超超临界火电机组燃烧控制系统设计

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毕业论文（设计）题目：超超临界火电机组燃烧控制系统设计

姓名林逸君

学号201100170220

学院控制科学与工程学院

专业测控技术与仪器

年级 2011级

指导教师刘红波

2015年 5 月 10 日

目录

摘要 (3)

ABSTRACT (4)

第一章绪论 (5)

1.1课题背景及意义 (5)

1.2 超超临界火电机组控制技术应用现状 (5)

1.3 毕业设计主要内容 (5)

第二章超超临界火电机组燃烧控制系统概述 (6)

2.1 机组工艺流程简述 (6)

2.2 机组燃烧过程控制系统任务 (7)

2.3 机组燃烧过程控制系统组成与特点 (8)

第三章超超临界火电机组燃烧控制方案设计 (9)

3.1常规控制方案 (9)

3.2改进控制方案 (10)

第四章控制方案仿真验证 (10)

4.1 MATLAB简介 (11)

4.2 控制方案的Simulink仿真验证............................... 错误！未定义书签。结论. (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

附录

附录1 Controller design for a 1000 MWultra super critical once-through boiler power plant

附录2 文献翻译

摘要

随着科学技术的进步，传统电厂的工作方式正在发生着革新，超超临界电厂得到了越来越广泛的应用。相比于传统电厂，超超临界电厂主要区别在于提高了锅炉内的工质，一般为水的压力，来提高电厂的发电效率。本文通过对电厂燃烧过程控制系统的改进来减少电厂控制变量之间的相互干扰，从而进一步提高电厂的发电效率。首先，根据电厂的工作原理分析出电厂各控制变量与各被控量之间的相互关系，建立电厂的简化数学模型。之后，根据各变量之间的相互作用关系采取PID增益控制、解耦等方式提出改进的控制方案。然后，根据从网上搜集到的超超临界电厂在实际工况下所采集到的数据完成数学模型的数据输入工作。最后，通过MATLAB下的Simulink工具箱对数学模型进行仿真实验，得出电厂输出量的波形图，通过对比研究改进后的控制方案的实际运行成果。

关键词：超超临界电厂, 燃烧过程控制系统, 数学模型, MATLAB, Simulink仿真

ABSTRACT

With the progress of science and technology, 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 generating 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 to 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. 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 out 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

第一章绪论

1.1课题背景及意义

近年来，随着更多高性能材料的投入与设备制造技术的不断提高，以提高主蒸汽参数为目标的超超临界火力发电机组在世界范围内得到了越来越广泛的关注。从世界范围看，自二十世纪五十年代开始，以美国为首的世界发达国家开始了超临界机组的研究与应用。1957年，世界上第一台超临界机组在美国落成运行。到了二十世纪九十年代，超临界机组技术基本发展成熟，欧美日等发达国家开始着手研究超超临界机组技术。到了2000年前后，其首台超超临界机组基本开始投入运营。在国内，从上世纪八十年代末期，我国从国外购进了16台大容量超临界机组，在生产实践中对超临界技术有了一定的掌握。进入二十一世纪以后，通过对国外先进技术的不断借鉴研究，我国如今正逐步完成从常规300MW、600MW的亚临界机组到600MW、1000MW的超临界、超超临界机组的过渡。本文主要研究的就是超超临界火电机组中的燃烧系统控制，以提高机组的热效率为途径，达到提高发电效率，节约能源的目的。

1.2超超临界火电机组控制技术应用现状

国外的超超临界机组技术从二十一世纪初开始便已比较完善，国内的相关技术虽然起步比较晚，但通过进口大型机组等方式研究掌握了部分世界上的先进技术。在研究的早期，由于资金的紧缺与国际上对于超超临界先进技术的垄断，国内的研究机构与高等院校虽然虽然在一些小型工业装置上取得了一定的成果，但对于大规模的实用性机组一直没能攻破技术难关。如今，在国内几大能源巨头企业的牵头下，国内积极引进世界先进技术，结合国内以煤炭为主要能源的背景，努力把发电效率提高到45%左右的水平，紧跟世界上43%～47%净效率的超临界、超超临界发电机组。截止到2009年，我国已有23台超超临界机组投产，其中1000MW级13台，600MW级10台，占火电装机容量的18%。另外，还有一批超超临界机组正在建设。超超临界机组将成为今后火电机组发展的重点方向。

