（动力工程及工程热物理专业论文）600mw超临界机组控制系统的分析与设计.pdf

摘要 摘要 随着电力系统的发展，6 0 0 m w 超临界机组已经是我国电力行业的主力机组，而超临界机组的直 流运行特性、变参数的运行方式、多变量的控制特点，与亚临界汽包炉相比在控制上具有很大的特 殊性。本文以某6 0 0 m w 超i 馐界机组为研究对象，在国内外众多参考文献的基础上，建立其在满负 荷工况下适用于控制的简化模型，并在结合国内外对超临界机组控制系统设计的基础上，针对某厂 6 0 0 m w 超临界机组进行分析，研究其特殊性。以此为基础，通过仿真试验，分析其在工程中的应用， 分别研究超临界机组控制系统中函数块选取问题与以预测控制为基础的燃水比控制问题。本文具体 研究内容如下： ( 1 ) 以6 0 0 m w 超临界机组为研究对象，基于集总参数法建立了在额定工况下作小扰动仿真的 适用于控制的线性数学模型，并采用通用的传递函数形式来表示。在典型工况( 1 0 0 负荷) 条件下， 运用计算机数字仿真的方法，研究了锅炉主要调节量( 汽机调门开度，燃料量，给水阀开度) 对机 组动态特性的影响。仿真试验证明，该模型能较好反映机组在额定工况条件下的动态特性。所得结 果对超i 临界机组控制器与控制算法的研究有一定的价值。 ( 2 ) 以所做过的工程项目为基础，根据6 0 0 m w 超临界杌缌的s a m a 图，以工程分析的方法研 究超临界机组协调控制系统、给水控制系统和过热汽温控制系统的组成和控制方式。并以过热汽温 控制系统为例，按实际超临界机组过热器环节细化之前所建模型的过热器段。同时根据工程项目中 过热汽温控制系统s a m a 图设计控制器，分析其内部函数关系，根据其输入输出特性研究控制系 统中各函数块的选取问题，并给出各函数块的具体形式。仿真试验验证了本章在过热汽温控制系统 中所采用的求取函数块的方法具有较好的通用性，可适用于超临界机组其它工况条件下以及其它控 制系统中函数块的选取问题。因此，本章所采用的定性分析和仿真试验相结合求取函数块的方法具 有一定的科学性和实用性。 ( 3 ) 提出以辨识的方法解决工程中燃水比曲线的求取问题。燃水比控制问题是超l 临界机组控制 系统区别于亚临界汽包炉的一个关键点。工程上，一般以惯性较小的汽液分离器出口处蒸汽焓值( 中 间点焓值) 代替过热器出口蒸汽温度作为燃水比控制器的校正信号。本文在研究超临界机组协调控 制系统预测控制方法的基础上，为超临界机组设计燃水比控制器。仿真试验证明，该方法具有通用 性，可以适用于不同工况条件下超临界机组燃水比曲线的求取。 关键词：超临界机组：简化模型；传递函数；s a m a 图：工程分析；过热汽温系统；函数块：预测 控制；燃水比 隶南大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m ，t h e6 0 0m w s u p e r c r i t i c a lu n i t sh a v eb e c o m et h em a i n u n i t so fc h i n a se l e c t r i cp o w e ti n d u s t r y i nt e r m so ft h es u p e r c r i t i c a lu n i t sd i r e c tc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c ， v a r i a b l ep a r a m e t e ro p e r a t i o nm o d ea n dm u l t i - v a r i a b l ec o n t r o lf e a t u r e s ，m a n yc o n t r o ls t r a t e g i cd i f f e r e n c e s l i eb e t w e e nt h es u b c r i t i c a ld r u mf n r n a c e sa n dt h es u p e r - c r i t i c a lu n i t s mt h i sd i s s e r t a t i o n a6 0 0 m w s u p e r c r i t i c a lu n i ta sw e l la sr e l a t i v el i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a dw a si n v e s t i g a t e d ，a n daf u l l l o a d c o n d i t i o n ss i m p l i f i e dm o d e lw h i c hi sa p p l i e dt ot h ec o n t r o lw a se s t a b l i s h e d c o n s e q u e n t l y , a6 0 0m w s u p e r c r i t i c a lu n i tw i t hi t sp a r t i c u l a r i t yw e r ea n a l y z e