热能与动力工程专业毕业论文：并列运行机组动态建模与控制算法仿真（可编辑）

热能与动力工程专业毕业论文并列运行机组动态建模与控制算法仿真东南大学毕业设计论文报告设计论文题目并列运行机组动态建模与控制算法仿真能源与环境学院院系热能与动力工程专业学号03008427学生姓名指导教师起止日期201233201262设计地点摘要本文使用MATLAB里的SIMULINK工具箱建立并列运行机组母管压力模型,引入锅炉燃烧率和汽机开度扰动,分析母管压力和锅炉蒸发量的响应曲线,并研究其动态调控特性。第一章是概要介绍并列运行锅炉母管制机组建模的背景和意义,第二章使用SIMULINK建模,主要以三炉两机和两炉两机为尝试建模对象,初步进行MATLAB动态建模的仿真研究。第三章概要介绍常规PID控制,并将其和其他控制方法进行比较。第四章介绍了模型预测控制,并将其运用在并列运行母管制机组上。目前大部分热电厂仍广泛采用比较传统的集中式母管压力控制系统,存在热惯性大、干扰强等其他问题。本文正是基于这样一个事实来进行研究的,以期能够寻找到更有利的控制手段,达到节约能源,最大化电厂效益的目的。关键词并列运行机组动态模型母管压力常规PIDMPC预测控制仿真ABSTRACTWITHUSINGTHEMATLABSIMULINKTOOLBOXPARALLEL,THISARTICLERUNBOILERMOTHERPRESSUREMODLEWECANANALYSISTHERESPONSECURVEOFTHEBOILEREVAPORATION,ANDSTUDYITSDYNAMICCONTROLCHARACTERISTICSTHEFIRSTCHAPTERISANOVERVIEWOFTHEBACKGROUNDANDSIGNIFICANCEOFPARALLELOPERATIONCONTROLUNITMODELINGOFBOILERS,SECONDCHAPTEROFTHESIMULINKMODELING,THREEFURNACESANDTWOMACHINESANDTWOFURNACESANDTWOMACHINETOTRYMODELINGOBJECTS,THEINITIALMATLABDYNAMICMODELINGSIMULATIONTHETHIRDCHAPTERANOVERVIEWOFTHECONVENTIONALPIDCONTROL,ANDOTHERCONTROLMETHODSCOMPARETHEFOURTHCHAPTERDESCRIBESTHEMODELPREDICTIVECONTROL,ANDTHEUSEOFPARALLELOPERATIONONTHEMASTERCONTROLUNITMAJORITYOFTHERMALPOWERPLANTSARESTILLWIDELYUSEDINTHEMORETRADITIONALCENTRALIZEDMAINPIPEPRESSURECONTROLSYSTEM,THEREARELARGETHERMALINERTIA,STRONG,INTERFERENCEANDOTHERPROBLEMSTHEARTICLEISBASEDONTHEFACTTHATRESEARCHINORDERTOBEABLETOFINDAMOREFAVORABLEMEANSOFCONTROL,TOACHIEVETHEPURPOSEOFENERGYCONSERVATION,ANDTOIMIZEPOWERPLANTEFFICIENCYKEYWORDSPARALLELCOURSINGUNIT,DYNAMICMODEL,MAINPIPELINEPRESSURE,CONVENTIONALPID,MPCMODELPREDICTIVECONTROL,SIMULATION目录摘要IABSTRACTII第一章绪论211选题背景及意义2111概述2112现有并列运行机组母管压力控制方法及其存在的问题212论文结构及内容6第二章并列运行机组建模621引言622并列运行机组的生产流程及环节划分723两炉两机模型的建立及仿真1224两炉两机模型参数的确定1525三炉两机母管系统分布式动态调控模型的建立及仿真1626六炉四机母管系统分布式动态调控模型的建立及仿真22第三章常规控制简介2631PID控制原理简介2632并