超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、1 / 103南 京 工 程 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)專 業(yè)： 熱熱能能與與動(dòng)動(dòng)力力工工程程（火火電電廠廠集集控控運(yùn)運(yùn)行行） 題 目： 超超臨臨界界機(jī)機(jī)組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的分分析析與與設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 2 / 103畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人

2、或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或

3、集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研3 / 103究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說說明明書書（論論文文）中

4、中文文摘摘要要4 / 103火電廠超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量被控對(duì)象，具有非線性強(qiáng)、參數(shù)時(shí)變大、遲延等特性，針對(duì)這些特性，需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行解耦控制，然后對(duì)控制算法進(jìn)行改進(jìn)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行。本文首先介紹了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方案；其次，對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，分析了超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性以與超臨界機(jī)組在100%負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型；再次，通過對(duì)該超臨界機(jī)組數(shù)學(xué)模型相對(duì)增益的計(jì)算，結(jié)果表明，該系統(tǒng)是以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；然后，分別采用前饋解耦和對(duì)角陣解耦兩種方法對(duì)超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，比較解耦后與解耦前以與等效單回路的階躍響應(yīng)曲線；最后，對(duì)機(jī)組的控制效

5、果進(jìn)行改進(jìn)，利用積分分離PID 控制算法對(duì)超臨界機(jī)組 100%負(fù)荷模型進(jìn)行了仿真研究，并與常規(guī) PID 控制算法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：積分分離PID 控制算法比常規(guī) PID 控制算法能夠顯著降低系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)更趨與穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞 ： 協(xié)調(diào)控制解耦控制 PID 控制 積分分離 PID 控制1 / 103畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說說明明書書（論論文文）外外文文摘摘要要T Ti it tl le e The Analysis And Design of the Coordinated Control System of the Supercritical UnitA Ab bs st tr ra a

6、c ct tThe coordinated control system of boiler-turbine is a complicated multi-variable control object, and it has some characters such as nonlinear, time-varying parameters and large delay。According to these characteristics, need to decouple control unit, then to control algorithm was improved, make

7、 the system more stable operation 。Firstly ，this article introduces the control schemes of coordinated control system are presented; Secondly, summarizes the influence of factors of coordination control system ，analyzes the dynamic characteristic of supercritical unit in 100% load and supercritical

8、unit under the dynamic mathematical model ;Again, through the calculation of relative gain mathematical model, the result shows that ,this system is based on turbine follow coordinated control system ;Then, we adopt feedforward decoupling and diagonal matrix decoupling two methods coordinated contro

9、l system of supercritical unit simulated research, compare decoupling control and not decoupling control effect and completely decoupling single loop control effect after the difference ;Finally, on the unit control effect, using improved integral separation PID control algorithm for supercritical u

10、nit 100% load model and simulation with the conventional PID control algorithm is compared, results show that: integral PID control algorithm is better than conventional PID control algorithm can significantly reduce the system overshoots, make the system more hasten and stable operationK Ke ey yw w

11、o or rd d: : The coordinated control system(CCS); Decoupling; PID 2 / 103controller; PID controller using integral separation1 / 103目錄前言 1第一章緒論 21.1 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究目的與意義21.2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀21.2.1 國外協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀 31.3 研究容與研究計(jì)劃 4第二章機(jī)爐協(xié)調(diào) 控制系統(tǒng)概述 62.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述 1262.1.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本策略 82.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析102.2.1 超臨界

12、機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)102.2.2 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型15第三章多變量耦合系統(tǒng)概述213.1 概述 213.2 前饋補(bǔ)償解耦法 273.3 對(duì)角矩陣法 283.4 解耦控制效果比較 343.4.1 模型降階 5343.4.2 前饋補(bǔ)償法開環(huán)解耦控制效果比較413.4.3 對(duì)角矩陣法開環(huán)解耦控制效果的比較463.5 小結(jié) 51第四章協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略534.1 機(jī)跟爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 544.1.1 補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)544.1.2 補(bǔ)償汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)554.1.3 實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償?shù)臋C(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)564.2 爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 572 / 1034.2.1

13、補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的爐跟機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)574.2.2 補(bǔ)償汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的爐跟機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)584.2.3 實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償?shù)臓t跟機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)58第五章協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真研究與分析605.1 解耦后單回路控制系統(tǒng)的整定605.2 前饋法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較675.2.1 前饋法閉環(huán)解耦后的整定 675.2.2 前饋補(bǔ)償法閉環(huán)解耦控制系統(tǒng)與等效單回路控制系統(tǒng)的仿真比較725.3 對(duì)角矩陣法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較745.3.1 對(duì)角矩陣法解耦后的整定 745.3.2 對(duì)角矩陣法解耦控制系統(tǒng)與等效單回路控制系統(tǒng)的仿真比較795.4 小結(jié) 81第六章改進(jìn)積分算法的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究826.1 采

14、用積分分離 PID 控制器的仿真研究 826.2 小結(jié) 87第七章結(jié)論 89參考文獻(xiàn) 90致 921 / 103前前言言眾所周知，我國現(xiàn)階段正處在電力建設(shè)的高峰期。根據(jù)國家的“十一五”電力規(guī)劃， 2010 年發(fā)電裝機(jī)將要達(dá)到 5.86 億千瓦左右，其中火電在 4 億千瓦以上， “十一五”電力安排投產(chǎn)在 1.65 億千瓦左右，而其中火電為8500萬千瓦，到 2020 年全國規(guī)劃裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到99.5 億千瓦左右，其中63為火電裝機(jī)容量。而現(xiàn)階段300MW、600MW 等大容量、高參數(shù)、單元制機(jī)組已經(jīng)成為火力發(fā)電的主力機(jī)組， 1000MW 也已陸續(xù)投入生產(chǎn)。目前，超臨界機(jī)組是我國新建或擴(kuò)建火力發(fā)