db a s e do nt h ed e s i g no ft h es u p e r c d t i c a lu n i tc o n t r o l s y s t e m f u r t h e r m o r e ，s i m u l a t i o n so ni t se n g i n e e n n ga p p l i c a t i o nw e r ee n g a g e di n ，a n dt h es e l e c t i o no ft h e f u n c t i o nb l o c k si ns u p e r c r i t i c a lu n i t sc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef l u e w a t e rr a t i oc o n t r o lp r o b l e m sw e r es t u d i e d b a s e do np r e d i c t i v ec o n t r 0 1 m a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) a6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a lu n i tw a ss t u d i e da sw e l la sas i m u l a t e dm a t h e m a t i cm o d e lw i t hl i n e a r l u m p e dp a r a m e t e r sw a so b t a i n e di nt r a n s f e rf i m e t i o nf o r m ，w h i c hf i t s f o rs m a l ld i s t u r b a n c e si nr a t e d c o n d i t i o n m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o no ft h ei n f l u e n c ew i t ht h em a j o rc o n t r o lv a r i a b l e s ( t u r b i n ev a l v e ，f u e l i n p u t , f e e d - w a t e rv a l v 曲w a ss t u d i e di nt e r m so ft h eu n i t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca tat y p i c a lc o n d i t i o n f 1 0 0 l o a d ) n es i m u l a i i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm o d e lc a l lr e f l e c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r so f t h eu n i t si nt h er a t e dc o n d i t i o nw e l la n dt h eo u t c o m e sa r ev a l u a b l ef o rr e s e a r c h e so fs u p e r c r i t i c a lu n i t c o n t r o l l e r s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h e6 0 0m ws u p e r c r i t i c a lu n i t ss a l v i ap l a n s ，t h es u p e r c r i t i c a lu n i t s c o o r d i n a t e d c o n t r o ls y s t e m , f e e d w a t e rc o n t r o ls y s t e ma n ds u p e r h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw e r e i n v e s t i g a t e dc o m p l e t e l yv i ae n g i n e e r i n ga n a l y s i sa p p r o a c h e s t a k et h es u p e r h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e ma sa ne x a m p l e ，t h ep r e m o d e l sw e r er e e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls u p e r c f i t i c a lu n i t s s u p e