过热器温仿真.doc

1 引言电力行业是国民经济发展的重要支柱，是人类社会生产和生活必不可少的重要产业。在我国各大电力系统中，主力机组的单机容量已有300MW过渡到600MW，并继续到1000MW迈进。随着单机容量的增大，初蒸汽参数也向高压、超高压、亚临界、超临界、超超临界压力逐步过渡。超临界机组是我国近期发展起来的大容量机组，并逐渐将成为国家电力行业的主力机组。 就目前看来，我国发电还是主要以火力发电为主，锅炉主汽温控制过热汽温控制对于机组的安全经济的运行有着非常重要的意义，但同时也是最难控制的的系统之一，其控制难点主要体现在一下几个方面：1）过热汽温的干扰因素很多，例如负荷，减温水量等。2）在各种扰动量的干扰下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制难度加大。3）汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其是随着机组容量和参数的提高，蒸汽过热受热面的比例加大，使其迟延和惯性进一步加大，增大了控制难度。但同时过热汽温控制对于机组安全经济的运行有着相当重要的作用，主要有以下几个方面：1） 过热汽温过高会使蒸汽管道金属和锅炉受热面的蠕变加快，影响使用寿命。当超温严重的时候，将会使材料强度急剧下降从而导致管道破裂。过热汽温过高还会导致汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片的机械强度下降，导致使用寿命降低和设备损坏。2） 汽温过低，将会影响机组的经济性。当汽温低的时候机组热效率降低，煤耗增大。另外，汽温降低会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，影响汽轮机内部的热效率，使汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。此外，汽温降低会使汽轮机所受的轴向推力增大，对汽轮机的安全运行很不利。3） 主汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。总之，过热汽温是火电机组的主要参数。由于过热器是在高温、高压环境下工作，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化又很小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多等，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择控制汽温的手段及控制策略是非常重要的。2 过热汽温控制系统基本分析2.1 基本任务与要求 过热汽温的稳定是机组经济安全运行的保障。主汽温度自动调节的任务是维持过热蒸汽出口汽温在允许的范围内，使管壁温度不超过允许的工作温度，以确保机组运行的安全性和经济性。过热汽温过高或过低都会对机组运行造成不利的影响。过热汽温过高。会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，降低使用寿命；若长期超温，则会导致过热器爆管；在汽机侧，还会导致汽轮机的汽缸、汽阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的寿命缩短，甚至损坏。过热汽温过低，会降低机组的循环热效率，一般汽温每降低510，效率约降低1，同时会使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。汽温变化过大，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组的安全。正常运行时应维持主汽温5405，当燃烧工况变化时应及时调整使主汽温在允许值内，且主汽蒸汽两侧偏差应小于5定压运行在200MW以上，滑压运行在166MW以上，主汽温均应保持在540，正常变化范围为5405。2.2 过热汽温控制策略 过热汽温控制对象具有大迟延大惯性的特质，简单的单回路控制系统不能满足控制要求。目前大型机组多数采用串级控制系统，串级控制系统原理框图如图1.1所示。 图1.1 串级控制系统原理框图 从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副环或副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用，一个环在外面，成为主环或者主回路，用来完成“细调”的任务，最终能够保证被调量满足工艺要求。 串级控制系统具有良好的控制性能，主要原因有以下三个原因：1）对二次干扰有很强的克服能力；2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；3）对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。