1.3 毕业设计主要内容

本论文主要对超超临界火电机组的工作原理和对象特性进行介绍和分析，在分析了超超临界火电机组的各种控制要求和影响因素的基础上，总结和归纳出系统的主要控制目标，并根据控制目标建立机组燃烧系统比较符合实际的数学模型。并对超超临界火电机组燃烧系统常规控制系统的设计方法进行介绍和分析，提出改进的过程控制方案。设计好此方案后，采用MATLAB属下的Simulink集成化仿真软件验证所设计控制方案的有效性。

第二章超超临界火电机组燃烧控制系统概述

2.1 机组工艺流程简述

图1为一间典型的1000MW超超临界锅炉电厂的构成框图。

图1 1000MW超超临界电厂构成

这间电厂使用了三个省煤器来控制经由给水系统进入锅炉的水的温度达到预设值。用了两台鼓风机和两台主风机来为空气预热器提供空气。空气预热器把加热完毕的热空气输入研磨机、燃烧器和锅炉中。而主风机也把冷空气输入研磨机中。燃料（煤）通过研磨机研磨成粉末，再从燃烧器燃烧后将热量输入到锅炉当中。通过控制两台引风机把炉内压力控制在预设值。水冷壁成垂直螺旋形包围锅炉。锅炉所输出的烟气分别通过过热器、再热器、节约装置和空气预热器作用于锅炉内各需要热量的装置中，以锅炉内提高蒸汽、水和空气的温度。在锅炉的顶部有一个分离器，其主要作用为给主过热器提供高压蒸汽以及减少蒸汽中的杂质。过热器由4部分组成，分别是主过热器、分级过热器、屏式过热器和末级过热器。蒸汽在经过高压涡轮后被再热器系统的主再热器和末级再热器重新加热。最后，蒸汽输入一个由高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮三部分组成的复合三重涡轮机中，推动涡轮的运转，生成电力。

超超临界机组的燃烧控制系统主要包括研磨系统、燃烧器等各子系统的的控制，燃烧系统推动了锅炉内主要设备的运行，其由给煤机、磨煤机、轻油系统、三大风机、实现燃烧的炉膛等组成。燃烧控制系统对这些设备的运行进行有效的控制，是锅炉安全经济运行的保证。

2.2机组燃烧过程控制系统任务

锅炉燃烧过程实际上是把燃料内的化学能通过燃烧进行能量释放的过程。一间典型的超超临界电厂的基本工作原理是用燃烧燃料所释放的热量对电厂的给水进行加热形成水蒸汽，水蒸汽推动汽轮机做工实现发电。可见，燃料的燃烧过程是实现能量转换的关键一步。

燃烧控制系统的基本任务是保证燃料燃烧提供的热量和蒸汽负荷需求的能量相平衡，同时保证锅炉安全经济地运行。一台超超临界机组的具体燃烧控制任务，受该机组锅炉的运行方式、燃料种类、燃烧设备等因素影响，因此所需的控制方案不尽相同。但就一般来说，机组燃烧控制系统的控制任务可概括为以下几点：

（1）满足机组负荷需求，维持主汽压在允许范围

机组靠燃料燃烧提供能量输入，所以燃烧控制系统响应协调控制系统的负荷指令所需的时间越短越好。机组主汽压的变化是对锅炉与汽轮机之间的能量需求平衡关系的反映。维持主汽压在一定范围内变化，就保证了热量供给与蒸汽负荷的平衡。通过对进入炉膛的燃料量的控制来控制主汽压的数值，是满足机组能量平衡的主要控制手段。

（2）保证燃烧过程的经济性，减少对环境的污染

在保证锅炉、汽轮机能量需求平衡的前提下，燃烧控制系统的另一任务就是提高燃烧的经济效益，减少环境污染。即在改变燃料量的同时，及时对送风量进行控制，保证充分燃烧，提高燃料的燃烧率，尽量令燃料得到充分地燃烧。烟气的含氧量系数α是衡量燃烧经济程度的一种指标。根据不同的燃料，α有一个相应的最高效率区。当α过大时，炉膛温度降低，排烟损失增大。当α过小时，燃料不能充分燃烧，导致燃料的浪费。所以，经测量计算实验等手段后得出α的最佳值，并推算出对应其所需的同时输入空气与燃料的风煤比例。保持合适的风煤比例是保证经济燃烧并减少污染的基本措施。锅炉运行中仍然存在很多其他不确定因素，如测量信号不准确、燃料品质变化、锅炉负荷变化等，因此仅采用控制送风量和煤的比例是不够的。烟气中各成分如O2、CO、CO2等也上可以反映燃料燃烧的情况，但对燃料燃烧率影响的反映不如α那么明显。因此，α常用来作为一种直接衡量经济燃烧的指标，用含氧量信号对风煤比例控制加以校正。至于其他变化可以看作扰动，在系统的设计中设法消除。