r h e a t e r s t h ei n t e m a lf u n c t i o n so ft h es u p e r h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw e r ea n a l y z e d b a s e do ni t ss a m ap l a n sf o rp r o j e c td e s i g n i na d d i t i o n ，t h es e l e c t i o np r o b l e m so fc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n b l o c k sw e r es t u d i e da c c o r d i n gt ot h ei n p u t - o n t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef u n c t i o nb l o c k s s p e c i f i cf o r mw a s o b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d n yo ft h ea p p r o a c hp r o p o s e df o rt h ef u n c t i o n b l o c k si nt h es u p e r h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h ea p p r o a c hw a sa l s oa p p l i e dt ot h e s u p e r c r i t i c a lu n i t su n d e ro t h e ro p e r a t i n gc 0 1 ) d i f i o n sa sw e l la su n d e ro t h e rc o d w o ls y s t e mf u n e t i o nb l o c k s s e l e c t i o n t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sp r o p o s e di nt h i sc h a p t e rw i t hs i m u l a t i o n si sm o r ec o n v i n c i b l e a n dp r a c t i c a lf o ra d d r e s s i n gt h ef u n c t i o nb l o c k s ， ( 3 ) v i ai d e n t i f i c a t i o n ，t h ef l u e w a t e rr a t i op r o b l e mi ne n g i n e e r i n gw a ss o l v e di n t h i sd i s s e r t a t i o n c o n v e n t i o n a l l y , t h es m a l l e ri n e r t i as t e a m l i q u i ds e p a r a t o ro u t l e ts t e a me n t h a l p yv a l u e ( i n t e r m e d i a t ep o i n t e n t h a l p yv a l u e ) w a sa d o p t e di ne n g i n e e r i n g ，i n s t e a do fs u p e r h e a t e r so u t l e ts t e a mt e m p e r a t u r ea st h e f l u e w a t e rr a t i oc o n t r o l l e r s f e e d b a c ks i g n a l b a s e do n 血es t u d yo fs u p e r c r i t i c a lu n i t sc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 s y s t e mp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o d s ，t h ef l u e w a t e rr a t i oc o n t r o l l e rf o rs u p e r c r i t i c a lu n i t sw a sd e s i g n e di nt h i s c h a p t e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h ev a l i d i t yo ft h i sa p p r o a c hi nc a l c u l a t i n gt h ef l u e w a t e rr a t i o c n r v e