2.3 主汽温控制的任务分配主汽温1的控制是通过控制一级减温器的喷水量和二级减温器的喷水量来实现的，主汽温与设定值（与负荷成单值函数关系）的偏差经调节器运算产生基本喷水量需求信号，此信号经与前馈信号迭加形总喷水量需求信号。前馈信号包括代表锅炉送风量的信号和主汽压偏差信号（主汽压与设定值之差），它们都提前反映负荷变化。总喷水量需求分别乘以两个不同的系数K1和K2（K1 K2）得到一级喷水需求信号A和二级喷水需求信号B。正常情况下，一级喷水量需求信号A经修正形成一级喷水调节器设定值a，从而控制一级喷水阀。二级喷水量需求信号经修正形成二级喷水调节器设定值b，从而控制二级喷水阀。因为K1 K2，所以当系统处于稳定状态时，一级喷水量是大于二级喷水量的，即二级喷水的出力较小，这样能够使二级喷水留有余力的防止主汽温超温。当系统处于动态时，系统将一级喷水需求通过惯性环节等环节调整一级喷水量的设定值，逐步改变一级喷水量；系统将一级喷水需求与一级喷水量设定值的偏差加到二级喷水量需求上，使二级喷水阀完成一级喷水阀没有完成的部分。这样保证了主汽温1能够快速的维持在设定值。实际上，二级喷水量值是由总喷水量进行比例微分形成，加强二级喷水的动态控制作用，改善控制效果。3 过热汽温控制对象的动态特性过热汽温控制对象的动态特性是指引起过热汽温变化的各种扰动与汽温之间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的因素很多，如过热蒸汽流量变化，炉堂燃烧工况的变化，锅炉给水温度的变化，进入过热器的热量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化。但归纳起来，过热气温控制对象的扰动主要来自3个方面：蒸汽流量变化（负荷变化），烟气传热量变化和减温水流量的变化（过热器入口汽温变化）。3.1、蒸汽扰动下对象的动态特性 引起蒸汽流量变化的原因有二：一是蒸汽压力变化，二是汽轮机调节汽门的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量D的扰动下，汽温变化的静态特性是不同的。对于对流式过热器的出口温度，随着蒸汽流量D的增加，通过过热器的烟气量也增加，导致气温升高；对于辐射式过热器，蒸汽流量D增加时，炉膛温度升高较少，炉膛辐射给过热器受热面的热量比蒸汽流量的增加所需的热量要少，因此辐射式过热器的出口汽温反而下降，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温对负荷变化的反应是相反的，其静态特性如下。图. 蒸汽量变化与对流过热器及辐射过热器出口汽温变化的静态特性 图. 蒸汽量变化对过热器汽温的影响3.2烟气量扰动下过热汽温对象的动态特性 引起烟气传热量变化的原因很多，如给煤机给煤不均匀，煤中水分的改变，蒸汽受热面结垢，过剩空气系数改变，汽包给水温度变化，燃烧火焰中心位置的改变等。尽管引起烟气传热量变化的原因很多，但对象特征总的特点是：有延迟，有惯性，有自平衡能力。它的特征曲线如左图所示。 图. 烟气流量变化对过热汽温的影响 3.3减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性常用的减温方法有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好，喷水式减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段，另一方面又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小1/4。 图. 减温水量变化对过热汽温的影响4 过热气温的串级控制 过热汽温控制对象具有大迟延大惯性的特质，简单的单回路控制系统不能满足控制要求。目前大型机组多数采用串级控制系统，串级控制系统原理框图如图1.3所示。 图1-3 串级控制系统原理框图 从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副环或副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用，一个环在外面，成为主环或者主回路，用来完成“细调”的任务，最终能够保证被调量满足工艺要求。 串级控制系统具有良好的控制性能，主要原因有以下三个原因：1）对二次干扰有很强的克服能力；2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；3）对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。