15、電廠的主流機(jī)組，隨著越來越來多的大容量、高參數(shù)機(jī)組的投運(yùn)，現(xiàn)代化電力生產(chǎn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性要求的提高，使其自動(dòng)化水平也得到了很大的提高，自動(dòng)化已經(jīng)在生產(chǎn)過程中起到了至關(guān)重要的作用。超臨界機(jī)組是以汽水一次循環(huán)為特征的直流鍋爐，是強(qiáng)耦合、非線性、多參數(shù)的被控對(duì)象，必須同時(shí)考慮鍋爐慣性較大，汽機(jī)反應(yīng)較快的特點(diǎn)，將機(jī)爐看作聯(lián)系緊密的一體化對(duì)象，采用協(xié)調(diào)控制（CCS）策略；單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)的機(jī)爐局部控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的復(fù)雜控制系統(tǒng)，具有多種控制功能，能夠滿足不同運(yùn)行方式和不同工況下的控制要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)單元機(jī)組控制提出更高的要求，研究單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將有助于提高火電

16、廠的自動(dòng)化程度和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，因此具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義；又由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是一個(gè)多變量被控對(duì)象，具有非線性、參數(shù)時(shí)變、大遲延等特性。而且機(jī)、爐耦合嚴(yán)重，機(jī)、爐響應(yīng)特性差異巨大，精確的數(shù)學(xué)模型難于得到，常規(guī)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)對(duì)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的要求。因此，需要對(duì)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象特性與控制策略進(jìn)行深入研究。2 / 103第第一一章章 緒緒論論1 1. .1 1 單單元元機(jī)機(jī)組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的研研究究目目的的與與意意義義近年來，隨著我國電力工業(yè)體制改革與電力建設(shè)步伐的加快，長(zhǎng)期制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的電力緊缺問題基本得

17、到緩解。但是，由于用電結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差呈不斷增大趨勢(shì)，電力系統(tǒng)面臨著電網(wǎng)峰谷差偏大、調(diào)峰能力不足的矛盾。電網(wǎng)AGC 控制對(duì)單元機(jī)組提出了深度調(diào)峰的要求。對(duì)單元機(jī)組來說，也就是對(duì)其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了更高的要求。主要包括 :大圍的負(fù)荷變動(dòng)，良好的負(fù)荷動(dòng)靜態(tài)跟蹤性能、穩(wěn)定性能等。目前，我國中小機(jī)組還占相當(dāng)大的比例，且自動(dòng)化水平較低，造成 CCS 的投入率很低。即使是大容量的新機(jī)組，其 CCS 的投入水平也往往不能適應(yīng)電網(wǎng) AGC 的要求。因此，設(shè)計(jì)合理適用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案、改造不同容量的新老機(jī)組是迫切需要解決的實(shí)際問題。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)整

18、體進(jìn)行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動(dòng)調(diào)節(jié)、邏輯控制、聯(lián)鎖保護(hù)等功能有機(jī)的結(jié)合在一起，構(gòu)成一種具有多種控制功能，滿足不同運(yùn)行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統(tǒng)。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了機(jī)爐對(duì)象特性方面的特點(diǎn)，采用了前饋、補(bǔ)償、多變量解耦等控制策略，使控制系統(tǒng)具有合理、可靠、易于維護(hù)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。1 1. .2 2 單單元元機(jī)機(jī)組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的 研研究究現(xiàn)現(xiàn)狀狀傳統(tǒng)意義上的協(xié)調(diào)控制有兩種劃分方式 :一種是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)按照機(jī)跟爐或爐跟機(jī)的方式來劃分。另一種是從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分為直接能量平衡 (DEB)和間接能量平衡系統(tǒng) (IEB)兩大類。

19、協(xié)調(diào)控制的本質(zhì)就是維持機(jī)組在運(yùn)行過程中機(jī)爐之間供需能量的平衡。通常把機(jī)前壓力P:作為鍋爐輸出能量與汽機(jī)需求能量之間平衡的特征參數(shù)。通過控制間接參數(shù)來維持整個(gè)機(jī)組能量平衡的系統(tǒng)，稱為間接能量平衡系統(tǒng)。通過構(gòu)造出能量平衡信號(hào)，并以此直接控制能量輸入的系統(tǒng)，稱為直接能量平衡系統(tǒng)。從目 01前工程領(lǐng)域的應(yīng)用來看，無論是直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還是間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)都屬于近似解禍設(shè)計(jì)方法疇。這類系統(tǒng)通常具有以下局限性:(l)間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是在機(jī)爐獨(dú)立控制回路的基礎(chǔ)上3 / 103加入前饋控制。這種設(shè)計(jì)是基于靜態(tài)的近似解禍。因此無法考慮系統(tǒng)的不確定性擾動(dòng)、非線性等因素。系統(tǒng)的魯棒

20、性能較差。(2)鍋爐系統(tǒng)的大時(shí)延、大慣性等問題沒有充分的考慮。因此很難在快速的汽輪機(jī)控制回路和相對(duì)較慢的鍋爐控制回路之間達(dá)到快速的能量平衡。(3)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定一般基于特定的工作點(diǎn)線性化處理，沒有考慮動(dòng)態(tài)非線性與大圍適應(yīng)性等。(4)基于簡(jiǎn)化的建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的單元機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法考慮相關(guān)系統(tǒng)相對(duì)較弱的禍合關(guān)系的影響與機(jī)組的動(dòng)態(tài)時(shí)變性等。 021 1. .2 2. .1 1 國國外外協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制的的應(yīng)應(yīng)用用現(xiàn)現(xiàn)狀狀目前,國的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本上都是在引進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和改進(jìn)的，國廠家以和利時(shí)公司的 HS-2000 系列比較成功，但市場(chǎng)占有率還很低 ，國眾多電廠已

21、成功地應(yīng)用了國外的控制系統(tǒng) 。沙角發(fā)電廠 A 廠 3 號(hào)機(jī)組采用德國Hartmann&Braun 公司的 Symphony 分散控制系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)控制方案采用以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的 IEB 控制方案。熱電廠引進(jìn)美國 MCS 公司的 MAX1000 分散控制 03系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以能量直接平衡 (DEB)為基礎(chǔ)的爐跟機(jī)控制策略。 04神頭一電廠 6 號(hào)機(jī)組系統(tǒng)改造成 INFI-90 分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制方式為機(jī)跟爐協(xié)調(diào)，采用 IEB 的控制策略。十里泉電廠 6 號(hào)和 7 號(hào)機(jī)組采用美國西屋 05公司的 WDPF 分散控制系統(tǒng)作為硬件平臺(tái) ，協(xié)調(diào)控制方式采用直接能量平衡(DEB)的思想,以

