本科毕业论文---锅炉过热蒸汽的温度控制.doc
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编号
本科生毕业设计
锅炉过热蒸汽的温度控制
TemperatureControlofSuperheatedBoilerSteam
学生姓名.
专业自动化.
学号110431208.
指导教师.
学院电子信息工程.
二〇一五年六月
学习好帮手
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毕业设计原创承诺书
1.本人承诺:
所呈交的毕业设计《锅炉过热蒸汽的温度控制》,是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计工作条例》后,在教师的指导下,保质保量独立地完成了任务书中规定的内容,不弄虚作假,不抄袭别人的工作内容。
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以上承诺的法律结果将完全由本人承担!
作者签名:
年月日
学习好帮手
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摘要
过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重要组成部分,其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性的重要因素。
过热蒸汽温度较高时,机组热效率则相对较高,但过高时,汽机的金属材料又无法承受,气温过低则影响机组效率。
过热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重要,所以对其控制有较高的要求。
但是由于过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统,本次设计采用串级控制以提高系统的控制性能,在系统中采用了主控-串级控制的切换装置,使系统可以适用于不同的工作环境。
通过使用该系统,可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化,并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。
关键词:
过热蒸汽温度串级控制系统Smith预估器MATLAB仿真
学习好帮手
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Abstract
Thesuperheatedsteamtemperaturecontrolsystemisanimportantandindispensableunitaircrewpart,itsperformanceandreliabilityhasbecomeensuresafetyandeconomicbehavioroftheunitaircrewimportantfactors.Thesuperheatedsteamtemperatureishigher,thethermalefficiencyisrelativelyhigh,butishigh,themetalmaterialsandtheturbineunabletobear,thetemperatureistoolowwillinfluencetheunitefficiency.Thesuperheatedsteamtemperaturestabilityoftheunitsafeandeconomicoperationisveryimportant,soforthecontrolhavehigherrequirements.Butbecausethesuperheatedsteamtemperatureisatypicaltime-delayed,largeinertia,nonlinearandchangeablecomplexsystem,thisdesignUSESthecascadecontrolinordertoimprovethecontrolperformanceofthesystem,inthesystembythemaster-cascadecontrolofswitchingdevice,makethesystemcanbeusedindifferentworkingenvironment.Byusingthissystem,canmaketheboileroverheatingexportsteamtemperatureinallowedwithinthescopeofthechange,andtheprotectionofsuperheaterwalltemperaturenotmorethanallowthecampofworkingtemperature.
Keywords:
thesuperheatedsteamtemperature;cascadecontrolsystem;
Smithpredictor;MATLABsimulation
学习好帮手
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目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本次设计的目的 2
1.4本次设计的内容 2
第2章过热蒸汽温度控制系统的组成与对象特性 3
