火电厂锅炉过热汽温控制系统设计Word格式.docx

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关键词：

过热蒸汽温度，减温水，串级控制系统，PID

Abstract

Thesuperheatedsteamtemperaturecontrolsystemisanimportantandindispensableunitaircrewpart,itsperformanceandreliabilityhasbecomeensuresafetyandeconomicbehavioroftheunitaircrewimportantfactors.Thesuperheatedsteamtemperatureishigher,thethermalefficiencyisrelativelyhigh,butishigh,themetalmaterialsandtheturbineunabletobear,thetemperatureistoolowwillinfluencetheunitefficiency.Thesuperheatedsteamtemperaturestabilityoftheunitsafeandeconomicoperationisveryimportant,soforthecontrolhavehigherrequirements.Butbecausethesuperheatedsteamtemperatureisatypicaltime-delayed,largeinertia,nonlinearandchangeablecomplexsystem,thisdesignUSESthecascadecontrolinordertoimprovethecontrolperformanceofthesystem,inthesystembythemaster-cascadecontrolofswitchingdevice,makethesystemcanbeusedindifferentworkingenvironment.Byusingthissystem,canmaketheboileroverheatingexportsteamtemperatureinallowedwithinthescopeofthechange,andtheprotectionofsuperheaterwalltemperaturenotmorethanallowthecampofworkingtemperature.

Keywords:

thesuperheatedsteamtemperature,reducewarmwater,cascadecontrolsystem,PID

1绪论

1.1选题的背景及意义

过热汽温的控制就是维持过热出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度是影响大型锅炉生产过程安全性和经济性的重要参数，因为过热器是在高温、高压条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是全厂整个汽水流程中工况温度的最高点，也是金属管壁温度的最高处。

过热蒸汽温度过高的话，则容易烧坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀变形而损坏，影响机组的安全运行，因而过热汽温的上限不应超过额定值5℃。

相反过热蒸汽温度过低的话，又会降低全厂的热效率，增加燃料消耗量，浪费能源，同时会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命，所以过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程不允许的。

此外，如果过热蒸汽温度变化过大，还会引起汽轮机转子和汽缸的涨差变化，甚至会产生剧烈振动，危及到机组的运行安全。

因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。

一般中、高压锅炉过热蒸汽温度的暂时偏差不允许超过±

10℃，长期偏差不允许超过±

5℃，这个要求对过热蒸汽温度控制系统来说是非常高的。

过热蒸汽的温度一般可以看作是多容分布参数的受控对象，其动态特性描述可用多容惯性环节表示，该对象具有明显的滞后特性。

在锅炉运行中，影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，有蒸汽流量、燃烧状况、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度、流量、流速等等。

在这些因素的共同作用下，过热汽温对象除了具有多容、大惯性、大延迟的特性之外，往往还表现出一定的非线性和时变特性，因此，过热蒸汽温度控制系统是锅炉各项控制系统中较为复杂的控制系统之一。

所以针对上述情况设计的控制系统，既要求对烟气侧扰动及负荷扰动等较大外扰具有足够快的校正速度，同时又要求能够对减温水的内扰有较强的抑制能力，从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。

1.2国内外研究现状

国内外广大专家学者和现场工作人员主要关注的热点问题是：

面对具有大延迟、工况参数对模型参数有较大影响的过热汽温，如何稳定、准确、快速地对其进行有效的控制。

在火电厂中，各种类型的PID控制器因其参数物理意义明确、易于调整，依然在热工过程控制系统中占据着一定地位，但这种采用常规PID控制器较难确保控制系统的品质，由于它本身存在的一些缺陷使得它在实际应用中的控制效果不是很理想。

分析常规PID控制可以发现，这种控制无法解决稳定性与准确性之间的矛盾。

加大控制作用可使误差减少，准确性可以提高，但是降低了稳定性。

反之，为保证稳定性，限制控制作用，这样又降低了控制的准确性。

即使对被控对象整定了一组满意的PID参数，当对象特性发生变化时，也难以保持良好的控制性能。

过热汽温对象具有时变性、不确定性、非线性等特点，并且会有一些随机的扰动产生，工艺流程复杂，使其难以建立精确的数学模型。

同时，其还具有延迟和惯性较大等特性，由于模型参数的不确定性以及在控制系统的运行过程中出现环境变化、元件老化等问题，所以常规PID控制方法更难以取得满意的控制效果。

因此，许多火电厂都迫切希望能有一种理想的控制策略实现对过热汽温的有效控制。

随着控制理论的不断发展，控制领域出现了许多新的控制方法，如预测控制方法、自适应控制方法、各种智能控制方法（包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化控制等等）。