22、爐跟機(jī)為基礎(chǔ)。二電廠 3 號(hào)機(jī)組采用了 SIEMENS 公司的 06Teleperm-Xp 分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用SIEMENS 的控制策略，該系統(tǒng)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)，并綜合采用了各種前饋控制方案功率調(diào)節(jié)和主汽壓力調(diào)節(jié)由機(jī)爐作為統(tǒng)一整體來共同完成。國電北侖電廠 1 000 MW 超超臨界機(jī)組 07工藝過程，提出了超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案，采用了一系列改進(jìn)措施來改善過程協(xié)調(diào)性與動(dòng)態(tài)品質(zhì)，如加快鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)的并行前饋控制，在鍋爐主控制器過變參數(shù)控制，對(duì)進(jìn)入給水指令的鍋爐主指令進(jìn)行分解，然后通過反饋信號(hào)來校正前饋等，獲得了滿意的效果。 08美國的 L&N 公司首先發(fā)明了 DEB 的

23、控制方案，其協(xié)調(diào)控制方式基本以DEB 為主而美國的 FOXBORO 公司的協(xié)調(diào)方案也是以 DEB 為主。對(duì)于日本的日立公司的 HAICS-1000 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)，從能量的角度來看它以功4 / 103率指令信號(hào)作為前饋，所以它也是能量間接平衡系統(tǒng)(IEB)。綜合以上協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)西歐和日本的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本采用間接能量平衡 (IEB)為主，而美國的公司基本上采用了能量直接平衡(DEB)為主。1 1. .3 3 研研究究容容與與研研究究計(jì)計(jì)劃劃本論文主要研究的容是以下幾面：（1） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方案綜述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)按反饋回路分類，可分為以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)和以爐跟機(jī)為基

24、礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。由于純粹的機(jī)跟爐和爐跟機(jī)系統(tǒng)都有較大的缺點(diǎn)，所以，在單元機(jī)組中一般都加入前饋補(bǔ)償信號(hào)作為機(jī)爐彼此協(xié)調(diào)動(dòng)作的聯(lián)系。從前饋回路的設(shè)計(jì)不同，可分為按指令信號(hào)間接平衡 (IEB)的系統(tǒng)和直接能量平衡 (DEB)的系統(tǒng)。（2） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的模型分析單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是一種存在強(qiáng)烈耦合特征的、復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。受控過程是一個(gè)多輸入、多輸出的過程，并在輸入與輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。由于直流鍋爐單元機(jī)組就是三輸入三輸出的被控對(duì)象，在進(jìn)行解耦與解耦器的設(shè)計(jì)過程中會(huì)比較復(fù)雜，因此有必要對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，傳遞函數(shù)的微分環(huán)節(jié)具有快速隨動(dòng)性，因此解耦的過程中可將其忽略，

25、從而化簡(jiǎn)的解耦的過程。（3） 對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行解耦研究由以上的分析可知，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是以鍋爐燃料量、汽輪機(jī)閥門開度、給水量為輸入，鍋爐主蒸汽壓力、機(jī)組實(shí)際發(fā)電功率、中間點(diǎn)焓值為輸出的多變量系統(tǒng)。各個(gè)主要被控參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)、相互耦合、相互影響的。控制系統(tǒng)之間存在耦合時(shí)，當(dāng)各控制參數(shù)設(shè)置不合適的時(shí)候會(huì)引起系統(tǒng)間的干涉振蕩，以至于系統(tǒng)無常運(yùn)行。所以，分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，減弱系統(tǒng)間的耦合，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要容。（4） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制器的選型與參數(shù)整定以機(jī)爐為被控對(duì)象的多變量系統(tǒng)經(jīng)解耦后，可作為單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制器結(jié)構(gòu)選型和控制器參

26、數(shù)的整定進(jìn)行了仿真研究。5 / 103（5） 用積分分離 PID控制算法對(duì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的研究在標(biāo)準(zhǔn)的 PID控制算法中，當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于短時(shí)間出現(xiàn)較大的偏差，加上系統(tǒng)本身的慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，往往引起系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。采用積分分離PID控制算法后，設(shè)置積分分離閥值,對(duì)于大于的部分不進(jìn)行積分作用，這樣就顯著降低了被0E0E調(diào)量的超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。由于本次課程設(shè)計(jì)所選用的數(shù)學(xué)模型的階次較低，在采用積分分離 PID控制算法時(shí)，只能顯著的降低超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間幾乎與標(biāo)準(zhǔn) PID控制算法的一致。6 / 103第第二二章章 機(jī)機(jī)爐爐協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)

27、概概述述2 2. .1 1 協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)概概述述 12簡(jiǎn)單地說，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要完成以下功能：(1)接受電網(wǎng)中心調(diào)度所的負(fù)荷自動(dòng)調(diào)度指令、運(yùn)行人員的負(fù)荷指令和電網(wǎng)頻率偏差信號(hào)，與時(shí)響應(yīng)負(fù)荷請(qǐng)求，使機(jī)組具有一定的電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻能力，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要。(2)協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，在負(fù)荷變化率較大時(shí)，能維持兩者之間的能量平衡，保證主蒸汽壓力穩(wěn)定。(3)協(xié)調(diào)機(jī)組部各子系統(tǒng)（燃料、送風(fēng)、爐膛壓力、給水、蒸汽溫度等控制系統(tǒng)）的平衡。在負(fù)荷變化過程中使機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)在允許的工作圍，以確保機(jī)組有較高的效率和可靠的安全性。(4)協(xié)調(diào)外部負(fù)荷請(qǐng)求與主 /輔設(shè)備實(shí)際承受能力的關(guān)系。在

28、機(jī)組主 /輔設(shè)備能力受到限制的異常情況下，可根據(jù)實(shí)際情況，限制或強(qiáng)迫改變機(jī)組負(fù)荷。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 2-1圖 2-1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般由協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)與與協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)相關(guān)的鍋爐汽機(jī)控制子系統(tǒng)組成，如圖 2-2。7 / 103圖 2-2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分為機(jī)組指令處理回路，用以協(xié)調(diào)機(jī)組能力與電網(wǎng)需求的平衡，根據(jù)AGC 指令或本機(jī)的運(yùn)行人員指令（目標(biāo)指令） ，經(jīng)運(yùn)算處理，給出在幅值大小和變化率均為機(jī)組可能接受的實(shí)際機(jī)組功率指令ULD（Unit Load Demand） 。第二部分為機(jī)爐主控系統(tǒng)或機(jī)爐主控制器，根據(jù)機(jī)組功率指令ULD、