su n d e rd i f i e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i c a lu n i t ；s i m p l i f i e dm o d e le n g i n e e r i n ga n a l y s i s ；t r a n s f e rf u n c t i o n ；s a m ap l a n s ； e n g i n e e r i n ga n a l y s i s ；s u p e r h e a t e ds t e a mt e m p e r a t u r es y s t e m ；f u n c t i o nb l o c k ；p r e d i c t i v e c o n t r o l ；f l u e w a t e rr a d o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：兰羞基日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：兰耋起导师签名： 第一章绪论 1 1 本文选题背景 第一章绪论 本课题是江苏省电力设计院委托项目的一部分( 课题编号：8 5 0 3 0 0 2 1 7 5 ) 。 目前，我国电力行业运行的主要机组已经逐步向超i 临界和超超i 临界机组过渡。超临界机组具有 经济性高、负荷适应性强等优点，是大型火电机组的发展方向。但是，超临界机组是一个复杂的、 具有强耦合特性的多变量系统。这体现在研究超临界机组时通常可以将它看成是一个以汽机调门开 度、给煤量和给水量为输入，以压力、功率和温度为输出的多变量对象。由于超临界机组热力系统、 锅炉以及汽机结构、辅机等与亚临界机组的差异，目前国内的控制逻辑设计尚处于摸索和发展阶段， 这就是本文为什么以超临界机组为研究对象，研究其控制系统的构成和运行方式的原因。 1 1 1 超临界机组的特点 超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过2 2 1 2 9 m p a 的机组。目前运行的超临界机组压力均 为2 4 m p a 2 5 m p a 。理论上认为：在水的状态参数达到临界点时饵i 力2 2 1 2 9 m p a 、温度3 7 4 c ) ，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， 即不能再采用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式【1 。图1 1 为超i 临界机组汽水流程( 不包含再热器部 分) 示意图，其简化环节示意图如图1 - 2 所示。 图1 1 超临界机组汽水流程图 l 给水泵2 省煤器3 水冷壁卜汽水分离器 5 顶棚及前后墙包覆管6 烟井侧墙包覆管卜第一级过热器 8 第一级喷水减温器卜第二级过热器1 0 - - - 一第二级喷水减温器 l l 末级过热器1 2 汽机调门1 3 汽轮机 1 4 一高压旁通阀 巧摊水阀 东南人学硕i j 学位论文 圈1 2 超临界机组简化环节示意图 1 省煤器2 水冷壁 3 汽水分离器4 一顶棚、包墙管 5 第一级过热器 6 第二级过热器7 末级过热器8 - - 主蒸汽管道 9 高压缸 1 0 一冷再热器管道 11 低温再热器 1 2 高温再热器 1 3 熟再热器管道 1 4 中、低压缸 超临界机组与亚i 临界汽包炉的结构和工作原理不同，这就决定了它们之间的运行方式有很大的 区别，其中启动方法的不同尤为显著。 首先，超临界机组启动时必须建立启动流量和启动压力。直流锅炉的启动特点是在锅炉点火前 就必须不问断地向锅炉进水，建立足够的启动流量，以保证给水连续不断地强制流经受热面，使其 得到冷却。启动压力是指直流锅炉在启动过程中水冷壁中工质具有的压力。启动压力升高，汽水体 积质量差减小，锅炉水动力特性稳定，工质膨胀小，并且易于控制膨胀过程但启动压力越高对屏 式过热器、再热器和过热器的保护越不利。 其次，超临界机组启动时必须设置专门的启动旁路。一般的超i | 缶界机组都采用单元制系统。在 单元制系统启动时，汽轮机需要暖机，为了防止低温蒸汽送入汽轮机后凝结，对汽轮机造成水冲击， 需要使输入的蒸汽在相应的进汽压力下具有5 0 c 以上的过热度，因此锅炉侧需要设置专门的启动旁 路系统来排除这些不合格的工质。另外，启动时的热量损失和凝结水耗量很大，设置启动旁路也是 为了回收这部分热量和工质，同时，在启动初期还可以冷却再热器，起到保护再热器的作用。 超临界机组的汽水分离器与疏水回收系统是与亚临界汽包炉相区别的另一个特点。 超临界机组在正常范围内运行，当负荷大于直流最小负荷( 宜流最小负荷一般为2 5 4 5 ) 时，机组呈直流运行状态，依靠给水泵，工质直接流过省煤器、水冷壁、过热器和汽轮机。当负荷 低于该直流最小负荷，机组的运行方式与汽包炉相似。为保证启动压力和启动流量，给水流量要保 持恒定。例如在1 5 负荷时，晟小流量为3 5 就意味着在水冷壁出口有1 5 的饱和蒸汽和2 0 的饱 和水。这种汽水混合物必须在水冷壁出口处分离，保证被送入过热器的只有干饱和蒸汽，因而在低 2 第一章绪论 负荷时超临界锅炉需要汽水分离器。 