 皇。圪) f 。+ e ，m 。 且i = 1 3 8 9 一o 1 6 2 既+ o o 0 0 4 1 1 2 露 马2 = 7 7 1 4 2 一o 0 8 8 6 8 儿+ o o 0 0 4 4 1 4 彳 蜀3 = ( 一3 2 3 6 + o 4 3 1 2 n o o o l1 0 3 1 露) 1 0 。3 e 4 = ( 一1 4 1 3 5 + o 1 8 0 2 4 见一o o 0 0 7 6 5 露) 1 0 。3 且5 = 5 0 8 6 2 一o 0 3 9 4 4 p 6 + o o o 0 0 8 4 5 6 露 垦= 垦。圪+ 垦：k + 岛，坂 岛i = 一2 4 4 3 + o 35 5 8 所一o o 0 0 9 6 6 2 露 忍2 = 一3 o + o 0 4 4 2 5 岛一o o 0 0 1 8 3 虏 垦3 = e 5 = 5 0 8 6 2 一o 0 3 9 4 4 岛+ o 0 0 0 0 8 4 5 6 露 马= 色。圪+ 忍：圪 忍l = ( 一3 0 2 + o 4 0 1 2 n o 0 0 0 9 8 7 p ；) l o 弓 忍2 = ( 一1 2 2 3 + o 1 6 5 4 见一o o 0 0 6 7 8 露) l o 3 色= 誓= - o o 0 0 1 9 6 6 + o 6 2 0 8 1 0 。见 慨 c l 、c 2 、c 3 、c 4 为与运行工况无关的常数，可根据已知运行工况求得。在e c r 工况下p b = 1 9 4 5 k g c m 2 、p l = 1 6 2 k c m 2 、肛d = 1 0 7 9 9 t h = 2 9 9 9 7 2 2 k s 。假定 “l = “2 = “3 = o 8 5 可得 1 4 兰! ! 皇垄奎堂壹墼塾堕垄婴堕壁堡主堂垡垒銮 一一 _ - _ _ _ _ - _ i - i - - _ i - _ _ - - - _ _ - - _ _ _ - 一一一 c i ：旦：1 8 5 1 7 a c 2 ：告：5 2 2 1 8 5 “2 p 6 一a 。：!蔓垒!二鱼竺l掣=141：(一5222甜：+乏夏f芝丢乏了丽) c 3 = 形“3 = 3 5 2 9 0 8 5 c 4 = q “l 稳定工况下，孕：o ，由式( 7 ) 可得 d f q = ( 一4 ) 形+ 4 d 4 = 2 8 3 3 2 7 2 5 p 6 + o 0 1 3 9 5 p ；= 2 7 5 1 4 3 6 4 = 1 5 1 9 8 + o 5 4 5 见一o 0 1 7 5 露= 9 7 7 4 6 5 9 = 1 0 8 3 + 3 9 9 仇一4 6 7 26 3 1 4 0 7 计算司得：妒3 6 8 0 8 0 。 由此可得：臼= q “l = 4 3 3 0 3 0 。 蒸发系统水容积、蒸汽容积k 、有效金属质量可从系统的结构数据求得。 根据华能珞璜电厂群1 炉的设计数据，可求得= 7 0 4 1 4 2 m 3 ，玩= 1 5 8 7 1 4 m ， ：1 7 0 t 。汽泡在水中上升所用时间r 可根据试验数据求得，试验数据不足时，可 根据虚假水位的情况粗略估计求得。 1 5 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 第三章基于m a t ia b si m uiin k 的汽包水位动态模型仿真 在实际推广使用中，以书面形式提供的数学模型有诸多不便。数学模型在使用 前要花费很大的精力弄清模型的建立机理、各系数含义及计算方法、使用范围等。 更进一步，还要将数学模型转化为可以直接应用的软件模式，这对于从事控制策略 研究的科研人员和工程人员来说具有一定难度。在使用过程中，进行控制算法研究 或控制系统改进的研究人员一般只关心模型的准确性、实用性、实时性和便利性， 而对数学模型的建立机理不感兴趣。