2.1过热器的分类及基本结构 3
2.1.1过热器的分类 3
2.1.2过热器的基本结构 4
2.2锅炉过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理 5
2.2.1过热器一级减温控制系统 5
2.2.2过热器二级减温控制系统 6
2.3过热蒸汽温度控制对象的动静态特性 7
2.3.1静态特性 7
2.3.2动态特性 8
2.4过热蒸汽温度调节的概念和方法 10
2.4.1从蒸汽侧调节汽温 11
2.4.2烟气侧调节汽温 11
第3章过热蒸汽温度控制系统的基本方案 13
3.1PID控制器 13
3.1.1比例积分微分(PID)调节器 13
3.1.2PID参数整定方法 14
3.2串级温度控制系统 15
3.2.1串级温度控制系统的基本结构及原理 15
3.2.2串级温度控制系统的设计 16
3.2.3串级温度控制系统的整定 18
3.2.4串级温度控制系统的仿真 21
3.3导前微分控制系统 22
3.3.1导前微分控制系统的组成及原理 22
3.3.2导前微分控制系统的分析 23
3.3.3导前微分控制系统的整定 24
3.3.4导前微分控制系统的仿真 26
3.4两种自动控制系统的比较及控制方案选择 27
第4章主蒸汽温度控制系统的改进与仿真 29
4.1Smith预估补偿器 29
4.2改进型史密斯预估器 32
4.3带有改进型Smith预估器的主蒸汽温度控制系统设计与仿真 34
第5章结论 37
参考文献 38
致谢 39
附录 40
学习好帮手
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第1章绪论
1.1选题的背景及意义
锅炉的过热蒸汽温度是工业蒸汽锅炉安全,稳定运行的重要指标之一。
温度过高,会使蒸汽带水过多,汽水分离差,使后续的过热管壁结垢,传热效率下降,过热蒸汽温度下降,影响生产和安全;温度过低又将破坏部分水冷壁的水循环还不能满足工艺要求,严重时会引起爆炸。
因此,在锅炉运行中,保证过热蒸汽的温度达标是非常重要的[1]。
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、锅炉给水温度、烟气温度、流量、流速等。
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
随着自动化技术与电子技术的发展,微型计算机、工业专用控制计算机的出现以及广泛的应用,为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。
运用计算机技术的高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统开始日益得到重视。
80年代后期至今,国内外已经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统,明显的改善了锅炉的运行状况,但还不够完善。
随着控制理论的发展,PID控制已经广泛应用到了锅炉的过热蒸汽温度控制中。
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。
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。
同时还具有延迟和惯性较大等特性。
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、遗传算法等等)。
除此之外还有综合了几种控制形式的混合式智能控制器等多种形式,如以模糊控制为基础的专家模糊控制系统,最常见的是以常规PID数字控制为基础,通过专家系统在线实时整定PID控制参数,即智能自适应PID控制器[2]。
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。
目前比较有效的是模糊--PID复合串级控制系统,较好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,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本次设计的内容
1.分析了过热蒸汽温度调节的任务,静态特性,在蒸汽流量扰动、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。
介绍了串级控制系统和导前微分控制系统,并加以分析、比较。
并对该系统参数进行整定。
根据两种方案的特点,初步选用串级控制系统,将串级控制引入到过热蒸汽温度控制系统中,但串级控制系统不能克服纯之后带来的影响,在接下来对串级控制系统进行了改进。
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。
第2章过热蒸汽温度控制系统的组成与对象特性
这里主要是针对300MW的单元机组锅炉,通过了解其高温、亚临界压力、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,并熟悉其动静态特性及分析影响汽温变化的各种因素。
2.1过热器的分类及基本结构
2.1.1过热器的分类
过热器可以根据传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热器三种。
现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器,屏式过热器,包覆过热器,顶棚过热器,联箱及减温器构成[3]。