29、機(jī)組的運(yùn)行工況、運(yùn)行方式以與機(jī)、爐不同的動(dòng)態(tài)特性，協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪機(jī)間的能量平衡，提供機(jī)組級(jí)的輸出功率與機(jī)前壓力聯(lián)合控制，從而使機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性兼優(yōu)。第三部分為協(xié)調(diào)子系統(tǒng)。協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)輸出的鍋爐指令和汽輪機(jī)指令，分別控制鍋爐、汽輪機(jī)的各子系統(tǒng) 燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、噴水 以與汽輪機(jī)閥位。對(duì)主控系統(tǒng)來說，各子控制系統(tǒng)均相當(dāng)于伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制，首先必須使鍋爐、汽輪機(jī)子系統(tǒng)運(yùn)行正常，也就是說要提8 / 103高基礎(chǔ)自動(dòng)化水平。2 2. .1 1. .1 1 協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基本本策策略略從不同的觀察角度，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的劃分不盡一樣。但最常用的有兩種：1

30、、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，主要有以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和汽機(jī)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；2、按能量平衡關(guān)系，主要有間接能量平衡系統(tǒng)（IEB）和直接能量平衡系統(tǒng)（DEB） 。一、以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在鍋爐跟隨控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的環(huán)節(jié)形成的，原理如圖 2-3 所示：圖 2-3 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)側(cè)閉環(huán)調(diào)功、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓+ULD 前饋。圖中， F(t)一般為超前 -滯后環(huán)節(jié)，它一方面使燃燒率指令隨給定功率變化而沒有遲延，B另一方面對(duì)給定功率的微分超前調(diào)節(jié)作用，有利于改善鍋爐對(duì)功率的響應(yīng)特性。環(huán)節(jié) F(x)為帶有死區(qū)的

31、非線性環(huán)節(jié)有利于提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若負(fù)荷變化速度過快或燃料擾動(dòng)過大，造成機(jī)前壓力偏差超過F(x)的不靈敏區(qū) 時(shí)，汽輪機(jī)側(cè)即由調(diào)功率轉(zhuǎn)入壓力拉回方式，確保壓力波動(dòng)在規(guī)定的死區(qū)圍之。死區(qū)的大小決定了蓄能的利用，兼顧負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性，斜率的選擇取決于壓力偏差動(dòng)態(tài)校正的速度。9 / 103二、以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在汽機(jī)跟隨控制方式的基礎(chǔ)上，允許汽壓在一定圍波動(dòng)，原理方框圖如圖 2-4 所示。圖 2-4 以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)功 +ULD 前饋、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)功 +ULD 前饋。為了克服單純汽輪機(jī)跟隨控制方式時(shí)負(fù)荷響應(yīng)慢與功率波動(dòng)大的缺

32、點(diǎn)，在汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)加入了功率偏差信號(hào)，分析入下：（1）外擾時(shí)的蓄能應(yīng)用功率指令同時(shí)送機(jī)、爐兩側(cè)，合理利用鍋爐蓄能，提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)。汽輪機(jī)側(cè)PI 調(diào)節(jié)器輸入為，可TPNULDKP)(s理解為負(fù)荷變化（增加）時(shí)，動(dòng)態(tài)改變（降低）了壓力定值，以放出蓄能。功差項(xiàng)就是加負(fù)荷時(shí)壓力定值的動(dòng)態(tài)降低量。若負(fù)荷變化超過規(guī)定，)(NULDK對(duì)信號(hào)設(shè)置有 F(x)予以限制，以免機(jī)前壓力偏差超過允許圍。)(NULDKF(x)模塊的斜率 K，就是一個(gè)外擾動(dòng)態(tài)過程鍋爐蓄能利用程度參數(shù)。（2）擾時(shí)擾動(dòng)單向補(bǔ)償設(shè)計(jì)交叉環(huán)節(jié)F(x)，使之滿足 則)(W)(WK(s)NBPBss理論上基本消除了爐對(duì)機(jī)的影響，實(shí)際中一般取這

33、樣，燃料擾動(dòng)（增NBPBKKK 加）時(shí)，功率信號(hào)（增加）抑制了汽輪機(jī)控制回路由于機(jī)前壓力（增加）要開大閥門的動(dòng)作，減少了功率的波動(dòng)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。實(shí)際系統(tǒng)中，考慮到機(jī)組各種運(yùn)行工況與輔機(jī)情況，一般設(shè)計(jì)有多種運(yùn)行方式，并具有無擾切換功10 / 103能。三、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式最早是在20 世紀(jì) 50 年代提出的，但其是在 60 年代末，隨著電動(dòng)液壓控制的發(fā)展而得到應(yīng)用。不管是爐跟隨還是機(jī)跟隨控制方式，都是采取機(jī)爐分工、先后動(dòng)作的配合方式，而對(duì)于變動(dòng)負(fù)荷的機(jī)組負(fù)荷控制，必須遵循負(fù)荷協(xié)調(diào)控制原則的協(xié)調(diào)控制方式。當(dāng)外界負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，負(fù)荷指令同時(shí)送到機(jī)、爐主控制器，對(duì)汽輪機(jī)和鍋爐發(fā)出

34、負(fù)荷控制指令，改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量和鍋爐的燃燒率，利用鍋爐的蓄能快速響應(yīng)負(fù)荷需求，同時(shí)通過改變?nèi)紵蕪亩淖冞M(jìn)入鍋爐的能量，保持機(jī)組輸入能量與輸出能量的平衡。同樣，當(dāng)主蒸汽壓力產(chǎn)生偏差時(shí)，機(jī)、爐主控制器同時(shí)接受指令信號(hào)對(duì)汽輪機(jī)和鍋爐進(jìn)行操作，一方面改變鍋爐的燃燒率，補(bǔ)償蓄能的變化，另一方面適當(dāng)改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽門的開度，控制蒸汽流量，維持主汽壓力的穩(wěn)定。其原理圖如圖2-5 所示。圖 2-5 單元機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式2 2. .2 2 協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型分分析析2 2. .2 2. .1 1 超超臨臨界界機(jī)機(jī)組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的特特點(diǎn)點(diǎn)由于不存在汽包的緩沖，超臨