列运行锅炉主蒸汽母管压力控制系统27321控制方案设计27322负荷扰动时汽压被控对象动态特性的特点29323控制方案与控制策略29第四章预测控制设计3141预测控制MPC原理简介3142模型预测控制的方法3243预测控制的基本原理3244三炉两机的预测控制模型的建立与效果分析3345六炉四机的预测控制模型的建立与效果分析之一3646六炉四机的预测控制模型的建立与效果分析之二4047小结42结束语43谢辞44参考文献45第一章绪论11选题背景及意义111概述电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业,是国民经济的第一基础产业,是关系国计民生的基础产业,是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业,电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到了重要作用。与社会经济和社会发展有着十分密切的关系,它不仅是关系国家经济安全的战略大问题,而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着中国经济的发展,对电的需求量不断扩大,电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生产的发展。社会对能源的需求不断增加,大容量机组的数量也在不断增加,机组结构日趋复杂化,对控制的要求也越来越高。不仅要求操作人员有很好的专业水平和现场应变能力,而且对系统的动态控制模型的要求也越来越高。从国内外经验可知,良好的控制能提高机组的效率,整个电厂的经济效益将相当显著目前国内火电厂中,除了新装的中间再热大型单元机组外,还有大约2000家的中小型电厂,它们大多采用母管制运行方式。母管制电厂的生产任务是向热、电用户输送质量合格的热、电能,而输送量的大小受控于热用户和电用户。在母管制电厂中,若干台锅炉和汽轮机发电机组并列运行,它们都与同一根蒸汽母管相连以满足供热和发电的要求。并列运行机组通过一根蒸汽母管连接,其形式便于集中供热、供汽。母管压力是反应统供需平衡的重要参数,一般需调节在恒定值。受分布式多炉多机的影响,母管压力在系统运行中容易波动,使其调节比较困难。为了减少并列运行机组的人工投入和改善控制的自动化水平,提高运行效率,减少耗煤量,切实保证电厂的安全生产,一方面有必要采用新的智能化仪表代替常规仪表,实现对整个电厂的有效监测和控制,另一方面,有必要开发新型的并列运行锅炉的自动控制系统。如果能够对电厂的控制加以仿真运行并与常规控制进行比较,从而改善常规控制或推行新型控制,则可使全厂的总耗煤量减少,机组的经济性提高,达到节能减排的效果。同时也能切实提高电厂效益,实现更多的利润,改善现时的电煤紧张和电价上涨的压力。112现有并列运行机组母管压力控制方法及其存在的问题并列运行机组母管压力控制,主要是通过控制锅炉燃烧过程来实现的。对于并列运行锅炉而言,燃烧过程的调节目的是1维持蒸汽母管压力为一定值或在一定范围内2维持送风量和燃料量成一定比例,保证燃烧过程的经济性3维持引风量和送风量相适应,维持锅炉炉膛压力稳定4保持各并列运行锅炉的负荷按比例分配。在实际生产过程中,为了达到以上目的,除了凭经验手动控制以外,已经提出了多种并列运行机组母管压力控制方案,常见的有“燃料空气”系统、采用“热量氧量”信号的系统和基于直接能量平衡的系统。1、“燃料空气”燃烧控制系统该系统是以控制燃料量和空气量的比例来保证燃烧的经济性。其中燃料控制子系统如图11所示,所有调节器均采用比例积分调节器。图11“燃料空气”母管压力控制系统主调节器根据母管压力气与给定值之间的偏差对各台并列运行锅炉按比例发出增、减负荷的信号图中的、表示对1、2号炉的负荷要求信号,各并列运行锅炉接受主调节器来的负荷要求信号。如果某台锅炉设定为固定负荷,则由运行人员将开关切换至给定负荷信号。燃料调节器接受负荷要求信号和燃料量反馈信号M,其任务是使燃料量与“负荷要求”相适应。此外,送风调节器与引风调节器也要协调动作,按负荷要求同时改变送风量与引风量,保持炉膛负压。在该系统中,锅炉的燃烧率是以燃料量来代替的。