（3）维持炉膛压力稳定

电站锅炉燃烧过程基本都为负压运行方式，维持炉膛负压的主要目的是保证运行人员和设备安全。

若炉膛出现正压时，炉内火焰和烟气会从炉膛内喷出，不仅危及运行人员和设备安全，还会污染环境。若炉膛负压过大时，又会造成大量冷空气进入炉膛，

影响燃烧的经济性。因此，需要将炉膛内的压力维持在一个安全稳定的区间。一般采用引风量来控制炉膛压力,维持炉膛压力在一个稳定值。

锅炉燃烧控制的三项主要任务间既有联系，又有一定的独立性。

2.3机组燃烧过程控制系统组成与特点

燃烧过程控制系统的组成与许多因素有关，例如锅炉的运行方式、锅炉结构形式、制粉系统及磨煤机的类别等。但无论哪种情况，燃烧控制系统的组成应符合一个总原则，即当控制变量发生变化时，燃料量、送风量及给水量应同时相应地成比例改变，以迅速适应符合改变的要求，令燃烧系统重新回归稳态，同时维持主汽压、过剩空气系数、炉膛负压稳定在安全范围之内，不至于偏离其给定值过大。稳态时，保持各被调量等于其给定值。当某调节量出现自发性变化时，应能迅速消除其带来的一系列不利影响，将系统的波动对系统产生的影响降低。

因此，燃烧过程控制系统一般分为三个子系统，分别为：燃料量控制系统、送风量控制系统、给水量控制系统。这三个系统分别对应燃烧调节对象的三个控制变量（燃料量B、送风量V、给水量W）和三个被控量（主蒸汽压力P t、烟气含氧量系数α、微过热蒸汽温度T）。具体关系如图2所示。

图2 燃烧过程控制子系统

当然，三个控制变量和三个被控量之间还有其他多种组合方式，但图2中的组合方式最为常见。

从燃烧控制系统的组成中我们可以总结出它的几个特点：

（1）由于超超临界机组中的锅炉是一个多输入、多输出的被控对象，所以，在不同的运行情况下，其加热部分、蒸发部分和过热部分之间的界限不是一成不变的，有些情况下，这个界限甚至会发生连续的波动。因此，为了保持机组运行状态下锅炉中各部分的温度、湿度等参数维持在规定的范围以内，要求燃烧控制系统严格保持其三大子系统之间的平衡关系。这种平衡不仅要再稳态的情况下，在动态的情况下更应如此。

（2）由于如今为了提高机组的发电效率，以应对国内越来越重的用电需求，对机组在控制循环过程中的控制速度要求越来越高，控制系统必须快速对各变量产生的变化做出相应的反应，比以前更加具有实时性。换句话说，控

制要求的响应时间必须越来越短。

（3）由于超超临界机组一般为直流机组，所以燃烧系统的三大子系统之间相互关联性比较强，所以在控制某一个控制变量的改变时，除了关注其对应的被控量变化，还需要留意其对其他被控量的影响。在之后的燃烧过程控制系统设计中需要留意通过对各控制变量之间的解耦等办法来减少个控制

变量之间的相互干扰。

综上所述，超超临界机组燃烧控制系统相较于传统燃烧控制系统具有控制过程稳定安全、系统实时性高、响应速度快、耦合性强等特点。

第三章超超临界火电机组燃烧控制方案设计

3.1常规控制方案

由上文可知，燃烧控制系统可看作一个三输入三输出的多变量调节系统。但是，由于汽机阀门开度对中间点温度的影响很小，可以忽略其影响。因此，系统可以看成为一个主要研究锅炉燃水比的控制系统，从而简化为一个双输入双输出的模型，建模后如图3所示。