35、界直流鍋爐的熱水段、蒸發(fā)段和過熱段之間沒有固定界限，水汽轉(zhuǎn)換一次性完成，所以具有很多與亞臨界汽包鍋爐不一樣的對(duì)象特性，而這些特性與機(jī)組的運(yùn)行方式與控制策略密切相關(guān)。在分析和研究超臨界機(jī)組的控制策略之前，我們首先需要分析和研究超臨界機(jī)組的對(duì)象特性。11 / 103一、超臨界機(jī)組的特點(diǎn) 6超臨界參數(shù)鍋爐與亞臨界汽包鍋爐在自動(dòng)控制方面有所不同,其原因是直流鍋爐與汽包鍋爐之間的差別。超臨界參數(shù)鍋爐是指過熱器出口主蒸汽壓力超過 22.129 MPa,理論上認(rèn)為 ,在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí) ,水的汽化會(huì)在一瞬間完成,即在臨界點(diǎn)時(shí)飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在,也就是說二者的各項(xiàng)參數(shù)不再

36、有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等,在超臨界壓力下無法維持自然循環(huán) ,因此超臨界鍋爐必須是直流鍋爐。隨著鍋爐朝著大容量參數(shù)的方向發(fā)展 ,超臨界機(jī)組日益顯示其諸多優(yōu)點(diǎn) ,不僅煤耗大大降低 ,排污量也相應(yīng)減少 ,經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。超臨界機(jī)組與亞臨界汽包鍋爐結(jié)構(gòu)和工藝過程有著顯著不同 ,其控制具有如下一些特點(diǎn)：（1）機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)首先要建立啟動(dòng)壓力和啟動(dòng)流量,保證給水能連續(xù)通過省煤器和水冷壁 ,尤其要保證水冷壁能足夠冷卻和水動(dòng)力的穩(wěn)定性。同時(shí),系統(tǒng)回收鍋爐啟動(dòng)初期排出的熱水、汽水混合物、飽和蒸汽以與過熱度不足的過熱蒸汽,以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)和熱量的回收。（2）超臨界直流爐沒有汽包環(huán)節(jié) ,給水經(jīng)加熱、蒸發(fā)和變成

37、過熱蒸汽是一次性連續(xù)完成的 ,隨著運(yùn)行工況不同 ,鍋爐將運(yùn)行在亞臨界或超臨界壓力下 ,蒸發(fā)點(diǎn)會(huì)自發(fā)地在一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)段移動(dòng) ,汽水之間沒有一個(gè)明確的分界點(diǎn)。這要求控制系統(tǒng)更為嚴(yán)格保持各種比值的關(guān)系(如給水量 /蒸汽量、燃料量 /給水量與噴水量 /給水量等 )。（3）由于沒有儲(chǔ)能作用的汽包環(huán)節(jié) ,鍋爐的蓄能顯著減小 ,負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈敏性好,可實(shí)現(xiàn)快速啟停和調(diào)節(jié)負(fù)荷 ,但汽壓對(duì)負(fù)荷變動(dòng)反映靈敏 ,變負(fù)荷性能差,汽壓維持比較困難。（4）直流爐由于汽水是一次完成的 ,因而不象汽包爐那樣。汽包在運(yùn)行中除作為汽水分離器外 ,還作為燃水比失調(diào)的緩沖器。當(dāng)燃水比失去平衡時(shí),利用汽包中的存水和空間容積暫時(shí)維持鍋

38、爐的工質(zhì)平衡關(guān)系,以保持各段受熱面積不變。這使得直流爐汽機(jī)與鍋爐之間具有強(qiáng)烈的耦合特性,整個(gè)受控對(duì)象是一多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)。（5）強(qiáng)烈的非線性是超臨界機(jī)組又一主要特征。超臨界機(jī)組采用超臨界參數(shù)的蒸汽，其機(jī)組的運(yùn)行方式采用滑參數(shù)運(yùn)行，機(jī)組在大圍的變負(fù)荷運(yùn)行中，運(yùn)行壓力 10-25 MPa 之間。超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行在超臨界和亞臨界兩種工況下，12 / 103在亞臨界運(yùn)行工況給水具有加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分，在超臨界運(yùn)行工況汽水的密度一樣，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此超臨界運(yùn)行方式和亞臨界運(yùn)行方式機(jī)組具有完全不同的控制特性，超臨界機(jī)組是一種特性復(fù)雜多變的被控對(duì)象，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，機(jī)組的動(dòng)

39、態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化。如燃水比調(diào)節(jié)的溫度對(duì)象，在負(fù)荷變化50100圍，增益變化達(dá) 56 倍，時(shí)間常數(shù)的變化也有 3 倍左右。由于超臨界直流爐的強(qiáng)非線性，常規(guī)的控制策略難以達(dá)到良好的控制效果。因此需要大量采用變參數(shù)PID，變結(jié)構(gòu)控制策略，以保證在各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上控制系統(tǒng)具有良好的效果。發(fā)展超臨界機(jī)組已成為我國電力行業(yè)的主要方向之一。大容量超臨界機(jī)組具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn) ,是我國未來大型火電機(jī)組的發(fā)展方向。二、超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性：超臨界直流鍋爐對(duì)象特性的變化體現(xiàn)在汽水系統(tǒng)中，而制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)門、汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)同汽包鍋爐是一致的。當(dāng)風(fēng)煙系統(tǒng)特性忽略后，仍然可以將超臨

40、界直流爐劃分為制粉環(huán)節(jié)和鍋爐核心環(huán)節(jié)，只不過鍋爐核心環(huán)節(jié)是三入三出的。各種擾動(dòng)下輸出的響應(yīng)曲線如圖2-6 所示。1汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加擾動(dòng)在汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加擾動(dòng)下，各個(gè)輸出變量變化為：機(jī)前壓力降低導(dǎo)致鍋爐蓄熱釋放，機(jī)組負(fù)荷增加，由于燃料量和給水流量沒有變化，鍋爐釋放出蓄熱后，經(jīng)過一段時(shí)間后機(jī)組負(fù)荷恢復(fù)到原來的水平；機(jī)前壓力隨著鍋爐蓄熱的釋放逐漸降低最后穩(wěn)定；中間點(diǎn)溫度在蒸汽流量增加后略微降低，由于燃料量和給水流量沒有變化，隨著蒸汽流量恢復(fù)回升到原來的水平。2燃料量階躍增加擾動(dòng)在燃料量階躍增加擾動(dòng)下，各個(gè)輸出變量變化為：鍋爐各個(gè)受熱面吸熱增加，導(dǎo)致附加蒸發(fā)量增加，機(jī)組負(fù)荷上升，由于給水流