因此,燃料量的准确测量是保证该系统控制品质的一个首要前提。然而,实际过程中燃料品质如水分、灰分、发热量并不是保持不变的,这会影响到测量的准确性,因而该系统需要进行改进。2、采用“热量氧量”信号的燃烧控制系统“热量氧量”燃烧控制系统中的燃料控制子系统如图12所示。这个系统克服了煤粉量测量的困难,在母管制并列运行锅炉的燃烧控制中得到了广泛应用。图12采用“热量氧量”信号的母管压力控制系统该系统与“燃料空气”控制系统的不同主要在于一个是它用热量信号来代替燃料量信号M,它可以较好的代表燃料量,且测量起来方便而准确。另一个是它在送风子系统中引入了氧量校正信号,它能保证锅炉在不同负荷时,校正送风量,使燃料量和送风量保持最佳比值。3、基于直接能量平衡的母管压力控制系统蒸汽母管的流入量是锅炉产生的蒸汽量D,流出量是进入汽机的蒸汽量,而母管压力反映了流入流出蒸汽流量物质平衡关系,也即能量平衡关系。对于母管制机组而言,将各并列运行锅炉作为蒸汽供给的一个整体设有N台锅炉并列运行,其理想热量信号为11其中,为所有锅炉产生的总蒸汽量,为第I台炉的蓄热系数,为第I台炉的汽包压力。能量直接平衡的含义是汽机向锅炉需求的能量应该等于锅炉所能提供的能量。汽机的能量需求信号可以用表示,其中为主汽压力给定值,为母管压力。这样,在调节器入口处可以形成能量比较,其控制结构如图13所示。图13基于能量直接平衡的母管压力控制系统当机组能量平衡时,锅炉产生的能量与汽机所需能量平衡,即12当控制系统处于稳态时,则式12改写为13这说明系统能量达到平衡时。母管压力等于给定值压力。由此可知,控制母管能量平衡,实际上也控制了母管压力。当时,即当母管压力不等于给定值时,调节器入口形成偏差,调节器开始动作,当系统稳定时,一定可以确保能量平衡。本文经过总结认为,各种常规的母管压力控制系统的共同特点为并列运行的各台锅炉具有同一个母管压力调节器,作用是维持母管压力稳定,同时向各并列运行锅炉的燃料调节器下达给定值,保证各台锅炉的负荷按比例分配。然而,由于蒸汽母管具有较强的蓄热能力,使得母管蒸汽压力对象具有大延迟特性。同时在母管制电厂中,机组耗量、检修计划、调峰备用等许多因素都会影响到汽机侧和锅炉侧设备组合方式的变化,这使得并列运行锅炉之间关联性强,影响因素较多。因此,常规的控制系统存在着一些缺点。首先,多台锅炉共用同一个母管压力调节器,故各台锅炉的燃烧控制系统之间相互影响,且它采用比例积分调节器,使得系统参数的整定比较困难。其次,母管制机组中一台锅炉产的新汽,一部分就近供给一台机组,另一部分经母管向较远的机组供汽。由于经过较长的管道和较多的阀门,有相应的压力损失,从而导致各段母管的压力也有差异。而常规系统在母管压力控制对象选取上将蒸汽母管作为集中参数式对象处理忽略了母管压力的局部间差异,这将导致备段母管的压力不能始终保持一致。因此,以母管压力为主要被控参数的并列运行锅炉母管压力控制系统的设计,在现阶段尚存在有待突破的研究。由于并列运行机组的母管压力对象,具有大滞后大惯性、时变和非线性等特点,使得一些常规PID控制策略往往难以得到满意的控制效果。虽然近年来分散控制系统DCS在火电机组上的广泛应用使火电机组自动化水平有了长足进步,但各种DCS大多采用常规PID控制策略,母管压力仍无法长期、稳定地自动运行在设定运行值或范围内。在各种先进控制策略中,预测控制是目前很有应用潜力的一种。由于它采用多步预测、滚动优化和反馈校正等控制策略,因而控制效果好、鲁棒性强,适用于控制大滞后大惯性、比较复杂的工业生产过程。本文通过使用MATLAB中的SIMULINK,对并列运行机组进行建模,研究PID控制和预测控制MPC策略,具有重要的理论意义和使用价值。12论文结构及内容本论文使用MATLAB中的SIMULINK工具箱建立三炉两机并列运行机组的分布式动态模型,然后设计常规PID控制器控制母管压力,试验其效果再进一步选择模型预测控制MPCMODELPREDICTIVECONTROL改进母管压力控制性能,并试验其效果。最后通过比较常规PID和MPC二者的控制效果,得出结论。第一章分析了本研究课题的选题背景,介绍了现有并列运行机组母管压力控制方法及其存在的问题。第二章研究了并列运行机组的动态数学模型,使用SIMULINK建立了三炉两机和六炉四机并列运行机组的动态模型,并进行动态仿真研究。