图3 锅炉燃水比控制框图

图中W为给水量，B为燃料量，T为微过热蒸汽温度，P T为主蒸汽压力。

此为一个典型电厂燃烧控制系统，但由图可见，这是一个典型的双输入双输出开环系统，两个输入量W、B会互相影响，相互干扰，从而引起输出量的偏差，而且系统没有考虑到输出量的反馈干扰能力，抗干扰能力也不是十分好。此系统长久运行下去不仅影响电厂的发电效率，还可能造成安全事故，与超超临界机组

对响应速度和响应质量的要求不符，因此需要对此系统进行改进。

3.2改进控制方案

由于两个输入量间稳态关联比较严重，且动态特性相近，所以需要采用解耦的办法来减少它们之间的关联。本文采用前馈补偿法对系统进行解耦，具体的控制框图如图4所示。

图4 改进的燃烧控制系统

G c1(s)和G c2(s)为两个PID调节函数，将两系统进行闭环处理，通过PID控制器将两个输入量的误差调节到允许的范围，同时减少从输出量方向反馈的干扰对系统后续部分的影响，调节后的输入量分别为W’和B’。随后，通过前馈解耦使T与B’无关联，P T与W’无关联，从而减少两输入量之间的相互干扰现象。

改进后的控制系统通过前馈解耦减少了两个输入量之间的相互干扰，对在输出端造成的扰动对输入量的反馈干扰效果也能很好的预防和减弱，从而减少的系统的误差。因此，由于输出数据的前期波动程度较弱，波动时间较短，系统的响应时间得以提高。在系统开机时，能很快达到稳定的输出状态，当干扰来临时，系统的自我调节能力也大大提高了，从而令机组的工作效率提高了。

前几年在江苏落成的国电泰州电厂使用的是典型的1000MW超超临界机组，通过从网上查阅相关资料后，使用其在80%负荷的工况下的现场运行数据进行研究。将相关数据输入MATLAB并化简后，得出在80%负荷工况下控制系统的动态模型传递函数为：

（3-1）

另外根据相关知识：

(3-2)

第四章 控制方案仿真验证

4.1 MATLAB 简介

MATLAB 是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，也是国内外高校和研究部门进行科学研究的重要工具。在设计研究单位和工业部门，MATLAB 被广泛应用于科学研究、函数计算和解决各种具体问题。对于广大的工科类大学生来说，熟悉MATLAB ，掌握MATLAB 的基本应用方法并能够用MATLAB 来解决本专业的问题，是非常有意义的。在本人大学四年的本科学习中也曾有多次涉及MATLAB 及其相关软件的学习任务。

MATLAB 是由美国The MathWorks 公司于1984年推出的一种科学工程计算语言，它被广泛运用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术等各种技术类行业和领域。发展到今年，MATLAB 作为同类软件中的龙头，有其独树一帜的优势和特点。

（1） 简单易用的程序语言。尽管MATLAB 是一门编程语言，但与其他语言（如

C 语言）相比，其不需要定义变量和数组，所以人机协调程度更好，使用更加方便，并具有灵活性和智能化的特点。用户只要具有一般的计算机语言基础，就可以很快掌握它。

（2） 代码短小高效。MATLAB 程序设计语言集成度高，语言简洁。对于用C/C++

等语言编写的数百条语句，若使用MATLAB 编写，则只需几条或几十条就

22

2121111212;G G D G G D -=-=

能解决问题，因此用户并不需要话费大量时间死记上百种指令语句，就可以轻松地编出一条完胜的程序。而且程序可靠性高，易于维护，可以大大提高解决问题的效率与水平。

（3）功能丰富，可扩展性强。MATLAB软件包括基本部分和专业扩展部分。基本部分包括矩阵运算、各种变换、代数求解等满足各种一般科学计算的需要的功能。专业扩展部分用于解决某一领域的专业问题。MATLAB大量的

实用功能可以满足各种不同的专业研究方向和工程需求的用户。

（4）出色的图形处理能力。MATLAB提供了丰富的图形表达函数，可以奖实验数据和计算结果以图形的形式表示出来，并可以绘制各种难以表达的函数曲线。使用户只需要简单地输入函数的表达式即可方便快捷地获得函数的图像。

（5）强大的系统仿真功能。应用MATLAB属下的Simulink软件包提供面向框图的建模与仿真功能，用户即使不编程，也可以直接很容易地构建系统的仿真模型，准确地进行仿真分析。这让一些对编程并不十分熟悉的用户也可以只通过使用运用选择拖动来完成相应数学模型的建立。作为MATLAB属

