1、,畢 業 論 文（設 計）題目：超超臨界火電機組燃燒控制系統設計姓 名 林逸君 學 號201100170220 學 院 控制科學與工程學院 專 業 測控技術與儀器 年 級 2011級 指導教師劉紅波 2015年 5 月 10 日目錄摘要3ABSTRACT4第一章 緒論51.1課題背景及意義51.2 超超臨界火電機組控制技術應用現狀51.3 畢業設計主要內容5第二章 超超臨界火電機組燃燒控制系統概述62.1 機組工藝流程簡述62.2 機組燃燒過程控制系統任務72.3 機組燃燒過程控制系統組成與特點8第三章 超超臨界火電機組燃燒控制方案設計93.1常規控制方案93.2改進控制方案10第四章 控制方

2、案仿真驗證104.1 MATLAB簡介114.2 控制方案的Simulink仿真驗證12結論15致謝16參考文獻17附錄附錄1 Controller design for a 1000 MWultra super critical once-through boiler power plant附錄2 文獻翻譯摘 要隨著科學技術的進步，傳統電廠的工作方式正在發生著革新，超超臨界電廠得到了越來越廣泛的應用。相比于傳統電廠，超超臨界電廠主要區別在于提高了鍋爐內的工質，一般為水的壓力，來提高電廠的發電效率。本文通過對電廠燃燒過程控制系統的改進來減少電廠控制變量之間的相互干擾，從而進一步提高電廠的發電效

3、率。首先，根據電廠的工作原理分析出電廠各控制變量與各被控量之間的相互關系，建立電廠的簡化數學模型。之后，根據各變量之間的相互作用關系采取PID增益控制、解耦等方式提出改進的控制方案。然后，根據從網上搜集到的超超臨界電廠在實際工況下所采集到的數據完成數學模型的數據輸入工作。最后，通過MATLAB下的Simulink工具箱對數學模型進行仿真實驗，得出電廠輸出量的波形圖，通過對比研究改進后的控制方案的實際運行成果。關鍵詞：超超臨界電廠, 燃燒過程控制系統, 數學模型, MATLAB, Simulink仿真ABSTRACTWith the progress of science and technol

4、ogy, an innovation of traditional power plants is proceeding, ultra supercritical power plants are being applied more and more general. Compared to traditional power plants, ultra supercritical power plants raise the pressure of the working medium, usually water, in their boilers to improve their ge

5、nerating 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 power plant control variables. So that we can further improve the generating efficiency of our power plant. First of all, according t

6、o 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 them. Secondly, by using PID controllers, decoupling or other ways we set up an improved combustion process control system control plan

7、. 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, through Simulink, a toolbox from MATLAB we make a simulation for our model, after we have a conclusion in the oscilloscopes we can find ou

8、t how our plan improves the efficiency of the power plant.Key words: ultra supercritical power plant, combustion process control system, mathematical model, MATLAB, Simulink simulation第一章 緒論1.1 課題背景及意義近年來，隨著更多高性能材料的投入與設備制造技術的不斷提高，以提高主蒸汽參數為目標的超超臨界火力發電機組在世界范圍內得到了越來越廣泛的關注。從世界范圍看，自二十世紀五十年代開始，以美國為首的世界發達國

9、家開始了超臨界機組的研究與應用。1957年，世界上第一臺超臨界機組在美國落成運行。到了二十世紀九十年代，超臨界機組技術基本發展成熟，歐美日等發達國家開始著手研究超超臨界機組技術。到了2000年前后，其首臺超超臨界機組基本開始投入運營。在國內，從上世紀八十年代末期，我國從國外購進了16臺大容量超臨界機組，在生產實踐中對超臨界技術有了一定的掌握。進入二十一世紀以后，通過對國外先進技術的不斷借鑒研究，我國如今正逐步完成從常規300MW、600MW的亞臨界機組到600MW、1000MW的超臨界、超超臨界機組的過渡。本文主要研究的就是超超臨界火電機組中的燃燒系統控制，以提高機組的熱效率為途徑，達到提高發