(1)对流过热器:
布置在烟道内,依靠热烟气对流传热的过热器,称为对流式过热器。
对流过热器是由联箱和很多细长的蛇形管束所组成。
过热器的进出口联箱放在炉墙外部,起着分配和汇集蒸汽的作用。
蛇形管与联箱上的管接头焊接在一起。
(2)辐射过热器:
辐射过热器可布置在燃烧室四壁,也称墙式或壁式过热器,或布置在炉顶,称顶棚过热器,直接吸收辐射热。
在做墙式布置时辐射过热器的管子可以布置在燃烧室四壁的任一面墙上,可以仅布置在燃烧室上部,也可以沿燃烧室高度全部布置;它可以集中布置在某一区域,也可以与蒸发受热面管子间隔布置。
(3)屏式过热器和包覆过热器
除了以上两种过热器,还有一种介于两者之间的半辐射过热器。
最常用的半辐射过热器是布置在燃烧室上部或出口处的高温烟区内的屏式过热器。
其管屏悬挂在炉顶的钢梁上,受热后能自由的向下膨胀。
为了保持各屏间的节距,可将相临两屏中的若干对管子弯绕出来互相夹持在一起,而各屏本身的管子也应夹持在同一平面上。
屏式过热器的汽温变化特性介于辐射与对流过热器之间,所以变化也比较平稳。
图2-1是布置在不同烟温区域内的过热器的汽温特性示意图。
从图中可以看出,当锅炉负荷从33%增加到满负荷时,曲线1所示的屏式过热器的汽温变化非常平稳,仅上升了10℃;曲线2和3所示的对流过热器的汽温上升了42℃和50℃;而曲线4代表的辐射过热器的汽温却大幅下降了。
由于屏式过热器具有过热汽温平稳的特点,在现代大型锅炉上广泛地采用了这种过热器。
为了得到较好的传热效果,最好把屏式过热器布置在烟温为950—1050℃的烟道中。
根据已采用屏式过热器的许多锅炉运行实践证明,它能够在1000—1300℃烟温区内可靠工作,并具有良好的汽温变化特性。
1-布置在烟温1200℃区域的屏式过热器;2、3-布置在烟温为1000℃
和900℃区域内的对流过热器;4-布置在燃烧室内的辐射过热器
图2-1布置在不同烟温区域内的过热器气温特性
2.1.2过热器的基本结构
300MW单元机组是是我国火力发电机组的主要型号。
300MW机组锅炉的过热器,具体结构如图2-2所示。
该过热器具有以下特点:
由于过热蒸汽参数高,炉膛内布置大量屏式过热器。
采用辐射式、半辐射式和对流过热器联合过热系统,以获得良好的过热蒸汽温度变化特性。
低温过热器采用逆流布置,以便获得较大的传热温差,从而节约钢材。
1-汽包;2-前屏过热器;3-后屏过热器;4-顶棚过热器;
5-侧墙包覆过热器;6-后墙包覆过热器;7-低温对流过热器;
8-第一级减温器;9-第二级减温器;10-高温对流过热器
图2-2300MW机组过热器系统图
采用两级喷水减温,一是为了使汽温调节更灵敏,减小热惯性,二是为了保护过热器。
第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后,用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化,为粗调。
第二级喷水减温器布置在高温对流过热器之前,这一级热惯性小,可保证出口汽温能得到迅速调节。
减温器共有四只,每级安装两只,每只喷水量为每级喷水量的一半。
蒸汽流程为:
饱和蒸汽由汽包引出后经一部分顶棚过热器进入侧墙和后墙包覆过热器,流出后在联箱内混合,进入低温对流过热器,出来后再经过另一部分顶棚过热器进入前屏过热器,流出后经过第一级喷水减温器减温,再进入后屏过热器,流出后经过第二级减温器减温,进入高温对流过热器完成最后一次过热后,送往汽轮机。
2.2锅炉过热蒸汽温度控制系统的基本结构与工作原理
这里针对300MW机组锅炉的过热蒸汽温度控制系统为设计对象,对其系统结构和工作原理进行介绍。
该300MW机组锅炉的过热蒸汽温度控制采用二级喷水减温控制方式。
过热器设计成两级喷水减温方式,除可以有效减小过热蒸汽温度在基本扰动下的延迟,改善过热蒸汽温度的调节品质外,第一级喷水减温还具有防止屏式过热器超温、确保机组安全运行的作用。
本机组锅炉过热器一、二级喷水减温器的控制目标就是在机组不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。
2.2.1过热器一级减温控制系统
过热器一级减温控制系统的原理简图如图2-3所示。
该系统是在一个串级双回路控制系统的基础上,引入前馈信号和防超温保护回路而形成喷水减温控制系统。
主回路的被控量为二级减温器入口的蒸汽温度,其实测值送入主回路与其给定值进行比较,形成二级减温器入口蒸汽温度的偏差信号。
主回路的给定值由代表机组负荷的主蒸汽流量信号经函数器f(x)产生,其含义为给定值是负荷的函数。
运行人员在操作员站上可对此给定值给予正负偏置。
主回路的控制由PID1来完成。
主回路控制器接受二级减温器入口蒸汽温度偏差信号,经控制运算后其输出送至副回路。
副回路的被控量为一级减温器出口的蒸汽温度。
其温度的测量值送入副回路与其给定值进行比较,形成一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。
副回路的给定值是由主回路控制器的输出与前馈信号叠加形成。
副回路采用PID2调节器,它接受一级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。
图2-3过热器一级减温控制系统
由于机组的负荷会改变,控制对象的动态特性也随之而变,为了在较大的负荷变化范围内都具备较高的控制品质,在大型机组的蒸汽温度控制中,可充分利用计算机分散控制的优点,将主、副调节器设计成自动随着负荷的变化不断地修改整定参数的调节器,上述蒸汽温度控制系统就是如此。