超临界机组的汽水分离器分为外置式汽水分离器和内置式汽水分离器。外置式汽水分离器解决 了锅炉、汽轮机对启动工况不同要求的矛盾，它既能保证锅炉的启动压力和启动流量，又能送给汽 轮机所需要的一定流量、压力与温度的蒸汽。还能回收启动中排放的工质和热量。外置式汽水分离 器只是在启动初期才投入运行，经一定时间后就要从系统中切除，故又称为启动分离器。而内置式 汽水分离器( 如图1 3 所示) 不同，在运行期间全程投用，并且随着超临界机组运行工况的改变 其各个时期的控制方式也不相同。内置式汽水分离器的运行方式分为湿式运行和干式运行，并且随 着压力的升高湿干态的转换是内置式汽水分离器运行的一个显著特点。 给水 图l ，3 内置式汽水分离器示意图 当锅炉负荷小于3 5 时，超临界锅炉处于最小流量状态所产生的蒸汽流量要小于最小流量， 汽水分离器处于湿态运行。当汽水混合物通过汽水分离器后，多余的饱和水通过汽水分离器的液位 控制系统控制排出。 当锅炉负荷大干3 5 以上时锅炉产生的蒸汽大于最小流量，过热蒸汽通过汽水分离器，此时 汽水分离器为干式运行方式，汽水分离器出口温度由燃水比控制，即由汽水分离器湿态时的液位控 制转为温度控制。 在湿态运行过程中锅炉的控制参数是分离器的水位和维持启动给水流量，在干态运行过程中锅 炉的控制参数是温度控制和燃水比控制，在湿干态转换中可能会发生蒸汽温度的变化故在此转换 过程中必须要保证蒸汽温度的稳定。 疏水回收系统是超临界锅炉在低负荷工作时必需的另一个系统，它的作用是使锅炉安全可靠地 启动并使其热损失最小，并可显著地延长分离器疏水阀的寿命。一般有带低负荷循环泵和带热交换 器两类疏水回收系统，其疏水合格时送入除氧器，回收工质和热量。 1 1 2 超临界机组运行中存在的问题 作为实现机组安全经济运行目标的有效手段，自动控制系统在机组安全运行所起的作用日益重 要，其功能也日益复杂，担负着机组主、辅机的参数控制，回路调节、联锁保护、顺序控制、参数 显示、异常报警、性能计算、趋势记录和报表输出等功能。已从辅助运行人员监控机组运行发展到 实现不同程度的设备启停功能、程控和联锁保护的综合体系，成为大型火电机组运行必不可少的组 成部分。经过几十年的发展，目前超临界发电技术已经相当成熟，其控制系统与常规亚临界发电机 组相比并没有本质的区别。但就超临界机组本身而言，其直流妒的运行方式、大范围的变压控制。 使超临界机组具有特殊的控制特点和难点。 1 ) 强烈的非线性特性 3 东南大学硕士学位论文 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变参数运行，机组在大范围的变负 荷运行中，压力变化范围在1 0 m p a 2 5 m p a 之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况 条件下。在亚临界运行工况下工质具有加热段、蒸发段与过热段三大部分，在超i f 缶界运行丁况下汽 水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽工质只具有加热段与过热段两大部分。因此超临界运行方 式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性是特性复杂多变的被控对象。 2 ) 非线性耦合 由于直流锅炉在汽水流程上的一次性通过的特性，没有汽包这类参数集中的储能元件，在直流 运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热。根据工 质( 水、湿蒸汽与过热蒸汽) 物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸发段( 超临界运行工况条件下 由于水在瞬间变成蒸汽，汽水不分，该段不存在) 与过热段三大部分，在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，从而导致了功率、压力、温度的变化 汽机调门开度扰动对对压力、温度、功率的影响 直流锅炉汽水一次性通过特性，使超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比亚临界汽包锅炉 大。当汽机主汽阀开度发生变化，既影响了机组的功率，同时也直接影响了锅炉出口末端阻力特性， 改变了锅炉的被控特性由于没有汽包的缓冲，汽机侧对直流锅炉的影响远大于对汽包锅炉的影响。 其特性不但影响了锅炉的出口压力，而且由于压力的变化引起工质物性的改变，从而导致管内工质 的储质量和蓄热量以及金属蓄热量等的改变。从而引起了给水流量的变化，延长了锅炉侧汽水流程 的加热段，导致了温度和功率的变化。 锅炉燃料扰动对压力、温度、功率的影响 燃料量增加时，一开始由于加热段和蒸发段缩短而使蒸发量增加，锅炉储质量减少，在燃烧率 扰动后经过一个较短的延迟，蒸汽量会向增加的方向变化；由于过热段长度增加，导致温度升高， 从而导致压力、功率上升。 给水扰动对压力、温度、功率的影响 当给水流量增加时，由于加热段、蒸发段延长而推出一部分蒸汽，因此开始压力和功率是增加 的，但由于过热段缩短使汽温下降，虽然蒸汽流量增加但压力和功率还是下降。