41、量沒有增加，在附加蒸發(fā)量蒸發(fā)完畢后，蒸汽流量開始降低，過熱汽溫上升，減溫水系統(tǒng)增加噴入減溫水流量以維持過熱汽溫，實(shí)際蒸汽量增加，機(jī)組負(fù)荷增加到與燃料量相對(duì)應(yīng)的水平；由于蒸汽量增加而汽輪機(jī)調(diào)門開度不變，機(jī)前壓力上升至一定水平；由于燃水比增加，蒸發(fā)段提前，中間點(diǎn)溫度上升至一定水平。3給水流量階躍增加擾動(dòng)13 / 103在給水流量階躍增加擾動(dòng)下，各個(gè)輸出變量變化為：給水流量增加導(dǎo)致附加蒸發(fā)量增加，機(jī)組負(fù)荷先上升，由于過熱段吸熱減少導(dǎo)致過熱蒸汽溫度下降，減溫水系統(tǒng)減少噴入減溫水流量以維持過熱汽溫，最終使負(fù)荷恢復(fù)到原來水平；同樣由于附加蒸發(fā)量增加，使機(jī)前壓力先增加，由于減溫水流量減少，最終恢復(fù)到原來水平

42、；由于燃水比減小，蒸發(fā)段延后，中間點(diǎn)溫度下降至一定水平。(a)汽輪機(jī)調(diào)門開度擾動(dòng)； (b)然料量擾動(dòng)； (c)給水流量擾動(dòng)圖 2-6 超臨界直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性曲線三、超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制特點(diǎn)1機(jī)、爐控制耦合汽輪機(jī)和鍋爐之間的非線性耦合是超臨界機(jī)組難點(diǎn)之一，常規(guī)的控制系統(tǒng)難以達(dá)到好的控制效果。由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性循環(huán)特性，沒有汽包等參數(shù)集中的儲(chǔ)能元件，在直流運(yùn)行狀態(tài)汽水之間沒有一個(gè)明確的分界點(diǎn)，給水從省煤器進(jìn)口就被連續(xù)加熱、蒸發(fā)與過熱，根據(jù)水、濕蒸汽與過熱蒸汽物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分，在流程中每一段的長(zhǎng)度都受到燃料、給水、汽機(jī)調(diào)門開度的擾動(dòng)而變化，從而導(dǎo)致

43、了功率、壓力、溫度的變化。另外，由于沒有汽包的緩沖，超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比汽包式鍋爐大。主汽閥開度一方面控制汽輪機(jī)功率，一方面改變了鍋爐的被控特性，這和汽包鍋爐的情況不同。例如當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，14 / 103汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)器會(huì)增大汽機(jī)主蒸汽閥開度，增大汽輪機(jī)進(jìn)汽量，由于鍋爐的響應(yīng)速度較慢，無法與時(shí)產(chǎn)生足夠蒸汽，從而使機(jī)前壓力降低，阻礙了汽輪機(jī)進(jìn)汽量進(jìn)一步增大。為了獲得更多進(jìn)汽量以滿足負(fù)荷需求，汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)器會(huì)進(jìn)一步開大調(diào)節(jié)汽門，導(dǎo)致機(jī)前壓力進(jìn)一步降低，最終形成惡性循環(huán)。對(duì)于汽包鍋爐，由于汽包的蓄熱較大，可利用汽包的蓄熱滿足汽輪機(jī)超調(diào)的需求，使主汽壓力不致產(chǎn)生過大波動(dòng)。對(duì)采

44、用直流鍋爐的超臨界機(jī)組而言，由于鍋爐的蓄熱相對(duì)較小，難以按足汽輪機(jī)的需求，從而使主汽壓力大幅度變化，降低了控制質(zhì)量。a.汽機(jī)擾動(dòng)對(duì)鍋爐的耦合特性直流鍋爐汽水一次性循環(huán)特性，使超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比鍋筒式鍋爐大。當(dāng)汽機(jī)主汽閥開度發(fā)生變化，影響了機(jī)組的功率,同時(shí)也直接影響了鍋爐出口末端阻力特性 ,改變了鍋爐的被控特性 ,由于沒有汽包的緩沖，汽機(jī)側(cè)對(duì)直流鍋爐的影響遠(yuǎn)大于對(duì)汽包鍋爐的影響。其特性不但影響了鍋爐的出口壓力，而且由于壓力的變化引起了給水流量的變化，延長(zhǎng)了鍋爐側(cè)汽水流程的加熱段，導(dǎo)致了溫度的變化。b.鍋爐燃料擾動(dòng)對(duì)壓力、溫度、功率的影響燃料發(fā)生變化時(shí)，由于加熱段和蒸發(fā)段縮短，

45、鍋爐儲(chǔ)水量減少，在燃燒率擾動(dòng)后經(jīng)過一個(gè)較短的延遲蒸汽量會(huì)向增加的方向變化，當(dāng)燃燒率增加時(shí)，一開始由于加熱段蒸發(fā)段的縮短而使蒸發(fā)量增加，也使壓力、功率、溫度增加。c.給水?dāng)_動(dòng)對(duì)壓力、溫度、功率的影響當(dāng)給水流量擾動(dòng)時(shí)，由于加熱段、蒸發(fā)段延長(zhǎng)而推出一部分蒸汽，因此開始?jí)毫凸β适窃黾拥?，但由于過熱段縮短使汽溫下降，最后雖然蒸汽流量增加但壓力和功率還是下降，汽溫經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后單調(diào)下降，最后穩(wěn)定在一個(gè)較低的溫度上。d.被控參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)在直流鍋爐中，壓力控制是最重要的被控對(duì)象，因?yàn)閴毫Φ淖兓粌H影響機(jī)組負(fù)荷的變化，還會(huì)影響給水流量的變化，從而導(dǎo)致對(duì)溫度的影響。從上面的分析可以看出，直流鍋爐的一