10、電效率，節約能源的目的。1.2超超臨界火電機組控制技術應用現狀國外的超超臨界機組技術從二十一世紀初開始便已比較完善，國內的相關技術雖然起步比較晚，但通過進口大型機組等方式研究掌握了部分世界上的先進技術。在研究的早期，由于資金的緊缺與國際上對于超超臨界先進技術的壟斷，國內的研究機構與高等院校雖然雖然在一些小型工業裝置上取得了一定的成果，但對于大規模的實用性機組一直沒能攻破技術難關。如今，在國內幾大能源巨頭企業的牽頭下，國內積極引進世界先進技術，結合國內以煤炭為主要能源的背景，努力把發電效率提高到45%左右的水平，緊跟世界上43%47%凈效率的超臨界、超超臨界發電機組。截止到2009年，我國已有2

11、3臺超超臨界機組投產，其中1000MW級13臺，600MW級10臺，占火電裝機容量的18%。另外，還有一批超超臨界機組正在建設。超超臨界機組將成為今后火電機組發展的重點方向。1.3 畢業設計主要內容本論文主要對超超臨界火電機組的工作原理和對象特性進行介紹和分析，在分析了超超臨界火電機組的各種控制要求和影響因素的基礎上，總結和歸納出系統的主要控制目標，并根據控制目標建立機組燃燒系統比較符合實際的數學模型。并對超超臨界火電機組燃燒系統常規控制系統的設計方法進行介紹和分析，提出改進的過程控制方案。設計好此方案后，采用MATLAB屬下的Simulink集成化仿真軟件驗證所設計控制方案的有效性。第二章

12、超超臨界火電機組燃燒控制系統概述2.1 機組工藝流程簡述圖1為一間典型的1000MW超超臨界鍋爐電廠的構成框圖。 圖1 1000MW超超臨界電廠構成這間電廠使用了三個省煤器來控制經由給水系統進入鍋爐的水的溫度達到預設值。用了兩臺鼓風機和兩臺主風機來為空氣預熱器提供空氣。空氣預熱器把加熱完畢的熱空氣輸入研磨機、燃燒器和鍋爐中。而主風機也把冷空氣輸入研磨機中。燃料（煤）通過研磨機研磨成粉末，再從燃燒器燃燒后將熱量輸入到鍋爐當中。通過控制兩臺引風機把爐內壓力控制在預設值。水冷壁成垂直螺旋形包圍鍋爐。鍋爐所輸出的煙氣分別通過過熱器、再熱器、節約裝置和空氣預熱器作用于鍋爐內各需要熱量的裝置中，以鍋爐內提

13、高蒸汽、水和空氣的溫度。在鍋爐的頂部有一個分離器，其主要作用為給主過熱器提供高壓蒸汽以及減少蒸汽中的雜質。過熱器由4部分組成，分別是主過熱器、分級過熱器、屏式過熱器和末級過熱器。蒸汽在經過高壓渦輪后被再熱器系統的主再熱器和末級再熱器重新加熱。最后，蒸汽輸入一個由高壓渦輪、中壓渦輪、低壓渦輪三部分組成的復合三重渦輪機中，推動渦輪的運轉，生成電力。超超臨界機組的燃燒控制系統主要包括研磨系統、燃燒器等各子系統的的控制，燃燒系統推動了鍋爐內主要設備的運行，其由給煤機、磨煤機、輕油系統、三大風機、實現燃燒的爐膛等組成。燃燒控制系統對這些設備的運行進行有效的控制，是鍋爐安全經濟運行的保證。2.2機組燃燒過

14、程控制系統任務鍋爐燃燒過程實際上是把燃料內的化學能通過燃燒進行能量釋放的過程。一間典型的超超臨界電廠的基本工作原理是用燃燒燃料所釋放的熱量對電廠的給水進行加熱形成水蒸汽，水蒸汽推動汽輪機做工實現發電。可見，燃料的燃燒過程是實現能量轉換的關鍵一步。燃燒控制系統的基本任務是保證燃料燃燒提供的熱量和蒸汽負荷需求的能量相平衡，同時保證鍋爐安全經濟地運行。一臺超超臨界機組的具體燃燒控制任務，受該機組鍋爐的運行方式、燃料種類、燃燒設備等因素影響，因此所需的控制方案不盡相同。但就一般來說，機組燃燒控制系統的控制任務可概括為以下幾點：（1） 滿足機組負荷需求，維持主汽壓在允許范圍機組靠燃料燃燒提供能量輸入，所