由于串级控制系统的良好控制性能，所以在过热汽温控制中得到了广泛的应用。在基本扰动下，主汽温反映有着较大的迟延，而减温器出口温度有着明显的导前作用，因此可以构成以减温器出口温度为副参数，过热器出口温度为主参数的串级控制系统，具体如图1-4所示。当扰动发生在副回路时（如减温水温度发生扰动），由于有副回路的存在，并且导前区的惯性小，副调节器能够快速反应，消除扰动，从而使主汽温不必发生较大变化。当扰动发生在副回路之外时，引起主汽温偏离设定值，这时主调节器改变其输出信号，通过副调节器调节减温水流量，使主汽温恢复设定值。 图1-4 过热汽温串级控制系统 5 过热汽温控制系统的仿真实验5.1调节器参数的工程整定法在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务是不同的，所以它们调节动作规则的选择也是不同的。副调节器的任务是能够快速动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，并且不要求无差，所以可以选择P调节器，也可以采用PD调节器。主调节器的任务是准确保持被调量复合生产要求，是不允许有偏差的，所以一般采用PI调节器。串级控制系统的参数整定要比简单系统复杂些。一般来说，串级系统整定的方法有三种：逐步逼近法、两步整定法和一步法。本次采用逐步逼近法整定系统参数。逐步逼近法是一种依次整定副环、主环，然后循环进行，逐步接近主、副环的最佳整定的一种方法，其步骤如下： (1)首先整定副环。此时，断开主环，按照单回路整定方法，求取副调节器的整定参数，得到第一次整定值，记作Gc21。 (2)整定主环。把刚整定好的副环作为主环中的一个环节，仍按照单回路整定方法，求取主调节器的整定参数，记作Gc11。 (3)再次整定副环，注意此时副回路，主回路都已经闭合。在主调节器的整定参数为Gc11条件下，按单回路整定方法，重新求取副调节器的整定参数Gc22.。至此已经完成一个循环的整定。 （4）从新整定主环。同样是在两个回路闭合、副调节器整定参数为Gc22的情况下，重新整定主调节器，得到Gc12。 （5）如果调节过程达到品质要求，整定工作就此结束；如果调节过程仍然没有达到品质要求按照上面（3）、(4）步继续进行，直到控制效果满意为止。5.2 被控对象数学模型 主汽温控制系统导前区的数学模型为：惰性区的数学模型为： 一级汽温控制系统导前区传递函数： 惰性区传递函数：5.3 主汽温控制系统simulink仿真及性能分析5.3.1 主汽温控制系统simulink组态图主汽温控制系统在simulink环境下构建的组态图如图5.1所示 图5-1 主汽温控制系统组态图其中组态图中的Subsystem1块中的传递函数为：组态图中Subsystem块中的传递函数为：5.3.2 主汽温控制系统在设定值扰动下的仿真根据串级系统的结构图进行参数整定，内回路控制器均为P调节，外回路控制器为PI调节。参数整定步骤如下：(1) 首先断开主回路，在内回路中加入单位阶跃响应，改变内环PID的比例值，最终是要得到曲线衰减比大致为4:1的曲线。首先将比例增益Kp2设为-10，衰减率为88.3%，应增大比例作用。令Kp3=-20，得到衰减率为78.9%的曲线。继续增大，当Kp2=-25时，得到衰减率为75.6%的曲线。(2) 整定主回路，把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按照单回路整定方法，按经验试凑法求取主调节器的整定参数，首先将设定Kp1=1、Ti1=、TD=0，仿真曲线图5-2 主汽温在设定值扰动下的响应曲线的振荡厉害，且超调量太大，为52%。减少比例作用，设定Kp1=0.55，仿真曲线的超调为21%,稳定值有偏差，应添加积分作用。令Ki=0.1，仿真曲线发散，应减小积分增益。将积分增益改为Ki=0.001，仿真曲线调节时间过长，应增大积分作用。经过反复调整，将积分值设定为Ti1=0.008时，能够得到满意的曲线，如图5-2所示。 从仿真曲线中可以看出，系统最终能稳定在设定值上，没有稳态误差，得出的动态性能参数为：上升时间tr=166s、峰值时间tp=220s、调节时间ts=610s、超调量=14.5%。从其动态性能参数可以看出，对于主汽温控制系统来说，串级常规PID能够在设定值扰动下取得良好的控制效果。5.3.3 主汽温控制系统在减温水扰动下的仿真 对于主汽温控制系统来说，由于主要采用喷水来控制汽温，所以喷水量扰动是该系统的基本扰动。具体仿真步骤为:将设定值处的阶跃信号去除，在导前区与副调节器间加一阶跃扰动，用以模拟喷水量扰动。由于有内回路的快速调节作用，系统的输出不会产生大的变化。仿真的得到的响应曲线如图5-3所示： 图5-3 减温水扰动下主汽温响应曲线在减温水扰动下，该控制系统最终能够消除扰动，使主汽温稳定在设定值，其最大动态偏差为0.035，调节时间为800s。从其动态性