2.2.2过热器二级减温控制系统
过热器二级减温控制系统的原理简图如图2-4所示。
该系统与一级减温控制系统的结构基本相同,不同之处在于:
主、副调节器输入的偏差信号不同,采用的前馈信号也不同。
二级减温控制系统的主回路的被控量为二级过热器的出口蒸汽温度,该蒸汽温度与主回路的给定值进行比较,形成二级过热器出口蒸汽温度偏差信号,主回路的给定值由运行人员手动设定,对于300MW机组在正常负荷时,给定值一般为540℃。
副回路的被控量为二级减温器出口蒸汽温度,其温度的测量值送入副回路与其给定值比较,形成二级减温器出口蒸汽温度的偏差信号。
副回路给定值是上主回路控制器的输出与前馈信号叠加而形成的。
二级减温控制的主回路前馈信号采用了基于焓值计算的较为完善的方案。
其前馈信号有主蒸汽温度和压力的给定值的函数,还有主蒸汽流量代表机组负荷以及送风量、燃烧器火嘴摆动倾角等。
图2-4过热器二级减温控制系统
除了以上内容外,二级减温控制系统的其他部分以及工作原理与一级减温控制系统完全相同。
由于二级过热器蒸汽温度控制是锅炉出口蒸汽温度的最后一道控制手段,为了保证汽轮机的安全运行,要求尽可能提高锅炉出口蒸汽温度的调节品质。
因此本次设计主要是对二级减温控制系统的设计,使机组在不同负荷下维持锅炉二级减温器入口和二级减温器出口的蒸汽温度为设定值。
2.3过热蒸汽温度控制对象的动静态特性
2.3.1静态特性
1.锅炉负荷与过热汽温的关系
对于对流式过热器来说,当锅炉的负荷增加时,会使出口汽温的稳态值升高;辐射式过热器则具有相反的汽温特性,即当锅炉的负荷增加时,会使出口汽温的稳态值降低。
如果两种过热器串联配合,可以取得较平坦的汽温特性。
2.过剩空气系数与过热汽温的静态关系
过剩空气量改变时,燃烧生成的烟气量改变,因而所有对流受热面吸热随之改变,而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。
因此,当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。
3.给水温度与汽温关系
提高给水的温度,将使过热汽温下降,这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了,流过过热器烟气也就减少了。
也可以认为:
提高给水温度后,在相同燃料下,锅炉的蒸发量增加了,因此过热汽温将下降。
则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大,这对过热汽温有显著的影响。
4.燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系
在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温,因而也会影响过热汽温,火焰中心相对提高时,过热汽温将升高。
2.3.2动态特性
目前,单元机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。
影响汽温变化的因素很多,但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。
在各种扰动下,汽温控制对象是有延迟、惯性和自平衡能力的[4]。
1.蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性
引起蒸汽流量扰动的原因有两个:
一是蒸汽母管的压力变化;二是汽轮机
调节阀的开度变化。
当锅炉负荷扰动时,蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变,从而改变过热器的对流放热系数,使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变,因而汽温反应较快。
其传递函数可以表示为:
(2-1)
式中:
KD—锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数;
一负荷扰动后对象的滞后时间;
TD—对象的时间常数。
从阶跃响应曲线可知,其特点是:
有延迟、有惯性、有自平衡能力,但其延迟和惯性都比较小,即时间常数和滞后时间都比较小,且较小。
动态特性曲线如图2-5(a)所示。
(a)蒸汽量D或烟气传热量Q扰动(b)减温水WS扰动
图2-5在扰动下温度的变化曲线
2.烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性
当燃料量、送风量或煤种等发生变化时,都会引起烟气流速和烟气温度的变化,导致过热器出口温度的变化。
烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2-5(a)所示。
它与蒸汽量扰动下的情况类似。
烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度,故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象,其传递函数可表示为一个二阶系统,见式(2-2)
(2-2)
式中:
为烟气温度
但对象特征总的特点是:
有迟延,有惯性,有自平衡能力,其动态特性曲
线如图2-5(a)所示。
3.蒸汽温度在减温水量扰
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