15、以燃燒控制系統響應協調控制系統的負荷指令所需的時間越短越好。機組主汽壓的變化是對鍋爐與汽輪機之間的能量需求平衡關系的反映。維持主汽壓在一定范圍內變化，就保證了熱量供給與蒸汽負荷的平衡。通過對進入爐膛的燃料量的控制來控制主汽壓的數值，是滿足機組能量平衡的主要控制手段。（2） 保證燃燒過程的經濟性，減少對環境的污染在保證鍋爐、汽輪機能量需求平衡的前提下，燃燒控制系統的另一任務就是提高燃燒的經濟效益，減少環境污染。即在改變燃料量的同時，及時對送風量進行控制，保證充分燃燒，提高燃料的燃燒率，盡量令燃料得到充分地燃燒。煙氣的含氧量系數是衡量燃燒經濟程度的一種指標。根據不同的燃料，有一個相應的最高效率區。

16、當過大時，爐膛溫度降低，排煙損失增大。當過小時，燃料不能充分燃燒，導致燃料的浪費。所以，經測量計算實驗等手段后得出的最佳值，并推算出對應其所需的同時輸入空氣與燃料的風煤比例。保持合適的風煤比例是保證經濟燃燒并減少污染的基本措施。鍋爐運行中仍然存在很多其他不確定因素，如測量信號不準確、燃料品質變化、鍋爐負荷變化等，因此僅采用控制送風量和煤的比例是不夠的。煙氣中各成分如O2、CO、CO2等也上可以反映燃料燃燒的情況，但對燃料燃燒率影響的反映不如那么明顯。因此，常用來作為一種直接衡量經濟燃燒的指標，用含氧量信號對風煤比例控制加以校正。至于其他變化可以看作擾動，在系統的設計中設法消除。（3） 維持爐膛

17、壓力穩定電站鍋爐燃燒過程基本都為負壓運行方式，維持爐膛負壓的主要目的是保證運行人員和設備安全。若爐膛出現正壓時，爐內火焰和煙氣會從爐膛內噴出，不僅危及運行人員和設備安全，還會污染環境。若爐膛負壓過大時，又會造成大量冷空氣進入爐膛，影響燃燒的經濟性。因此，需要將爐膛內的壓力維持在一個安全穩定的區間。一般采用引風量來控制爐膛壓力,維持爐膛壓力在一個穩定值。鍋爐燃燒控制的三項主要任務間既有聯系，又有一定的獨立性。2.3機組燃燒過程控制系統組成與特點燃燒過程控制系統的組成與許多因素有關，例如鍋爐的運行方式、鍋爐結構形式、制粉系統及磨煤機的類別等。但無論哪種情況，燃燒控制系統的組成應符合一個總原則，即當

18、控制變量發生變化時，燃料量、送風量及給水量應同時相應地成比例改變，以迅速適應符合改變的要求，令燃燒系統重新回歸穩態，同時維持主汽壓、過剩空氣系數、爐膛負壓穩定在安全范圍之內，不至于偏離其給定值過大。穩態時，保持各被調量等于其給定值。當某調節量出現自發性變化時，應能迅速消除其帶來的一系列不利影響，將系統的波動對系統產生的影響降低。因此，燃燒過程控制系統一般分為三個子系統，分別為：燃料量控制系統、送風量控制系統、給水量控制系統。這三個系統分別對應燃燒調節對象的三個控制變量（燃料量B、送風量V、給水量W）和三個被控量（主蒸汽壓力Pt、煙氣含氧量系數、微過熱蒸汽溫度T）。具體關系如圖2所示。圖2 燃燒

19、過程控制子系統當然，三個控制變量和三個被控量之間還有其他多種組合方式，但圖2中的組合方式最為常見。從燃燒控制系統的組成中我們可以總結出它的幾個特點：（1） 由于超超臨界機組中的鍋爐是一個多輸入、多輸出的被控對象，所以，在不同的運行情況下，其加熱部分、蒸發部分和過熱部分之間的界限不是一成不變的，有些情況下，這個界限甚至會發生連續的波動。因此，為了保持機組運行狀態下鍋爐中各部分的溫度、濕度等參數維持在規定的范圍以內，要求燃燒控制系統嚴格保持其三大子系統之間的平衡關系。這種平衡不僅要再穩態的情況下，在動態的情況下更應如此。（2） 由于如今為了提高機組的發電效率，以應對國內越來越重的用電需求，對機組在