46、次循環(huán)特性，使機(jī)組的主要控制參數(shù)功率、壓力、溫度均受到了汽機(jī)調(diào)門開度、燃料量、給水量的影響。從而也說明直流鍋爐是一個(gè)三輸入 /三輸出相互耦合關(guān)聯(lián)極強(qiáng)的被控特性。15 / 1032非線性特性強(qiáng)超臨界機(jī)組采用超臨界參數(shù)的蒸汽 ,其機(jī)組的運(yùn)行方式采用滑參數(shù)運(yùn)行，機(jī)組在大圍的變負(fù)荷運(yùn)行中，壓力運(yùn)行在10MPa25MPa.之間。超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行在超臨界和亞臨界兩種工況下。在亞臨界運(yùn)行工況下，給水具有加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分；而在超臨界運(yùn)行工況下，由于汽水的密度一樣，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽。由于超臨界和亞臨界區(qū)工質(zhì)物性的巨大差異，以與不同燃燒率下鍋爐蒸發(fā)段（或相變點(diǎn)）位置的遷移等因素的影響，機(jī)組的動(dòng)態(tài)

47、特性參數(shù)也大幅度變化，使超臨界機(jī)組呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性特性和變參數(shù)特性。因此在超臨界運(yùn)行方式和亞臨界運(yùn)行方式機(jī)組具有完全不同的控制特性，是復(fù)雜多變的被控對(duì)象，遠(yuǎn)比常規(guī)的亞臨界機(jī)組難于控制。3燃水比難于控制超臨界機(jī)組控制的重點(diǎn)在于鍋爐的燃水比調(diào)節(jié)。由于燃水比變化時(shí)出口汽溫的響應(yīng)遲延很大，因此不能用出口汽溫來作為燃水比調(diào)節(jié)的反饋量。與汽包鍋爐機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，超臨界機(jī)組給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)類型繁多，但現(xiàn)有控制方案仍各有不足，不能滿足變壓運(yùn)行與大圍負(fù)荷變化的要求。2 2. .2 2. .2 2 超超臨臨界界機(jī)機(jī)組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型超臨界單元機(jī)組可以看成一個(gè)三輸入三輸出的多變量調(diào)節(jié)對(duì)象

48、, 如圖 2-7 所示?？紤]鍋爐主要調(diào)節(jié)量 (汽機(jī)調(diào)門開度 T、給煤量 B、給水量 W ) 對(duì)功率 N、主汽壓 P、主汽溫 T、中間點(diǎn)焓值 H 的影響。圖 2-7 超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)的輸入、輸出由于汽機(jī)閥門開度對(duì)中間點(diǎn)焓值影響很小可以近似忽略。給水量對(duì)汽輪機(jī)功率影響不大也可忽略不計(jì)。則其動(dòng)態(tài)模型可以簡(jiǎn)化如圖2-8 所示。16 / 103圖 2-8 某廠 1000MW 燃煤機(jī)組在 100%負(fù)荷上的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一、超臨界機(jī)組數(shù)學(xué)模型的建立模型的選取與編碼 04在 100 %負(fù)荷下的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度、給水量 W、給煤量 B 作為辨識(shí)T輸入數(shù)據(jù) , 主汽壓力 P、汽輪機(jī)實(shí)際輸出功率 N、由汽水分離器出

49、口壓力 (中間點(diǎn)壓力 ) 和汽水分離器出口溫度 (中間點(diǎn)溫度 ) 經(jīng)華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程系開發(fā)的水和水蒸汽 I APWS- 97 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算程序計(jì)算得到的中間點(diǎn)焓值H 分別作為辨識(shí)輸出數(shù)據(jù)。 （7）WBGGGGGGGHPNT3332232221121100根據(jù)熱工過程階躍響應(yīng)曲線和超臨界機(jī)組動(dòng)態(tài)特性、(s)G11、(s)G12、(s)G21為：、(s)G22、(s)G23、(s)G32(s)G33 (8)1)(1(K(s)21111sTsTsG (9)1)(1)(1(K(s)543212sTsTsTG17 / 103 (10)1)(1(K-(s)76321sTsTG (11)1)(1(K(

50、s)98422sTsTG (12)1)(1)(1(sK(s)121110523sTsTsTG (13)1)(1)(1(K(s)151413632sTsTsTG (14)1)(1)(1(K-(s)181716733sTsTsTG本文辨識(shí)所用到的數(shù)據(jù)均來自某 1 000MW 超臨界機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際現(xiàn)G(s)場(chǎng)熱工數(shù)據(jù)。為了滿足可辨識(shí)性 , 辨識(shí)數(shù)據(jù)是從長(zhǎng)期記錄的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)中選取汽機(jī)輸出功率在 100 %工況附近小圍變化的一段。數(shù)據(jù)的采樣周 期為 3 s , 共 600 組。本文使用的量綱為 : 功率 N: MW; 主汽壓力 P: MPa ; 中間點(diǎn)焓值 H: kJ/kg ; 給煤量 B: t /h ;

51、 給水量 W:t /h。對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后通過編程對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行多變量系統(tǒng)的整體辨識(shí)。數(shù)據(jù)的去噪采用軟閾值處理方法。例如給煤量數(shù)據(jù)去噪MATLAB 實(shí)現(xiàn)語句為 :M=3;X=wden(B,rigrsure,s,mln,M, sym4);采用上述自適應(yīng)遺傳系統(tǒng)辨識(shí)方法進(jìn)行辨識(shí)，辨識(shí)結(jié)果為：BestS=157.6942, 3.1904, 42.2122, 0.3027, 10.5315, 1.9382, 4.9925, 8.8999, 45,8783, 94.4774, 22.7701, 128.0847, 105.3025, 87.7958, 8.2869, 101.5385, 75.03

52、11, 41.2927, 105.7540, 145.7527, 30.4466, 75.3121, 10.8201, 16.5258, 2.2897即 100%負(fù)荷下的傳遞函數(shù)為： （15）1)s1)(54.87838999.8(157.6942s)s (G11s （16）)10847.128)(17701.22)(14774.94(1904. 3)(12ssssG （17）)17958.87)(13025.105(2122.42)(21ssG18 / 103 （18）)15385.101)(12968.8(3027.0)s (22ssG （19）)17540.105)(12927.41)(

