1、1 , 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题目： 超超临界火电机组燃烧控制系统设计 姓 名 林逸君 学 号 201100170220 学 院 控制科学与工程学院 专 业 测控技术与仪器 年 级 2011 级 指导教师 刘红波 2015 年 5 月 10 日 2 目录 摘要 . 3 ABSTRACT . 4 第一章 绪论 . 5 1.1 课题背景及意义 . 5 1.2 超超临界火电机组控制技术应用现状 . 5 1.3 毕业设计主要内容 . 5 第二章 超超临界火电机组燃烧控制系统概述 . 6 2.1 机组工艺流程简述 . 6 2.2 机组燃烧过程控制系统任务 . 7 2.3 机组燃烧过程控制系统组
2、成与 特点 . 8 第三章 超超临界火电机组燃烧控制方案设计 . 9 3.1 常规控制方案 . 9 3.2 改进控制方案 . 10 第四章 控制方案仿真验证 . 10 4.1 MATLAB 简介 . 11 4.2 控制方案的 Simulink 仿真验证 .错误 !未定义书签。 结论 . 15 致谢 . 16 参考文献 . 17 附录 附录 1 Controller design for a 1000 MWultra super critical once-through boiler power plant 附录 2 文献翻译 3 摘 要 随着科学技术的进步，传统电厂的工作方式正在发生着革新，
3、超超临界电厂得到了越来越广泛的应用。相比于传统电厂，超超临界电厂主要区别在于提高了锅炉内的工质，一般为水的压力，来提高电厂的发电效率。本文通过对电厂燃烧过程控制系统的改进来减少电厂控制变量之间的相互干扰，从而进一步提高电厂的发电效率。首先，根据电厂的工作原理分析出电厂各控制变量与各被控量之间的相互关系，建立电厂的简化数学模型。之后，根据各变量之间的相互作用关系采取 PID 增益控制、解耦等方式提出改进的控制方案。然后，根据从网上搜集到的超超临界电厂在实际工况 下所采集到的数据完成数学模型的数据输入工作。最后，通过 MATLAB 下的 Simulink 工具箱对数学模型进行仿真实验，得出电厂输出
4、量的波形图，通过对比研究改进后的控制方案的实际运行成果。 关键词： 超超临界电厂 , 燃烧过程控制系统 , 数学模型 , MATLAB, Simulink 仿真 4 ABSTRACT With the progress of science and technology, an innovation of traditional power plants is proceeding, ultra supercritical power plants are being applied more and more general. Compared to traditional power pl
5、ants, ultra supercritical power plants raise the pressure of the working medium, usually water, in their boilers to improve their generating efficiency. This thesis focuses on the way to improve the combustion process control system of the power plant to reduce the interferences during each of the p
6、ower plant control variables. So that we can further improve the generating efficiency of our power plant. First of all, according to the working principle of the power plant we analysis how its control variables and controlled variables affect each other, so we can build a mathematical model of the