第三章第三章概要介绍常规PID控制,并将其和其他控制方法进行比较。第四章第四章介绍了模型预测控制,并将其运用在并列运行母管制机组上。第二章并列运行机组建模21引言热工对象大都是多输入、单输出的甚至是多输出,以本文研究的母管压力模型为例,它就是一个典型的多输入、多输出对象。各个输入信号引起输出信号变化的动态特性一般是不同的,这是热工对象的一个特点,因而实际生产中通常都采用现场测试如做阶跃响应试验的方法来获得热工对象的动态特性。然而由于条件限制,本文选择了机理分析的建模方法,即根据生产流程和生产设备的具体结构,列出各生产环节的动态微分方程,从而推导出各环节的动态传递函数,最后将每个生产环节的传递函数综合在一起,便得到了并列运行锅炉母管压力的动态数学模型。在建模时,并列运行锅炉的炉膛、汽包、过热器的模型与单元机组的基本相同,不同的主要是蒸汽母管数学模型的建立。传统方法是将蒸汽母管作为一个集中参数式对象处理,即将它笼统地作为一个容积环节来处理,不考虑管路分布的影响,忽略母管中各段之间的差异。本章在母管模型的处理上进行了改进,将母管看成是一个集中参数和分布参数相结合的对象,这种处理方式更符合实际情况,也为以后设计新型的母管压力控制系统打下了一个良好的基础。值得指出的是,由于本章是从控制上的机理分析角度出发来建立对象的数学模型,虽然模型在总体上是符合实际情况的,但仿真精度要比其它建模方法的低一些,同时要做如下一些假设管道中流动的蒸汽只存在汽态,不考虑两相流动。管道中的蒸汽流动是定常的、不可压缩的、绝热的,不考虑散热对蒸汽压力的影响。此外,本章使用MATLAB的SIMULINK工具箱来构造仿真对象,用于模拟实际对象的运行。22并列运行机组的生产流程及环节划分汽压被控对象的生产流程如图21所示,它是一个热交换系统,进行工质的蒸发和过热。图21汽压被控对象生产流程图图中、分别为汽包压力、母管压力、汽机背压,、分别为锅炉蒸汽流量和汽机通流量,汽机调节阀开度,。整个系统由炉膛1,汽包、水冷壁组成的蒸发受热面2,过热器3,母管4和汽机5等五个环节组成。使用SIMULINK搭建出汽控对象方框图。图22汽压被控对象方框图锅炉模块图23锅炉模块方框图1炉膛环节它包括燃料调节器动作后,燃料进入炉膛燃烧,释放的热量被炉内受热面吸收的整个过程。燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理变化,简单而又准确的表达它们的动态关系较为困难,一般可用一个滞后环节其中大部分是容积滞后来代表,这样不会引起很大的误差。其输入量为单位时间内炉膛燃烧的燃料量,输出量为单位时间内传给炉膛受热面的燃料发热量,又称炉膛热负荷。故炉膛的传递函数近似可用式21表示。21其中燃料量变化引起热负荷变化的比例系数,燃料量改变至炉膛热负荷变化的滞后时间,。炉膛环节的方框图如图24所示。图24炉膛环节方框图2汽包环节炉内工质吸热后蒸发和过热的过程。炉内工质总的吸热量一部分被过热蒸汽带走,另一部分成为锅炉内饱和水的焓增,即锅炉蓄热的增量。因此环节2的动态热平衡方程式如式22所示。22其中、分别为过热蒸汽、给水和饱和水的焓值,锅炉蓄水量,。由于炉内饱和水的焓值是饱和蒸汽压力汽包压力的函数,即,则23将式23代入式22,则热平衡方程变为24令,25则式24变为26其中锅炉的蓄热系数,用蒸汽流量单位表示的锅炉汽水容积吸热量,。在式26中,蓄热系数代表了锅炉的蓄热能力,即表示当锅炉汽包压力每改变1时锅炉所释放出的蒸汽量。而则以蒸汽流量单位来表示炉膛内的发热量,故称之为热量信号。将式26两边进行拉氏变换,便可得到环节2的传递函数27汽包环节的方框图如图25所示。图25汽包环节方框图3过热器环节若仅考虑过热器的通流特性吸热量已在汽包中考虑,设其通流阻力为,则28将式28两端取增量,得29令,为过热器动态阻力系数,再将式29两边进行拉氏变换,得到过热器的传递函数210过热器环节的方框图如图26所示。图26过热器环节方框图蒸汽母管环节蒸汽母管压力反映了锅炉总蒸发量与汽机总耗汽量之间的物质平衡关系。其流入量为锅炉的蒸汽量,流出量是进入汽机的蒸汽量,它可以作为一个容积环节,环节4的传递函数为211其中蒸汽母管的容量系数,。蒸汽母管环节的方框图如图27所示。