汽温经过一段时间 的延迟后缓慢下降，最后稳定在一个较低的温度上 被控参数之间的耦台关联 在直流锅炉中，压力是最重要的被控对象，因为压力的变化不仅影响机组负荷的变化，还会影 响给水流量的变化，从而导致对温度的影响。从上面的分析可以看出：直流锅炉的一次性通过特性， 使机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量的影响。从而也 说明超临界直流锅炉控制系统是一个三输入仨输出的系统，该系统具有输入输出参数之间相互耦合 关联极强的特性。 1 1 3 选题背景 超临界机组是一个复杂的非线性对象，研究超临界机组的动态特性，对于设计超临界机组控制 系统和保证机组安全运行是十分重要的。欲建立一个完备的非线性数学模型，则由于参数提取困难 等多种原因要么难以建立、要么建立出来后无法直接用于控制系统设计。而要想建立一个精确完 备的线性系统模型以满足经典控制算法或现代控制理论的要求几乎是不可能的。于是，对于控制器 。设计者来说，就必须面对这样一种情况；要么没有合适对象模型，要么所拥有的模型难以应用于控 制器设计。因此，建立一个适用于控制器设计的超临界机组的数学模型，是具有理论意义和实用价 值的。 目前为止，针对超临界机组建模的方法有很多【2 - ，本文的目标是建立一个适用于控制器设计的 数学模型，即线性建模线性模型是当前广泛使用的基于模型论的控制器设计方法的基础，非线性 系统理论中也是通过一定的线性转换来处理控制问题的因此控制系统设计应得到对象的线性动态 模型经典的控制算法中习惯采用传递函数作为对象模型的表达形式这是因为用传递函数表示的 4 第一章绪论 模型除了拥有简单明了的表达形式这个优点外，还拥有丰富的转化形式。频域的传递函数能够方便 地转化为时域的状态空间形式，同时连续的传递函数也可以转化为离散的形式。因此建立以微分方 程、传递函数为表达形式的能够反映机组动态特性的数学模型，是研究解决超临界机组控制问题的 前提条件。 由于人们认识事物的过程是一个简单到复杂的过程，一开始所建立的模型可能会简化掉很多环 节h 。存在不完善的地方，但希望能在将来的研究中能够根据建模的目的加入不同的环节，使最终 所得的数学模型能够充分的反映对象的特点。因此，所建立的模型既要能充分反映超临界机组各个 测点的动态特性同时又要考虑到延续性与可衔接性的问题。于是本文在建模方法的选择上采用了 机理建模的方法。 机理建模法是一种比较成熟的建模方法，使用这种方法针对超i 临界机组建模在理论上不存在任 何问题。它是通过分析各个环节的内在机理，研究其的特性，然后通过一组微分方程来表示。最终， 将各个环节连接起来就组成了整个对象的数学模型。具体建立什么形式的数学模型可以根据需要予 以实现。例如，可以在某个工况点对所建立的模型进行线性化和拉普拉斯变换，并以梅森公式推导 出以传递函数形式表示的数学模型【】”。 虽然国内已有很多超临界机组成功运行，但是由于超i 临界机组的直流运行特性、变参数的运行 方式、多变量的控制特点，与亚临界机组相比在控制上具有很大的特殊性。直流炉由于没有汽包的 缓冲，机炉两侧耦合程度比汽包炉强；汽水流程中无连续相变区，只有相变点，随工况而移动，非 线性强烈，燃料和给水之间的强耦合给汽温调节带来较大难度，而现有的一些汽温控制方案不能很 好地解决这个问题，给电厂的实际运行带来了一定的困难。因而有必要对超临界机组的运行方式和 控制策略以及控制系统的设计进行讨论。 现今国际上关于超临界机组控制系统的设计已经比较成熟，但是国际自控界流行采用功能块图 的方法设计s a m a 图及进行b w s 组态使得引进机组控制系统中的一些重要函数块无从知晓，而在 超临界机组的控制系统中，存在大量函数块用于补偿修正其非线性、时变和耦合的动静态特性。可 以说这些函数块就决定了超临界机组控制系统设计的好坏。但是，目前国内对超临界机组控制系统 的研究很多是直接采用国外公司的，并没有系统地针对它进行分析，研究各个函数块的具体表达形 式。有鉴于此，本文针对工程设计中的实际问题，根据之前建立的数学模型，结合控制器设计的方 法，对超临界机组的控制系统进行分析，找出输入输出及内部参数之间的关系，用仿真试验的方法 研究函数块的具体形式。 在超临界机组中要保证主蒸汽温度的稳定，必须要控制汽水流程，控制蒸发点。一般通过控制燃 水比来进行粗调，通过过热器喷水减温来进行细调u 6 】。保证合适的燃料量与给水量的比值( 燃水比) 对超临界直流炉是至关重要的，燃水比是否合适，直接反映在过热汽温上，因此常用过热器出口蒸 汽温度的偏差来校正给燃烧量与给水量的比值，工程上一般采用能较快反映燃水比的汽水分离器出 口处的焓值( 中间点焓值) 作为燃水比的修正信号。理论和实践证明要保证直流锅炉的过热汽温的 稳定，维持一定的燃水比并且通过控制汽水流程中某一点( 通常取分离器出口处) 的焓值为负荷的函数 是切实有效的手段。由于该点位于整个汽水流程的前部，该点焓值对燃水比失调的反应较快，惯性 和迟延时间均较小。当燃烧量与给水量扰动时，汽水流程中各点工质温度的动态特性相似：在锅炉 的燃水比保持不变时( 稳定工况) ，汽水流程中某点工质的焓值就保持不变。因此。研究超临界机组 燃水比控制问题在工程应用上就具有十分重要的意义。 