7、m. Secondly, by using PID controllers, decoupling or other ways we set up an improved combustion process control system control plan. Then, by searching the Internet we find some data from a real ultra supercritical power plants in order to input them into our mathematical model. Last of all, throug
8、h Simulink, a toolbox from MATLAB we make a simulation for our model, after we have a conclusion in the oscilloscopes we can find out how our plan improves the efficiency of the power plant. Key words: ultra supercritical power plant, combustion process control system, mathematical model, MATLAB, Si
9、mulink simulation 5 第一章 绪论 1.1 课题背景及意义 近年来，随着 更多高性能材料的投入与设备制造技术的不断提高，以提高主蒸汽参数为目标的超超临界火力发电机组在世界范围内得到了越来越广泛 的关注。从世界范围看，自二十世纪五十年代开始，以美国为首的世界发达国家开始了 超临界机组的研究与应用 。 1957 年，世界上第一台超临界机组在美国落成运行。到了二十世纪九十年代，超临界机组技术基本发展成熟，欧美日等发达国家开始着手研究超超临界机组技术。到了 2000 年前后，其首台超超临界机组基本开始投入运营。在国内，从上世纪八十年代末期，我国从国外购进了 16 台大容量超临界机组，
10、在生产实践中对超临界技术有了一定的掌握。进入二十一世纪以后， 通过对国外先进技术的不断借鉴研究，我国如今正逐步完成从常规 300MW、600MW 的亚临界机组到 600MW、 1000MW 的超临界、超超临界机组的过渡。本文主要研究的就是超超临界火电机组中的燃烧系统控制，以提高机组的热效率为途径，达到提高发电效率，节约能源的目的。 1.2 超超临界火电机组控制技术应用现状 国外的超超临界机组技术从二十一世纪初 开始便已比较完善，国内的相关技术虽然起步比较晚，但通过进口大型机组等方式研究掌握了部分世界上的先进技术。在研究的早期，由于资金的紧缺与国际上对于超超临界先进技术的垄断，国内的研究机构与高
11、等院校虽然虽然在一些小型工业装置上取得了一定的成果，但对于大规模的实用性机组一直没能攻破技术难关。如今，在国内几大能源巨头企业的牵头下，国内积极引进世界先进技术，结合国内以煤炭为主要能源的背景，努力把 发电效率提高到 45%左右的水平，紧跟世界上 43% 47%净效率的超临界、超超临界发电机组。截止到 2009 年，我国已有 23 台超超 临界机组投产，其中1000MW 级 13 台， 600MW 级 10 台，占火电装机容量的 18%。另外，还有一批超超临界机组正在建设。超超临界机组将成为今后火电机组发展的重点方向。 1.3 毕业设计主要内容 本论文主要 对 超超临界火电机组 的工作原理和对
12、象特性进行介绍和分析，在分析了 超超临界火电机组 的各种 控制 要求和影响因素的基础上，总结和归纳出系统的主要控制目标 ，并根据控制目标建立机组燃烧系统比较符合实际的数学模型。并对 超超临界火电机组 燃烧 系统 常规控制系统的设计方法 进行介绍和分析 ， 提出改进的过程控制方案 。设计好此方案后，采用 MATLAB 属下的 Simulink 集成化仿真软件验证所设计控制方案的有效性。 6 第二章 超超临界火电机组燃烧控制系统概述 2.1 机组工艺流程简述 图 1 为 一 间 典 型 的 1000MW 超 超 临 界 锅 炉 电 厂 的 构 成 框图 。 图 1 1000MW 超超临界电厂构成