图27蒸汽母管环节方框图汽机模块图28汽机模块方框图汽机环节汽机的通流量是蒸汽母管压力、汽机背压和调节阀开度的函数。假设背压很小且很少变化,汽机调节阀为线性的,则该环节的流通特性如式212所示。212其中汽机动态流通阻力系数,汽机调节阀的静态放大系数,将式212两边作拉氏变换后变为213汽机环节的方框图如图29所示。图29汽机环节方框图综合以上各环节的方框图,便可得到汽压被控对象的方框图,如图210所示。图210汽压被控对象方框图为了方便进行仿真研究,可以将图27中的各个子模块封装成锅炉、汽机和母管这三个模块,则图27变为图22。23两炉两机模型的建立及仿真在前一节的讨论中,只对仅有一台锅炉向母管供汽的情况进行了分析,相当于是对单元机组的分析。当多台锅炉并列运行时,每台锅炉的蒸发量不仅与母管压力有关,而且与本台锅炉的汽包压力有关。图29表示了两炉两机并列运行的情况。两台锅炉的工况是相互联系的,每台锅炉的汽包压力和蒸汽流量不仅与汽机的耗汽量有关,也与任何一台锅炉的运行工况有关。为了分析问题方便,假定两台并列运行的锅炉和汽机的型式、参数、容量等参数都是相同的。多台锅炉并列运行时,炉膛、汽包、过热器的数学模型与单元机组的基本相同,不同的主要是蒸汽母管的数学模型。母管模型属于一般管路模型的范畴,管路模型可分为集中式和分布式,其中分布式又可分成连续分布式与离散分布式。集中式管路模型把系统中的管路当作一个容积环节来处理,不考虑管路分布的影响。当管路相对简单、管径与管长的比值较大时,该模型较为适用。在大量的仿真实例中,往往采用这种模型来描述管路。连续分布式管路模型把系统中的每一段较长的直管,均考虑为压力、流量沿管长方向连续变化的微分形式。这种管路模型在理论上讲较为精确,但在实际仿真中因其数学处理较为复杂,特别是在系统仿真中较少使用。离散分布式管路模型把系统中的长管分成数目有限的短管,而把每一段短管看成是集中式管路模型。对比上述三种模型,集中式过于简单连续分布式又过于复杂,数学处理较为困难而离散分布式无论是在处理的难度上,还是在仿真的精度上都比较合适。常规的并列运行锅炉母管压力控制系统是把母管当作集中式管路模型来处理的。按这种思路,图29中系统的方框图如图210所示。然而在母管制电厂中,在一定的外界负荷时,总耗汽量基本上是不变的,各台锅炉间有一定的负荷分配,产生相应的蒸汽量。机组负荷在经济分配后,机、炉的蒸汽量通常并不一一对应,而是经过蒸汽母管平衡。在一台锅炉产生的新汽中,一部分就近供给一台汽机,而另一部分会经母管向较远的汽机供汽,即一台汽机的用汽一部分由就近锅炉供给,而另一部分是由较远的锅炉通过母管补充。由于经过较长的管道和较多的阀门切换阀、分级隔离阀等,有相应的压力损失,从而导致母管中各段的蒸汽压力具有差异。常规控制系统在母管压力控制方面是将蒸汽母管作为集中式对象处理,忽略了母管压力的局部差异,从而导致母管实际压力分布不均衡。如能将蒸汽母管作为离散分布式对象处理,即将一根较长的母管看成由若干段短管组成,类似于过热气温分段控制,将母管压力也进行分段集中自动控制,应该能取得更好的控制效果。图211集中参数式系统方框图如果以图211的两炉两机系统为例,此时以汽机为参照,将蒸汽母管分成两段来考虑由隔离阀门物理实现,一台锅炉负责维持一段母管的压力。这样以来,在局部上就可以看成是一台或几台锅炉向一台汽机供汽,而两台锅炉之间依靠母管段之间的蒸汽流动来保持各自母管压力的动态平衡,即两段母管的压力在系统稳定时,应该保持不变在控制系统的作用下,应该保持基本相等。两炉两机的系统的母管模型如图212所示。图212蒸汽母管模型此时,系统中除了以上提到的各环节之外,还多了一个两段母管之间的流通环节,设为第I段管路的流通阻力,则管路中的流动方程如式214所示。214其中,分别为母管段I和I1的蒸汽压力,母管段I与I1之间的流量,。式214两端取增量令,并进行拉氏变换,得到该环节的传递函数215此时图29中系统的方框图如图212所示。图213分布参数式系统方框图24两炉两机模型参数的确定由前文可知,母管压力对象的集中式模型可以分为五个环节,其中共有燃料量改变至炉膛热负荷变化的滞后时间,燃料量变化引起热负荷变化的比例系数,锅炉的蓄热系数,汽机的动态流通阻力系数,汽机调节阀的静态放大系数,蒸汽母管的容量系数和过热器的动态阻力系数这七个参数需要确定。