20、控制循環過程中的控制速度要求越來越高，控制系統必須快速對各變量產生的變化做出相應的反應，比以前更加具有實時性。換句話說，控制要求的響應時間必須越來越短。（3） 由于超超臨界機組一般為直流機組，所以燃燒系統的三大子系統之間相互關聯性比較強，所以在控制某一個控制變量的改變時，除了關注其對應的被控量變化，還需要留意其對其他被控量的影響。在之后的燃燒過程控制系統設計中需要留意通過對各控制變量之間的解耦等辦法來減少個控制變量之間的相互干擾。綜上所述，超超臨界機組燃燒控制系統相較于傳統燃燒控制系統具有控制過程穩定安全、系統實時性高、響應速度快、耦合性強等特點。第三章 超超臨界火電機組燃燒控制方案設計3.1

21、常規控制方案由上文可知，燃燒控制系統可看作一個三輸入三輸出的多變量調節系統。但是，由于汽機閥門開度對中間點溫度的影響很小，可以忽略其影響。因此，系統可以看成為一個主要研究鍋爐燃水比的控制系統，從而簡化為一個雙輸入雙輸出的模型，建模后如圖3所示。圖3 鍋爐燃水比控制框圖圖中W為給水量，B為燃料量，T為微過熱蒸汽溫度，PT為主蒸汽壓力。此為一個典型電廠燃燒控制系統，但由圖可見，這是一個典型的雙輸入雙輸出開環系統，兩個輸入量W、B會互相影響，相互干擾，從而引起輸出量的偏差，而且系統沒有考慮到輸出量的反饋干擾能力，抗干擾能力也不是十分好。此系統長久運行下去不僅影響電廠的發電效率，還可能造成安全事故，與

22、超超臨界機組對響應速度和響應質量的要求不符，因此需要對此系統進行改進。3.2改進控制方案由于兩個輸入量間穩態關聯比較嚴重，且動態特性相近，所以需要采用解耦的辦法來減少它們之間的關聯。本文采用前饋補償法對系統進行解耦，具體的控制框圖如圖4所示。圖4 改進的燃燒控制系統Gc1(s)和Gc2(s)為兩個PID調節函數，將兩系統進行閉環處理，通過PID控制器將兩個輸入量的誤差調節到允許的范圍，同時減少從輸出量方向反饋的干擾對系統后續部分的影響，調節后的輸入量分別為W和B。隨后，通過前饋解耦使T與B無關聯，PT與W無關聯，從而減少兩輸入量之間的相互干擾現象。改進后的控制系統通過前饋解耦減少了兩個輸入量之

23、間的相互干擾，對在輸出端造成的擾動對輸入量的反饋干擾效果也能很好的預防和減弱，從而減少的系統的誤差。因此，由于輸出數據的前期波動程度較弱，波動時間較短，系統的響應時間得以提高。在系統開機時，能很快達到穩定的輸出狀態，當干擾來臨時，系統的自我調節能力也大大提高了，從而令機組的工作效率提高了。前幾年在江蘇落成的國電泰州電廠使用的是典型的1000MW超超臨界機組，通過從網上查閱相關資料后，使用其在80%負荷的工況下的現場運行數據進行研究。將相關數據輸入MATLAB并化簡后，得出在80%負荷工況下控制系統的動態模型傳遞函數為： （3-1） 另外根據相關知識： (3-2)第四章 控制方案仿真驗證4.1

24、MATLAB簡介MATLAB是目前國際上最流行、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，也是國內外高校和研究部門進行科學研究的重要工具。在設計研究單位和工業部門，MATLAB被廣泛應用于科學研究、函數計算和解決各種具體問題。對于廣大的工科類大學生來說，熟悉MATLAB，掌握MATLAB的基本應用方法并能夠用MATLAB來解決本專業的問題，是非常有意義的。在本人大學四年的本科學習中也曾有多次涉及MATLAB及其相關軟件的學習任務。MATLAB是由美國The MathWorks公司于1984年推出的一種科學工程計算語言，它被廣泛運用于自動控制、數學運算、信號分析、計算機技術等各種技術類行業和領域。發展到今