随着m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件的普遍应用，在 其上搭建过程系统仿真模块库将更有利于模型的推广，避免重复性建模工作。m a t l a b 仿真软件是一种高效的通用系统仿真开发平台，其控制系统工具箱软件内容丰富， 已覆盖了控制系统的各个领域，在此平台上搭建火电机组模型不仅有利于模型推广 而且方便于使用控制箱中的控制算法进行仿真研究。 3 1 仿真模型的建立 3 1 1 汽包压力仿真模型的建立 根据式( 2 1 0 ) ，在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建汽包压力仿真模型并进行封装。如 图3 1 所示。 图3 1 汽包压力仿真模型 1 6 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 3 1 2 汽包水位仿真模型的建立 根据式( 2 1 8 ) ，在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建汽包水位仿真模型并进行封装。如 图3 2 所示。 图3 2 汽包水位仿真模型 3 1 3 蒸发区仿真模型的建立 图3 3 蒸发区仿真模型 1 7 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 将封装好的汽包压力仿真模型和水位仿真模型连接起来就构成了蒸发区的仿 真模型。封装后的蒸发区仿真模型如图3 3 所示。 该模型可用来研究锅炉压力、水位、蒸发量的动态特性。由图3 3 可以看出， 蒸发区仿真模型的输入量有三个：吸热量q 、给水流量肌蒸汽流量d ，输出量有两个： 汽包压力矾、汽包水位日。通过修改对应的调节阀开度( “l 、“2 、甜3 ) 即可进行动 态特性实验，并可通过示波器( s c o p e l 、s c o p e 2 ) 方便的观察响应曲线。 3 2 汽包水位动态特性仿真分析匕2 6 1 3 2 1 汽机调门开度增大1o 在额定工况条件下，汽机调门开度增大1 0 。图3 4 、图3 5 和图3 6 分别给出 了在此扰动下汽包压力、蒸汽流量和汽包水位的阶跃响应曲线。 图3 4 汽包压力响应曲线图3 5 蒸汽流量响应曲线 图3 6 汽包水位响应曲线 1 8 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 ( 1 ) 汽包压力响应曲线 当汽机调门突然增大时，蒸汽流量将随之增大，汽包出口热量增加，但进入炉 膛的热量没有变化，引起了热量的不平衡，造成汽包压力下降，如图3 4 所示。 ( 2 ) 蒸汽流量响应曲线 主蒸汽流量增大，造成汽包压力下降及调门前压力下降，这样主蒸汽与再热蒸 汽流量将逐步下降，最后达到稳定状态。汽包压力下降导致单位工质的汽化潜热增 加，由于辐射热量不变，最终的蒸发量比原来的数值略小，如图3 5 所示。 ( 3 ) 汽包水位响应曲线 汽包压力的下降，使工质饱和温度降低，锅水释放蓄热量，产生附加蒸发量， 从而锅水内的汽泡数量增加。另外，由于压力下降，单个汽泡的体积增大，两者同 时促使汽水混合物体积急剧膨胀，促使水位很快上升，产生虚假水位。随着锅水耗 量增加，在给水量未增加和蒸汽逸出水面后，水位也就随之下降，如图3 6 所示。 可以看出，当汽机调门扰动时，水位变化的动态特性表现为有惯性、无自平衡能力 的特征。 3 2 2 给水流量增加1o 图3 7 汽包压力响应曲线图3 8 蒸汽流量响应曲线 t ( i ) 图3 9 汽包水位响应曲线 1 9 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 在额定工况条件下，给水流量增加1 0 。图3 7 、图3 8 和图3 9 分别给出了在 此扰动下汽包压力、蒸汽流量和汽包水位的阶跃响应曲线。 ( 1 ) 汽包压力响应曲线 当给水量阶跃增加后，由于温度较低的给水进入省煤器、汽包和水循环系统， 从原有的饱和汽水中吸收了一部分热量，造成汽包压力下降，