而分布式模型除了以上的各参数外,还多了一个管路间的流通阻力系数。本文用于仿真的对象是HG220/10010型煤粉锅炉,它的主要参数如下锅炉额定蒸发量220,汽包压力105,过热汽出口压力母管压力91,过热汽出口温度540,给水温度215,燃料低位发热量收到基22300,燃料计算消耗量271931,锅炉效率912276,给水焓923578,过热蒸汽焓34844,排烟温度140,一次工质吸热量占锅炉总吸热量份额84。由文献可知216,217计算求得8057800460298。其它参数由专家经验和仿真调试得到6050060666001,672。25三炉两机母管系统分布式动态调控模型的建立及仿真图214三炉两机示意图由图213将母管看成是一个分布参数式对象,一台执行级的调压锅炉负责维持一段母管的压力稳定。本文的仿真对象中有两台汽机和三台锅炉,因此可以将母管划分为两段,三号炉带固定负荷,一号炉和二号炉分别维持一段母管的压力。炉1与炉3之间作为第一段母管,炉2与炉3之间作为第二段母管。对于左段母管流入流量为D1,D31,D21流出流量为DT1,D12。对于右段母管流入流量为D2,D32,D12流出流量为DT2,D21。图215为三炉两机系统方框图图215三炉两机系统方框图图215中,锅炉汽机模块参照图27。1炉1和炉2在1200S同时发生燃烧率阶跃扰动炉1和炉2的额定燃烧率为37768KG/S,1200S时M1和M2同时增大到54777KG/S。图216汽包压力母管压力曲线图图217蒸汽流量汽机流量曲线图在经过60S的延迟后,PB1、PB2、PB3成比例增大,PM1、PM2增大幅度比汽包增幅稍小由于母管压力增大,汽机需汽量增加当M1、M2阶跃增大后,D3减小,在1320S时开始回升至稳定值。在D1、D2剧增的同时,需要D3提供的蒸汽量减少,但随着汽机需汽量的增加,D1、D2增幅减小,D3逐渐增大至稳定。2炉2在1200S同时发生燃烧率阶跃扰动图218蒸汽流量汽机流量曲线图图219汽包压力母管压力曲线图M2在1200S扰动,D1和D3均先减小并在1320S后逐渐增大至稳定,D2蒸汽量剧增并在1320S后逐渐缓慢增大至平稳M2阶跃扰动,产汽量增加,汽包压力和母管压力都增大,PM2增大带动PM1增加,故PM1增幅始终稍慢于PM2,PM1增加也抑制了炉1和炉3的产汽量稳定后,PB3PB2PB1。3汽机调节阀开度UT1和UT2在1200S同时发生阶跃扰动UT1和UT2额定开度为05,1200S时同时增大到07220蒸汽流量汽机流量曲线图221母管压力汽包压力曲线图当汽机调门同时阶跃增加时,一开始汽机通汽量成比例增加,而母管压力PM立即成比例减少。随着汽包压力和母管压力的下降,汽机通汽量逐渐减少,使得汽压的下降速度也减小,最后蒸汽流量恢复到扰动前的数值,此时汽压也稳定在较低数值。4汽机调节阀开度UT2在1200S发生阶跃扰动图222蒸汽流量汽机流量曲线图图223汽包压力母管压力曲线图UT在1200S阶跃扰动,DT2汽机蒸汽流量急速增加,随之PM2减小,PM2带动PM1减小,故PM1减小幅度稍小于PM2系统稳定时,汽包压力均比例减小直至稳定。26六炉四机母管系统分布式动态调控模型的建立及仿真根据上文三炉两机模型,六炉四机的模型搭建可以参考下图图224六炉四机模型示意图如图224所示,六炉四机模型将两个三炉两机通过一中间阀门连接,属于最简单的模型,结构简单易懂,将中间段母管简化为阀门,准确性稍低。用SIMULINK搭建出系统图,如图225。图225六炉四机系统图由于仿真系统较复杂,仿真时数据处理量大,仿真速度较慢,故本节只对单个单元机组里的单台锅炉燃烧率和汽机阀门开度加入阶跃扰动。1、M2在1200S时发生阶跃扰动图226蒸汽流量曲线图图227母管压力曲线图由图226和227,炉2燃烧率扰动,炉2的蒸汽流量明显增大,相应的其余炉的流量均不同程度地降低,减小幅度依次为炉1最大,炉7和炉5。母管压力方面,压力增幅依次为PM2最大,PM1,PM4,PM5。根据两方面的变化趋势,可以得出结论离产生扰动锅炉较近的机组和母管变化最大,而较远的机组和母管变化则较小。