25、年，MATLAB作為同類軟件中的龍頭，有其獨樹一幟的優勢和特點。（1） 簡單易用的程序語言。盡管MATLAB是一門編程語言，但與其他語言（如C語言）相比，其不需要定義變量和數組，所以人機協調程度更好，使用更加方便，并具有靈活性和智能化的特點。用戶只要具有一般的計算機語言基礎，就可以很快掌握它。（2） 代碼短小高效。MATLAB程序設計語言集成度高，語言簡潔。對于用C/C+等語言編寫的數百條語句，若使用MATLAB編寫，則只需幾條或幾十條就能解決問題，因此用戶并不需要話費大量時間死記上百種指令語句，就可以輕松地編出一條完勝的程序。而且程序可靠性高，易于維護，可以大大提高解決問題的效率與水平。（3

26、） 功能豐富，可擴展性強。MATLAB軟件包括基本部分和專業擴展部分。基本部分包括矩陣運算、各種變換、代數求解等滿足各種一般科學計算的需要的功能。專業擴展部分用于解決某一領域的專業問題。MATLAB大量的實用功能可以滿足各種不同的專業研究方向和工程需求的用戶。（4） 出色的圖形處理能力。MATLAB提供了豐富的圖形表達函數，可以獎實驗數據和計算結果以圖形的形式表示出來，并可以繪制各種難以表達的函數曲線。使用戶只需要簡單地輸入函數的表達式即可方便快捷地獲得函數的圖像。（5） 強大的系統仿真功能。應用MATLAB屬下的Simulink軟件包提供面向框圖的建模與仿真功能，用戶即使不編程，也可以直接很

27、容易地構建系統的仿真模型，準確地進行仿真分析。這讓一些對編程并不十分熟悉的用戶也可以只通過使用運用選擇拖動來完成相應數學模型的建立。作為MATLAB屬下一項非常重要的功能，Simulink的出現為MATLAB的應用拓寬了空間。下面，本文要在Simulink工作環境下對上文提出的超超臨界機組燃燒過程控制模型進行仿真。4.2控制方案的Simulink仿真驗證首先，在Simulink環境下完成對圖3的建模，如圖5所示。圖5 一般的燃燒控制系統的Simulink仿真將式（3-1）中的數據輸入Simulink中，運行后可從示波器中得到T和PT的波形圖，分別為圖6、圖7所示。圖6一般燃燒系統微過熱蒸汽溫度

28、（T）輸出波形圖7 一般燃燒系統主蒸汽壓力（PT）輸出波形隨后，在Simulink環境下完成對圖4的建模，如圖8所示。圖8 改進的燃燒控制系統的Simulink仿真輸入信號選用兩個單位階躍信號，根據運算可以求出，PID控制器1的比例增益為40.22，PID控制器2的比例增益為-50.93；兩控制器的積分系數分別為和；兩控制器的微分系數可忽略不計。為了運算方便，首先對式（3-1）進行最小二乘法擬合，得出相應的一階加純滯后模型。原對象為式（4-1），擬合模型為式（4-2） （4-1） （4-2）將式（4-2）所計算出的數據代入式（3-2）中，可以算出D12和D21，輸入數學模型中。運行Simulink，在示波器中得出的T和PT波形圖分別如圖9、圖10所示。圖9 改進燃燒系統微過熱蒸汽溫度（T）輸出波形圖10 改進燃燒系統主蒸汽壓力（PT）輸出波形結論將圖6與圖9，圖7與圖10分別對比后可以發現，以下幾點：一、 改進后的燃燒控制系統兩輸出量的振蕩時間變短了，這說明系統改進后響應時間更短。二、 改進后的燃燒控制系統兩輸出量穩定后的輸出量比改進前更加接近理想的輸出值，這說明了通過將系統閉環并增加PID控制后系統的誤差減少了。三、 改進后的系統超調量有大