53、10311.75(5315.10)(23sssssG （20）)13121.75)(14466.30)(17527.145(9382.132sssG （21）)12987.2)(15258.16)(18201.10(9925.433sssG分別對(duì)汽機(jī)調(diào)門開度階躍變化 +1，給煤量階躍變化 +1t/h,則在 100%工況下功率、主汽壓力、中間點(diǎn)焓值輸出響應(yīng)分別如圖2-9、2-10 所示。1、汽機(jī)調(diào)門開度階躍變化 +1%響應(yīng)曲線，如圖 2-9 所示：T19 / 103(a)功率響應(yīng)曲線(a)壓力響應(yīng)曲線圖 2-9 汽機(jī)調(diào)門開度階躍變化 +1%響應(yīng)曲線2、給煤量 B 階躍變化 +1t/h 響應(yīng)曲線，

54、如圖 2-10 所示(a)功率響應(yīng)曲線20 / 103(b)壓力響應(yīng)曲線(c)中間點(diǎn)焓值響應(yīng)曲線圖 2-10 給煤量階躍變化 +1t/h 響應(yīng)曲線通過圖 2-10 與圖 2-6 的比較發(fā)現(xiàn)，此處選擇的數(shù)學(xué)模型的階躍響應(yīng)曲線與超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性基本有一致，是符合超臨界協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。21 / 103第第三三章章 多多變變量量耦耦合合系系統(tǒng)統(tǒng)概概述述3 3. .1 1 概概述述超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，從理論上說，完全可以按多變量控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但由于受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的精度不高、控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)方法不便于工程技術(shù)人員掌握等條件限制，目前直接按照多變量控制

55、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)理論進(jìn)行單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合，還處于初級(jí)階段。但隨著多變量控制技術(shù)的發(fā)展與完善與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，這一問題將逐步得到解決。當(dāng)回路間存在嚴(yán)重耦合時(shí)，即使采用最好的回路匹配也得不到滿意得控制效果。一種簡(jiǎn)單、有效解決方法是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦。解耦的本質(zhì)在于設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵消過程中的關(guān)聯(lián)，以保證各個(gè)單回路控制系統(tǒng)能獨(dú)立工作。下面我們以某廠 1000MW 超臨界機(jī)組在 100%負(fù)荷下協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的三輸入（汽輪機(jī)調(diào)門開度 T、給煤量 B、給水量 W）三輸出 (功率 N、主汽壓 P、主汽溫 T、中間點(diǎn)焓值 H)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解耦控制。WBGGGGGGGHPNT33322

56、322211211001211BGGTN232221BGWGGPT3332WG BGH1)s1)(54.87838999.8(157.6942s)s(G11s) 10847.128)(17701.22)(14774.94(1904. 3)(12ssssG)17958.87)(13025.105(2122.42)(21ssG)15385.101)(12968.8(3027.0)s (22ssG)17540.105)(12927.41)(10311.75(5315.10)(23sssssG22 / 103)13121.75)(14466.30)(17527.145(9382.132sssG)129

57、87.2)(15258.16)(18201.10(9925.433sssG一、三輸入三輸出的相對(duì)增益 相對(duì)增益：是一個(gè)尺度，用來衡量一個(gè)預(yù)先選定的調(diào)節(jié)量j對(duì)一個(gè)特定的被調(diào)量 yi的影響。對(duì)于一個(gè)三輸入三輸出的多變量系統(tǒng)，假設(shè)y 是包含系統(tǒng)所有被調(diào)量yi(y1=N ; y2=P; y3=H)的列向量， 是包含所有調(diào)節(jié)量 j(1 =T ;2=B; 3 =W )的列向量。為了衡量系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性質(zhì)首先在所有其他回路均為開環(huán)，即所有其他調(diào)節(jié)量都保持不變的情況下，得到開環(huán)增益矩陣P，這里記作：Py其中，矩陣 P 的元素 pij的靜態(tài)值稱為 j到 yi通道的第一放大倍數(shù)。它是指調(diào)節(jié)量 j改變了一個(gè)時(shí)，其他調(diào)節(jié)

58、量（r）均不變的情況下， jrj與 yi之間通道的開環(huán)增益。顯然它就是除j到 yi通道以外，其他通道全部斷開時(shí)所得到的 j到 yi通道的靜態(tài)增益，可表為：rjiijyp然后，在所有其他回路均閉合，即保持其他被調(diào)量都不變的情況下，找出各通道的開環(huán)增益，記作矩陣 Q。它的元素 qij的靜態(tài)值稱為 j到 yi通道的第二放大倍數(shù)。它是指利用閉合回路固定其他被調(diào)量時(shí)j到 yi的開環(huán)增益。 qij可以表為：ryjiyijq有了矩陣 P 和 Q，取它們相應(yīng)元素的比值構(gòu)成新的矩陣 。元素可以寫作：ijrryjijiijijijyyqp上式即為 j到 yi這個(gè)通道的相對(duì)增益，矩陣 則稱為相對(duì)增益矩陣。23 /

59、103所以該控制系統(tǒng)的第一放大倍數(shù)分別為： 11BWT1111Np32Gy12W2112T31NpGBy0NpB3113T21Wy21BW1221Pp32GyT22W2222T31PpGBy23B3223T21NpGWy0HpBW133131Ty32W2332T31HpGBy33B3333T21HpGWy第二放大倍數(shù)分別為：PHT1111Nq32yyy由于 （1）1211BGGTN （2）232221BGWGGPT （3）3332WG BGH將 N 分別用 P、H、表示：T由（3）式得： (4)3332GBG-HW將（4）帶入（ 2）式得：24 / 103)B(BG33322322332321

60、2333322221GGGGGHGGGGBGHGPTT故 32233322233321T3333322322332321TGG-GGHG-GG-PGGGG-GGHG-G-PB所以 12322333222333213311TGNGGGGGHGGGPGT所以 3223332233211211PHT1111GNq32GGGGGGGyyy同理可得：332132231133221112PH2112GNq32GGGGGGGGByyy331232231133221121NHT1221GGGGGPq31GGGGyyy331132231133211222NH2222GGGGGGGG-GPq31Byyy3211332112332