13、这间电厂使用了三个省煤器来控制经由 给水 系统 进入锅炉的水的温度 达到预设值 。用了两台鼓风机和两台主风机来为空气预热器提供空气。空气预热器把加热完毕的热 空气输入研磨机、燃烧器和锅炉中。而主风机也把冷空气输入研磨机中。燃料 （煤） 通过研磨机 研磨成粉末，再从 燃烧器 燃烧后将热量输入到锅炉当中 。通过控制两台引风机把炉内压力控制在预设值。水冷壁成垂直螺旋形包围锅炉。 锅炉所输出的烟气分别通过过热器、再热器、节约装置和空气预热器作用于 锅炉内各需要热量的装置中，以锅炉内 提高蒸汽、水和空气的温度。在锅炉的顶部有一个分离器 ，其主要作用为 给主过热器提供高 压蒸汽以及 减少蒸汽中的杂质。过热
14、器由 4 部分组成，分别是主过热器、分级过热器、屏式过热器和 末级过热器。 蒸汽 在 经过高压涡轮后 被再热器系统的 主再热器和末级再热器 重新加热 。最后， 蒸汽输入 一个由高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮三部分组成的复合三重涡轮机中 ，推动涡轮的运转， 生成电力。 超超临界机组的燃烧控制系统主要包括 研磨 系统、燃烧器等各子系统的的控制，燃烧系统推动了 锅炉 内 主要设备的运行， 其 由给煤机、磨煤机、轻油系统、三大风机、实现燃烧的炉膛等组成。燃烧控制系统对这些设备的运行进行有效的控制，是锅炉安全经济运行的保证。 7 2.2 机组燃烧过程控制系统任务 锅炉燃烧过程实际上是把燃料内的化学能通过燃
15、烧进行能量释放的过程。 一间典型的超超临界电厂的基本工作原理是用燃烧 燃料 所 释放的热量对 电厂的给水进行加热形成水 蒸汽 ，水 蒸汽推动汽轮机做工实现发电。可见 ， 燃料的 燃烧过程是实现能量转换的关键一步。 燃烧控制系统的基本任务是保证燃料燃烧提供的热量和蒸汽负荷需求的能量相平衡，同时保证锅炉安全经济地运行。一台 超超临界 机组的具体燃烧控制任务，受该 机组 锅炉的运行方式、燃料种类、燃烧设备等因素影响， 因此 所需的控制方案不尽相同。但就一般来说，机组燃烧控制系统的控制任务可概括为以下几点： （ 1） 满足机组负荷需求，维持主汽压在允许范围 机组靠燃料燃烧提供能量输入，所以燃烧控制系统
16、 响应 协调控制系统的负荷指令 所需的时间越短越好。机组主汽压的变化是对 锅炉与汽轮机之间的能量需求平衡关系 的反映 。维持 主汽压在一定范围内变化，就保证了热量供给与蒸汽负荷的平衡。 通过对 进入炉膛的燃料量 的 控制 来控制主汽压的数值 ，是满足机组能量平衡的 主要 控制手段。 （ 2） 保证燃烧过程的经济性，减少对环境的污染 在保证锅炉、汽轮机能量需求平衡的前提下，燃烧控制系统的另一任务就是提高燃烧的经济效益，减少环境污染。即在改变燃料量的同时，及时对送风量进行控制，保证充分燃烧 ，提高燃料的燃烧率 ，尽量令燃料得到充分地燃烧 。烟气的含氧量系数是衡量燃烧经济程度的一种指标。 根据不同的
17、燃料，有一个相应的最高效率区。当过大时，炉膛温度降低，排烟损失增大。当过小时，燃料不能充分燃烧 ，导致燃料的浪费 。所以， 经测量计算实验等手段后得出的最佳值，并推算出对应其所需的同时输入空气与燃料的风煤比例。 保持合适的风煤比例是保证经济燃烧并减少污染的基本措施。锅炉运行中仍然存在很多其他不确定因素， 如测量信 号不准确、燃料品质变化、锅炉负荷变化等，因此仅采用控制送风量和煤 的比例是不够的。烟气中各成分如 O2、 CO、 CO2 等也 上可以反映燃料燃烧的情况， 但对燃料燃烧率影响的反映不如那么明显。 因此， 常用来作为一种直接衡量经济燃烧的指标，用含氧量信号对风煤比例控制加以校正。 至于
18、其他变化可以看作扰动，在系统的设计中设法消除。 （ 3） 维持炉膛压力稳定 电站锅炉燃烧过程基本都为负压运行方式，维持炉膛负压的主要目的是保证运行人员和设备安全。 若 炉膛出现正压时，炉内火焰和烟气会从炉膛内喷出，不仅危及运行人员和设备安全，还会污染环境。若炉膛负压过大时，又会造成大量冷空气进入炉膛，8 影响燃烧的经济性。 因此，需要将炉膛内的压力维持在一个安全稳定的区间。 一般采用引风量来控制炉膛压力 ,维持炉膛压力在一个稳定值 。 锅 炉燃烧控制的三项主要任务间既有联系，又有一定的独立性 。 2.3 机组燃烧过程控制系统组成与特点 燃烧过程控制系统的组成与许多因素有关，例如锅炉的运行方式、