由于超临界机组的直流运行特性，变参数运行方式，多变量的控制特点。经典的控制算法，如 p i d 控制及现代控制理论，都难以获得良好的控制效果。近年来，智能控制方法已经取得了很大的 发展，特别是预测控制己广泛应用于生产实践中。预测控制是2 0 世纪8 0 年代初开始发展起来的一 类新型计算机控制算法。该算法直接产生子工业过程控制的实际应用中，并在与工业应用的紧密结 合中不断完善和成熟。预测控制具有控制效果好、鲁棒性强、对模型精确性要求不高的优点。由于 大量的工业生产过程都具有非线性、不确定性和时变的特点i 要建立精确的解析模型十分困难。而 5 东南大学顺i 学位论文 预测控制具有的优点决定了该方法能够有效地应心丁复杂的l 业过程控制。冈此，研究以预测控制 为基础的燃水比控制问题就具有现实意义。 1 2 超临界机组建模和控制的相关研究现状 1 2 1 超临界机组建模研究的相关现状 本文以某6 0 0 m w 超临界机组为研究对象，针对这一复杂的对象，在深入研究超临界机组的动 态特性的基础上，为其设计控制器。这就需要建立一个适用于控制器设计的，并能充分反映超临界 机组动态特性，同时还要满足可延续性与可衔接性要求的数学模型。 目前，国内对超临界机组机理建模的研究主要集中在两个方面：一方面，根据机组运行的机理 特性，由一组非线性微分方程组成超i 临界机组数学模型，这种模型一般比较复杂，主要应用于电站 仿真机，一般无法直接用于控制系统设计。例如文献 1 7 】建立了炉内传热算法和各锅内过程算法的数 学模型。文献 7 一l o 】运用机理建模的方法，分别针对超i 临界机组不同环节建立了区段的模型。文献 5 ，6 】 在各区段模型建立的基础上，采用模块化的建模技术，为超临界机组建立了全工况的数学模型。文 献 1 2 】为全工况的数学模型添加了点火分离器。文献 1 8 】建立了计算锅炉吸热量、汽轮机作功、凝汽 器放热量的线性模型，并通过分析抽汽和各种附加汽水成分对热力系统质量及热量平衡的作用和影 响，得出二次再热超临界机组质热平衡关系的快速建模方法及各种附加成分的线性分析方法。另一 方面，以华北电力大学的刘吉臻、曾德良等人为代表，建立的2 2 直流炉机组的数学模型f 1 9 郐】该 模型表达方式简单，非常适合控制器的设计。但是，由于该模型建模方法简单，虽然能得到模型输 入输出点的传递函数，却无法求取输入对机组内部其它各测点的传递函数，并不能完全反映超临界 机组运行时内部各个测点的动态特性。因此该模型并不能完全满足本文所做工作的要求。考虑到 本文所作研究工作对数学模型的要求可以采用机理建模的方法，根据集总参数的原则，在作出适 当假设的基础上，为超临界机组建立数学模型。通过在额定工况下进行线性化，得出满足本文要求 的适用于控制的超临界机组简化模型。 1 2 2 超临界机组控制研究的相关现状 1 2 2 1 超i 晦界机组典型控制策略比较 目前，研究超临界机组控制策略的文献有很多。文献【1 ，2 1 介绍了超临界参数火电机组的技术特 点，分析了其控制系统中存在的问题，提出在系统设计中要充分考虑采用变参数，变设定值的控制 方案代替根据偏差反馈控制的策略，适时的动态时间补偿以及静态平衡动态修正的控制方法。文献 【2 2 针对超临界机组负荷适应性高的特点，从热工控制角度出发分别介绍了超临界机组的外置式分离 器启动系统和内置式分离器启动系统及其特点，在此基础上较为详细地叙述了由以上启动系统决定 的控制系统特点及相应的机组协调控制系统。文献 4 】分析了超临界机组在动态特性上与亚临界直流 锅炉机组的差别。文献【3 】在分析了超临界机组控制系统的现状以及难点的基础上，重点探讨了非线 性控制、容错控制、信息融合等先进控制技术在超临界机组控制中的应用前景，对发展我国超临界 机组控制技术中所要求解决的一些技术问题进行了分析。本章在研究各文献控制策略的基础上，分 析某6 0 0 m w 超临界机组控制系统s a m a 图，研究其控制策略的选取问题。 ( _ ) 协调控制系统 直流锅炉系统可以看作是一个三输入三：输出的，回路间具有极强耦合关系的多变量系统，其被 控参数为功率、压力、微过热汽温，焓值，控制量为汽机调门开度、燃料量、给水量。根据带固定负 荷或变动负荷，这些控制量和被控参数可以有不同的组合方式，如“机跟炉”方式、“炉跟机”方式、 “协调”方式，“手动控制”方式。根据燃料与给水的从属关系又可分为“煤跟水”方式f 给水主调 功率、燃料主调汽温) 和“水跟煤”方式( 燃料主调功率、给水主调汽温) 等，从而产生不同的控制方 案。本文通过资料搜集和分析整理。将国内目前典型的协调控制方案归纳为四种，现介绍如下： ( 1 ) 以燃料量为主动流量。调节机组功率。给水流量为从动流量，跟随燃料量变化，保持燃水比例 6 第一章绪论 不变，调节微过热汽温；汽机调门开度调节主汽压力。这种方案采用热量信号代替燃料量信号，反 映燃料量的自发扰动。锅炉热量信号的组成为：q = d + c = 譬。 d f 一 式中，q 锅炉热量信号；d 锅炉蒸汽流量信号：c 锅炉蓄热系数； e 2 b 对于直流。 甜 炉为汽水行程中间点压力的微分信号。 该方案主要为早期俄制超临界机组控制系统所采用，如天津盘山发电厂2 5 0 0 m w 超临界机组、 华能南京2 x 3 2 1 ) m w 超临界机组该方案认为压力控制是直流锅炉控制系统的关键环节，压力的变 化对机组的外特性来说将影响机组的负荷，对内特性来说将影响锅炉的温度。