一直以来，国内外许多专家学者都在积极研究将这些新的控制算法应用到过热蒸汽温度的控制上。

模糊控制作为一种智能控制方法，它是依据人对被控对象的控制经验而设计的，其模仿人的思维模式，不依赖被控对象的数学模型，对于处理过热汽温这种具有大延迟、非线性和对象模型不确定的被控制对象有很好的控制效果，为解决这类复杂对象的控制问题开辟了新途径，被一些专家学者引入到了对过热汽温的控制系统中。

但是，模糊控制实质上是具有PD控制规律的一种控制器，考虑到语言变量基本论域的量化特点以及模糊控制器具有模糊比例一微分作用，缺少积分环节，使得该系统不具有消除稳态误差的能力，且由于在“O”档处量化死区的影响，还可能出现稳态等幅振荡。

因此单独采用基本的模糊控制不能获得好的控制品质。

因此现在构成一种新型的模糊--PID复合串级控制系统，实现对过热蒸汽温度的控制。

1.3本次设计的目的

本文的设计目的，就是针对过热蒸汽温度的特点，在深入分析过热蒸汽温度调节的过程，过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性以及过热蒸汽温度控制的设计难的基础上，确定在过热蒸汽温度控制系统中应用串级控制的可行性，并考虑根据蒸汽温度偏差和偏差的变化情况调整控制器的各个参数，以实现最优控制。

并且由控制系统输出信号来控制执行器，通过调节执行器去控制减温水阀门的开度，从而实现控制过热蒸汽温度。

并且通过仿真验证来控制效果。

1.4本次设计所做的工作

①分析了过热蒸汽温度调节的任务，静态特性，在蒸汽流量（负荷）扰动、烟气流量扰动、减温水流量扰动三种主要扰动下过热汽温的动态特性，过热汽温控制的难点和设计原则，并对过热蒸汽温度控制系统的现状进行了大致的介绍。

②由于汽温对象具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，使其控制难度加大。

在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，从而进一步加大了汽温控制的难度。

根据根据串级控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的控制品质，将串级控制引入到过热蒸汽温度控制系统中，设计了一种串级控制系统对过热蒸汽温度控制对象进行调节控制。

并对该系统参数进行整定

③通过对控制系统的改进与仿真，确定了一种引入改进型Smith预估器的串级控制系统，该系统根据蒸汽温度的偏差和偏差变化情况调整控制器的PID因子，进而调整了控制系统的控制策略，解决具有纯迟延的过程控制，提高控制品质。

同时，通过相应控制器去控制减温水调节阀的阀位开度，根据调节减温水的流量大小来控制过热蒸汽温度的变化，从而实现对过热蒸汽温度控制。

仿真结果表明，基于改进型Smith预估器对大惯性、纯延迟系统具有较好的控制效果，提高了系统的鲁棒性得以提高，使控制品质变好。

2汽温控制系统的组成与对象动态特性

本论文的设计主要是针对300MW的单元机组锅炉，通过了解其高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，且汽轮机为单轴、三缸、两排汽、再热、凝汽冲动式，说明过热器与再热器在锅炉中的位置及布置情况，从而全面掌握研究对象的生产过程，并熟悉其动态特性及分析影响汽温变化的各种因素。

2.1汽温调节的概念和方法

维持稳定的汽温是保证机组安全和经济运行所必须的。

汽温过高会使金属应力下降，将影响机组的安全运行；

汽温降低则会机组的循环的效率。

据计算，过热器在超温10℃到20℃下长期运行，其寿命会缩短一半；

而汽温降低10℃会使循环若效应降低0.5％，运行中一般规定汽温额定值的波动不能超过－10℃～+5℃。

因此，要求锅炉设置适当的调温手段，以修正运行因素对汽温波动的影响。

对汽温调节方法的基本要求是：

调节惯性或延迟时间小，调节范围大，对热循环热效率影响小，结构简单可靠及附加设备消耗少。

汽温的调节可归结为两大类：

蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。

所谓蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。

例如喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水的加热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷入的水量，可以达到调节汽温的目的。

烟气侧的调节，使通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例的方法（例如调节燃烧器的倾角，采用烟气再循环等）或改变流经过热器的烟气量的方法（如调节烟气挡板）来调节过热蒸汽温度。

2.1.1从蒸汽侧调节汽温

汽温调节通常采用喷水减温作为主要调节手段。

由于锅炉给水品质较高，所以减温器通常采用给水作为冷却工质。

喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到被调过热蒸汽中去与之混合，吸收过热蒸汽的热量使本身加热，蒸发，过热，最后也成为过热蒸汽的一部分。

被调温的过热蒸汽由于放热，所以