2、炉2汽机阀门开度在1200S发生阶跃扰动图228蒸汽流量曲线图图229母管压力曲线图同样,根据图228和229,比较出蒸汽流量变化幅度D2D1D7D5,母管压力变化幅度PM2PM1PM4PM5。很好的证实了最近的母管机组调节较大的结论。第三章常规控制简介31PID控制原理简介在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例P控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差STEADYSTATEERROR。积分I控制在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统SYSTEMWITHSTEADYSTATEERROR。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例积分PI控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分D控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后DELAY组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。32并列运行锅炉主蒸汽母管压力控制系统321控制方案设计母管制运行方式下,主调节器按照预定的负荷分配原则,根据母管压力与给定值的偏差,向各并列运行锅炉发出增、减负荷的信号,各并列运行锅炉同时接受主调节器来的负荷要求信号,调节燃料量和风量,以快速满足锅炉负荷要求。系统提供锅炉按定压运行、带固定负荷及变动负荷的运行方式,运行人员可手动、自动切换选择所需的运行方式。控制系统设计提供运行人员选择所需运行方式的手段,当改变运行方式时,系统不会产生任何扰动。此外,在锅炉和设备遇到受限制的工况时,控制系统能平稳地将运行方式自动转换合适地运行方式。当系统不能实现运行人员所选择的运行方式时,则向运行人员报警。锅炉主蒸汽母管负荷压力分配主控系统将主蒸汽母管负荷压力分配指令以并行协调的方式转化为对各锅炉燃料和风量的控制,并具有以下要求1设置锅炉主蒸汽母管负荷压力分配主调节器,将主蒸汽母管压力反映的能量需求合理分配至各锅炉燃料调节器2根据运行要求,可手动或自动调整各台锅炉的负荷分配比例3主蒸汽母管负荷压力分配主控面板有主蒸汽母管压力、主蒸汽母管温度、各台炉主蒸汽压力、各台炉主蒸汽流量、各台汽机蒸汽流量、各台炉负荷分配比例等参数显示。当多台锅炉并列运行时,每台锅炉的蒸汽流量不仅与母管压力PM有关,而且与本台锅炉的汽包压力PB有关。为了分析问题方便,假定两台并列运行锅炉的型式、参数、容量等诸方面均是相同的。如果两台锅炉的燃烧率M1、M2同时作相同的扰动,则动态特性与孤立运行时相同。如果只有一台锅炉发生燃烧率扰动,则情况就不相同。下图作出了第一台锅炉M1扰动时的阶跃响应曲线。图31第一台锅炉M1扰动时的阶跃响应曲线假定扰动前两台锅炉的负荷相同,汽包压力相同PB1PB2PB3,当第一台锅炉燃烧率M1增加后,汽包压力PB1上升,蒸汽流量D1增加引起母管压力PM上升,由于同一母管上有多台此地为2台锅炉供汽,因此1台锅炉的燃烧率扰动不致使PM升高得太多。此时,通往汽机的蒸汽量DT也增加,对于第二台锅炉来说,由于PM上升后PB2PM减小,蒸汽量D2反而减小。但此时第二台锅炉M2未变,D2减少则引起PB2上升,D2也跟着PB2逐渐回升,最后D2仍然恢复到原来的数值,但PM、PB2都增加了。由此可见,发生燃烧率扰动的这台锅炉自发地承担了较多地负荷,燃烧率的自发扰动可引起并列运行锅炉负荷分配的改变。因此,在考虑并列运行锅炉燃烧过程自动控制系统时,必须注意到下面几点1尽快地消除各台锅炉燃烧率的自发性扰动,否则将由于任何一台锅炉燃烧率的自发扰动而使各台锅炉的负荷分配和汽压发生不规则的变化。2在并列运行锅炉中,如果并列运行锅炉的台数发生变化在并列运行锅炉中往往有一部分带变动负荷,另一部分带固定负荷都会使被控对象发生变化。如果发生燃烧率扰动的锅炉台数占并列运行锅炉总台数的比例愈小,主汽压的反应速度也愈小。322负荷扰动时汽压被控对象动态特性的特点多台锅炉并列运行时,在负荷扰动下的动态特性与一台锅炉孤立运行时的动态特性相似。