控制压力是稳定控制 超临界机组的基础。其本质属于以汽机跟随为基础的协调控制方式。其主汽压力调节具有更好的稳 定性，但负荷跟踪能力一般较差。 ( 2 ) 第二种方案以给水流量为主动流量，调节锅炉负荷。燃料量为从动流量，跟随给水流量变化， 调节燃水比及汽温。对于直流锅炉来说，给水流量的改变可以有效地改变蒸汽流量，并且考虑到燃 料量的内扰很大，若以燃料量作为主动流量调节锅炉负荷，当发生内扰时，不仅会造成负荷和汽压 的波动，而且会引起汽温的变化。 该方案存在的主要问题是，由于磨煤机、给煤机等制粉系统的惯性，用燃料量控制中间点温度 或焓值比用给水流量控制中间点温度或焓值明显地迟延，为了减少锅炉热应力及锅炉寿命消耗，动 态温度控制应优先于匿力控制。 ( 3 ) 第三种以汽机调门开度主调锅炉负荷，燃料量为主动流量调节主汽压力，给水流量为从动流量， 跟随燃料量变化，保持燃水比不变，调节微过热汽温。该方案中，锅炉的主要任务是维持机前压力。 因为机组发电负荷指令( m w d ) 在快速性及时间上比汽机第一级压力和机组实发功率具有优势，因 此该方案以m w d 作为锅炉侧功率需求信号。在m w d 之上叠加主蒸汽压力调节分量，形成锅炉负荷 主指令( b i d ) ，用b i d 指令并行控制锅炉各子系统。汽轮机侧主要调节机组功率，为防止汽压偏差过 大，对实发功率进行了适当修正( 也可对功率指令进行修正) ，当压力偏差超过一定范围时，通过功 率修正可使汽轮机调门回调。从而稳定主汽压力。 该方案以汽机调门开度主调机组功率。因而具有较强的负荷跟踪能力。尽管直流锅炉的蓄热能 力小，但仍应尽量利用这部分蓄热。直流锅炉允许汽压有较大的下降速度，这有利于有效地利用锅 炉的蓄热能力。控制系统必须最大限度地利用直流炉能快速改变蒸发率的能力，解决其固有的蓄热 量小的问题。 当然上述负荷的快速跟踪必须以机前压力的稳定为基础。为此该方案采取了并行静态动态前 馈、引入锅炉动态加速指令、汽轮机压力校正等一系列措施。加快锅炉侧响应。正是这些措施的合 理运用使该方案成为一种切实可行的方案。 目前大多数锅炉制造商及d c s 厂家所采用的超临界机组控制方案都与方案三类似，如m i t s t t i b a b c o c k 、s i e m e n s 、h i t a c h 、国电智深等。因此，本文将着重对该方案下的控制系统进行分析和改进 设计。 d ( 4 ) 第四种是超临界机组的直接能量平衡控制策略。该方案直接采用经过动态校正的；岛作为 锅炉负荷指令信号。式中，p l 为汽机第一级级后压力，导为主汽压力，岛，为主汽压力设定值。该 信号反映了汽机对锅炉能量的需求，它经主汽压力调节器输出进行修正后，被直接用于控制给水流 量，即用给水流量作为主动流量来满足汽机的能最需求，并同时维持机前压力的稳定。该信号还被 作为前馈信号送往燃烧控制子系统，成比例增加燃料量和风量。汽机控制系统采用p ，作为内回路反 馈信号。该方案通过燃料量跟随给水流量来保证一定的燃水比。其燃烧控制子系统为串级控制系统， 7 东南大学硕士学位论文 主控参数为平均的过热器出口温度内回路导前信号采用水冷壁出口温度。 该方案最主要的特点就是采用每。岛作为汽机对锅炉的能量需求信号，但与d e b 4 0 0 等针对汽 包锅炉的直接能量平衡方案不同，该信号经主汽压力调节器输出进行修正后，被直接用。f 控制给水 流量，并作为前馈信号同时改变燃料量。该方案具有炉跟机方式的特点。 与方案三相比，由于p ，在时间上滞后于机组发电负荷指令，因此负荷跟踪性能有所降低，但由 于采用了直接能量平衡信号，机炉的协调性可能更好一些，表现在主汽压力的变化比较平稳。由于 采用“煤跟水”的方式控制燃水比，同样具有方案二存在的问题，可能造成主汽温动态偏差较大。 该方案应用系统如利诺公司( l e e d s n o r t h r u p ) 针对超临界机组控制提出的直接能量平衡控制 方案，但目前在国内尚未见有成功应用的相关报道。 ( - o 给水控制系统 超临界机组的给水控制系统总体上可依据协调控制的“煤跟水”方式和“水跟煤”方式分为给 水主调功率和给水主调汽温两大类，在各大类中又有不同的控制策略设计方案。下面分析比较几种 具体的给水控制方案。 ( 1 ) 第一种方案将保持燃水比作为主要汽温调节手段，确保微过热汽温不变保持出口过热汽温在 很小的范围内变化，采用喷水减温法对过热汽温进一步精确调节，从而实现出口汽温的分段调节。 在调节对象的选择上，以惯性较小的中间点工质( 微过热蒸汽) 焓值作为燃水比信号，以保证惯性 较大的过热器出口蒸汽参数得到提前调整，选择给水流量作为控制中问点温度或焓值的主要手段。 三井超临界机组给水控制系统就是采用的该方案。该方案属于“水跟煤”协调的给水控制方式。 ( 2 ) 第二种方案以燃料量为主调节锅炉负荷，给水流量跟随燃料量变化，实质也是保持燃水比例为 设定，属于“水跟煤”协调方式。该方案以中间点的焓值作为给水控制系统的第一反馈校正信号， 中间点的焓值由汽水分离器压力和出口温度计算求得，其设定值为汽水分离器压力的函数。以过热 器的总喷水流量与给水流量的比值作