19、锅炉结构形式、制粉系统及磨煤机的类别等。但 无 论哪种情况，燃烧控制系统的组成应符合一个总原则，即当控制变量发生变化 时 ，燃料量、送风量及 给水量 应同时相应地成比例改变，以迅速适应符合 改变的要求， 令燃烧系统重新回归稳态， 同时维持主汽压、过剩空气系数、炉膛负压稳定在安全范围之内，不至于偏离其 给定值过大。稳态时，保 持各被调量等于其给定值。当某调节量出现自发性变化时，应能迅速 消除 其带来的一系列不利影响 ，将系统的波动对系统产生的影响降低 。 因此 ，燃烧过程控制系统一般分为三个子系统，分别为：燃料量控制系统、送风量控制系统、 给水量 控制系统。这三个系统分别对应燃烧调节对象的三个控
20、制变量（燃料量 B、送风量 V、 给水量 W）和三个被控量（主蒸汽压力 Pt、烟气含氧量系数、 微过热蒸汽温度 T）。具体关系如图 2 所示。 图 2 燃烧过程控制子系统 当然，三个控制变量和三个被控量之间还有其他多种组合方式，但图 2 中的组合方式最为常见。 从燃烧控制系统的组成中我们可以总结出它的几个特点： （ 1） 由于超超临界机组中的锅炉是一个多输入、多输出的被控对象，所以，在不同的 运行情况下，其加热部分、蒸发部分和过热部分之间的界限不是一成不变的，有些情况下，这个界限甚至会发生连续的波动 。因此，为了保持机组运行状态下锅炉中各部分的温度、湿度等参数维持在规定的范围以内，要求燃烧控制
21、系统严格保持其三大子系统之间的平衡关系 。这种平衡不仅要再 稳态的 情况下，在 动态的 情况下更应如此 。 （ 2） 由于如 今 为了提高机组的发电效率，以应对国内越来越重的用电需求， 对机组 在控制 循环过程中的 控制 速 度要求越来越高，控制系统必须快速对各变量产生的变化做出相应的反应，比以前更加具有实时性。换句话说，控9 制要求的响应 时间必须越来越短。 （ 3） 由于超超临 界机组一 般为直流机组，所以燃烧系统的三大子系统之间相互关联性比较强，所以在控制某一个控制变量的改变时，除了关注其对应的被控量变化，还需要留意其对其他被控量的影响。 在之后的燃烧过 程控制系统设计中需要留意通过对各
22、 控制变量之间的解耦 等办法来减少个控制变量之间的相互干扰 。 综上所述，超超临界机组燃烧控制系统相较于传统燃烧控制系统具有 控制过程稳定安全、系统 实时性高、响应速度快、耦合性强等特点。 第三章 超超临界火电机组燃烧控制方案设计 3.1 常规控制方案 由上文可知，燃烧控制系统可看作一个三输入三输出的多变量调节系统。但是，由于汽机阀门开度对中间点温度的影响很小，可以忽略其影响。因此， 系统可以看成为一个主要研究锅炉燃水比的控制系统，从而 简化为一个双输入双输出的模型， 建模后 如图 3 所示。 图 3 锅炉燃水比控制框图 图中 W 为给水量， B 为燃料量， T 为微过热蒸汽温度， PT为主蒸
23、汽压力。 此为一个典型电厂燃烧控制系统，但 由图可见， 这是一个典型的双输入双输出开环系统，两个输入量 W、 B 会互相影响， 相互干扰，从而 引起输出量的偏差，而且系统没有考虑到输出量的反馈干扰能力，抗干扰能力也不是十分好。此系统长久运行下去不仅影响电厂的发电效率，还可能造成安全事故， 与超超临界机组10 对响应速度和响应质量的要求不符，因此需要对此 系统 进行改进。 3.2 改进控制方案 由于两个输入量间 稳态关联 比较严重， 且动态特性相近， 所以需要采用解耦的办法来减少它们之间的关联。 本文采用前馈补偿法对系统进行解耦 ，具体的控制框图如图 4 所示。 图 4 改进的燃烧控制系统 Gc
24、1(s)和 Gc2(s)为两个 PID 调节函数 ， 将两系统进行闭环处理， 通过 PID 控制器 将两个输入量的误差调节到允许的范围， 同时减少从输出量方向 反馈 的干扰对系统后续部分的影响， 调节后 的输入量分别为 W 和 B 。随后，通过前馈解耦使 T 与 B无关联， PT与 W无关联 ，从而减少两输入量之间的相互干扰现象 。 改进后的控制系统通过 前馈 解耦减少了两个输入量之间的相互干扰 ， 对在输出端造成的扰动对输入量的反馈干扰效果也能很好的预防和减弱， 从而减少的系统的误差。因此， 由于输出数据的 前期 波动程度较弱，波动时间较短， 系统的响应时间得以提高。在系统开机时，能很快达到稳定的输出状态，当干扰来临时，系统的自我调节能力也大大提高了， 从而令机组的工作效率提高了。 前几年在江苏落成的国电泰州电厂使用的 是典型的 1000MW 超超临界机组，通过从网上查阅相关资料后， 使用其在 80%负荷的工况下的现场运行数据进行研究。将相关数据输入 MATLAB 并 化简后，得出在 80%负荷工况下控制系统的动态模型传递函数为 ：