当负荷阶跃改变时,母管汽压PM也有起始的跃变。负荷阶跃扰动量相同的情况下,并列运行锅炉台数越多,相对于每一台锅炉的负荷扰动量就越小锅炉参数、容量完全相同时,相对于每台锅炉的扰动量与锅炉台数成反比。因此母管压力的起始跃变量也就越小,汽压的反应速度就越慢。对于两炉两机并列运行方式而言,当调节阀T阶跃增大时,PM下降使供汽量D上升,并与汽机通汽量DT平衡,则汽机通气量的增加值,、为2台炉各自增加的供汽量。当没有变化时,决定于,此时存在以下关系式中、为各台过热器的阻力。因此通过对燃烧过程被控对象的动态特性分析,可得到在设计燃烧控制系统时的基本依据1在燃烧率扰动下,汽压被控对象PB、PM的滞后时间较短。因此,根据汽压的变化去改变燃烧率能够较为有效地控制汽压,使其适应负荷的需要。所谓改变燃烧率就是要同时协调地改变燃料量、送风量、引风量2并列运行锅炉中的任何一台锅炉发生燃烧率自发性扰动时,都要影响PM和PB。因此,应迅速地消除各自的燃烧率自发扰动,以稳定各台锅炉之间的负荷分配关系3为了使锅炉各自承担所规定的负荷,必须准确而又快速地测量燃烧率,保证燃烧的经济性,而这些问题的妥善解决是实现燃烧自动控制的前提。323控制方案与控制策略母管制锅炉的蒸汽压力对象具有大延迟特性,并列运行锅炉之间关联性强,难以实现自动调节。母管制锅炉的蒸汽压力是机组运行的主要控制参数,直接影响到机组的安全及经济运行,根据机组的工况要求,需要将母管压力严格限制在某一定值,因此,需要一套合理的压力自动控制系统进行自动调节。蒸汽母管的流入量是锅炉部分产生的蒸汽量D,流出量是进入汽机部分的蒸汽量DT,而母管压力PM反映了流入流出蒸汽流量物质平衡关系,也即能量平衡关系。对单元制机组,采用作为理想热量信号,作为汽机能量信号,构成单元机组直接能量平衡控制方案。其中,为调速级压力,为主汽压力值,为主汽压力给定值,为汽包压力,为蓄热系数。对于母管制锅炉,将并列运行锅炉部分作为整齐供给的一个整体,其理想热信号为其中,、分别为四台锅炉产生的蒸汽量、分别为四台锅炉的蓄热系数、分别为四台锅炉的汽包压力。取热量信号,汽机能量信号使用来表示汽机部分总的蒸汽流量需求,即能量需求。这样,在调节器入口处形成能量比较,构成母管制直接能量平衡控制方案。当机组能量平衡时,即锅炉产生的能量与汽机所需能量平衡,即当控制系统处于稳态时,上式可改写为。这表明系统能量达到平衡时,母管压力等于给定值压力。由此可知,控制母管能量平衡,实际上也控制了母管压力。在实际系统中,可选择离主蒸汽压力测点较近的炉作为调压炉,而其余锅炉通过调节蒸汽流量,辅助确保母管的蒸汽压力。为确保控制系统具有良好的控制品质,对锅炉负荷分配控制系统的设计必须符合如下设计原则1各台锅炉而言,当锅炉的燃烧率发生变化时,对母管蒸汽压力的影响速度是不一样的因压力测点位置的原因,对于压力影响越快的锅炉,则相应压力被控对象的滞后越小,选择这样的锅炉作为调压炉,可以获得较好的压力控制品质。2对于调压锅炉,控制系统不仅要消除调压炉自身燃烧率的自发性扰动,而且还要消除其它各台锅炉燃烧率的扰动及汽机侧由于输入蒸汽流量变化而造成对母管压力的影响。而对于非调压炉,控制系统的主要任务是维持锅炉的稳定负荷,只有母管压力偏离定值超过一定的数值或调压炉的燃烧率调整已受到限制时,非调压炉才辅助调整压力,是调整母管压力的辅助调节设备。3基于能量直接平衡的控制系统其实质是一个采用汽包压力作为导前微分信号的双回路系统,而双回路系统的控制品质优于常规的单回路控制系统。因此,基于能量直接平衡的压力控制系统比直接采用压力偏差信号的单回路控制系统的品质要好。4为克服母管制运行方式的蓄热惯性,应使锅炉控制尽快跟随汽机需要,即克服母管压力控制的外部扰动,对应汽机侧调峰机组的热量信号要进入锅炉侧参与控制。第四章预测控制设计41预测控制MPC原理简介模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略,其算法的核心是可预测未来的动态模型,在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差的反馈校正。模型预测控制具有控制效果好、鲁棒性强等优点,可有效地克服过程的不确定