下一项非常重要的功能，Simulink的出现为MATLAB的应用拓宽了空间。

下面，本文要在Simulink工作环境下对上文提出的超超临界机组燃烧过程控制模型进行仿真。

4.2控制方案的Simulink仿真验证

首先，在Simulink环境下完成对图3的建模，如图5所示。

图5 一般的燃烧控制系统的Simulink仿真

将式（3-1）中的数据输入Simulink中，运行后可从示波器中得到T和P T

的波形图，分别为图6、图7所示。

图6一般燃烧系统微过热蒸汽温度（T）输出波形

图7 一般燃烧系统主蒸汽压力（PT）输出波形随后，在Simulink环境下完成对图4的建模，如图8所示。

图8 改进的燃烧控制系统的Simulink仿真

输入信号选用两个单位阶跃信号，根据运算可以求出，PID控制器1的比例，PID控制器2的比例增益为-50.93；两控制器的积分系数分别为

；两控制器的微分系数可忽略不计。

3-1）进行最小二乘法拟合，得出相应的一阶加纯滞后模型。原对象为式（4-1），拟合模型为式（4-2）

（4-1）

（4-2）

将式（4-2）所计算出的数据代入式（3-2）中，可以算出D12和D21，输入数学模型中。

运行Simulink，在示波器中得出的T和P T波形图分别如图9、图10所示。

图9 改进燃烧系统微过热蒸汽温度（T）输出波形

图10 改进燃烧系统主蒸汽压力（P T）输出波形

结论

将图6与图9，图7与图10分别对比后可以发现，以下几点：

一、改进后的燃烧控制系统两输出量的振荡时间变短了，这说明系统改进后

响应时间更短。

二、改进后的燃烧控制系统两输出量稳定后的输出量比改进前更加接近理想

的输出值，这说明了通过将系统闭环并增加PID控制后系统的误差减少了。

三、改进后的系统超调量有大幅度的减少，这说明系统的抗干扰能力增加了。

综上所述，改进后的燃烧控制系统对比起改进前的系统更加快速稳定，符合超超临界机组对于燃烧系统控制的基本要求，适合在超机组的实际运行中普及。

致谢

这篇论文是本人在刘红波老师的悉心指导下完成的，对于刘老师在繁忙的研究与授课任务中仍然抽出时间来指导我的论文写作，本人在此表示最衷心的感谢与最崇高的敬意。超超临界机组在国内仍属于高新技术领域，刚接触这个论文题目时我对这方面所知甚少，然而刘老师已经对这个方面有了数十年的深入研究。在刘老师的耐心引导下，我成功地叩开了知识的大门，经过这半年的虚心求索，我对超超临界机组方面已经略有所知，这和刘老师一路上的循循善诱有不可分割的关系。

另外我还需要感谢同组的帅宁、江岳、贺卫东和丁岱铭同学。因为同样属于刘老师辖下的毕业生研究小组，我们所研究的课题相近，在刘老师没空的时间中，我们互相帮助，互通有无，对于我在研究过程中碰到的许多各种各样的问题，他们都一一耐心解答让我可以少走许多弯路。

还有刘老师实验室中的研究生王会卿学姐。由于本文需要用到MATLAB和Simulink的相关专业知识，这在我的本科学习中接触较少，只能询问研究生，而王学姐虽然也有繁重的毕业论文任务，但还是抽出时间示范相关软件的使用方法，对我及时完成论文有很大的帮助。

当然，还有控制学院的老师领导们。在他们严格要求和合理安排了我们的论文写作时间表，对相关资料的整理收集方面也提供给我们很大的便利。因此，我的论文研究一直按部就班地进行着，并没有出现时间安排混乱导致论文质量下降的问题。

在大学的最后时光里遇到了一群良师益友对我来说是一件十分幸运的事。虽然之前学习成绩不是十分好，导致基础较差，但得益于他们论文还是圆满地完成了，希望可以得到老师们的指导釜正。

参考文献

[1]张雨飞，超超临界火电机组热工控制技术，北京：中国电力出版社,2013

[2]姜树君，自动调节系统，北京：水利电力出版社，1988.

[3]薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，北京：机械工业出版社，2005

[4]巨林仓，电厂热工过程控制系统，西安：西安交通大学出版社，2009

[5]张聚，基于MATLAB的控制系统仿真及应用，北京：电子工业出版社，2012

[6]高宇峰，超超临界机组燃水比控制策略研究，北京：华北电力大学硕士学位论文，2010