超临界机组协调控制系统的分析与设计毕业设计(编辑修改稿)

超临界机组协调控制系统的分析与设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

说，各子控制系统均相当于伺服系统或随动系统。 要实现机组协调控制，首先必须使锅炉、汽轮机子系统运行正常，也就是说要提南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 8 页 高基础自动化水平。 协调控制系统的基本策略 从不同的观察角度，协调控制系统的划分不尽相同。 但最常用的有两种： 按系统结构划分，主要有以锅炉跟随为基础的协调控制系统、以汽机跟随为基础的协调控制系统和汽机机炉协调控制系统； 按能量平衡关系，主要有间接能量平衡系统（ IEB）和直接能 量平衡系统（ DEB）。 一、以锅炉跟随为基础的协调控制系统 这种协调控制系统是在锅炉跟随控制系统基础上增加相应的环节形成的，原理如图 23 所示： 图 23 以锅炉跟随为基础的协调控制系统 正常运行时汽轮机侧闭环调功、锅炉侧闭环调压 +ULD 前馈。 图中， F(t)一般为超前 滞后环节，它一方面使燃烧率指令 B 随给定功率变化而没有迟延，另一方面对给定功率的微分超前调节作用，有利于改善锅炉对功率的响应特性。 环节 F(x)为带有死区的非线性环节有利于提高协调控制系统的稳定性。 若负荷变化速度过快或燃料扰动过大，造成机前压力偏差超过 F(x)的不灵敏区Δ 时，汽轮机侧即由调功率转入压力拉回方式，确保压力波动在规定的死区范围之内。 死区的大小决定了蓄能的利用，兼顾负荷适应性与运行稳定性，斜率的选择取决于压力偏差动态校正的速度。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 9 页 二、以汽机跟随为基础的协调控制系统 这种协调控制系统在汽机跟随控制方式的基础上，允许汽压在一定范围内波动，原理方框图如图 24 所示。 图 24 以汽机跟随为基础的协调控制系统 汽轮机侧同时闭环调压调功 +ULD 前馈、锅炉侧闭环调功 +ULD 前馈。 为了克服单纯汽轮机跟随 控制方式时负荷响应慢及功率波动大的缺点，在汽轮机侧同时加入了功率偏差信号，分析入下： （ 1）外扰时的蓄能应用功率指令同时送机、炉两侧，合理利用锅炉蓄能，提高了机组的负荷响应。 汽轮机侧 PI 调节器输入为   TPNULDKP  )(s ，可理解为负荷变化（增加）时，动态改变（降低）了压力定值，以放出蓄能。 功差项 )( NULDK  就是加负荷时压力定值的动态降低量。 若负荷变化超过规定，对 )( NULDK  信号设置有 F(x)予以限制，以免机前压力偏差 超过允许范围。 F(x)模块的斜率 K，就是一个外扰动态过程锅炉蓄能利用程度参数。 （ 2）内扰时扰动单向补偿设计交叉环节 F(x)，使之满足)(W )(WK(s) NBPB ss 则理论上基本消除了炉对机的影响，实际中一般取NBPBKKK 这样，燃料扰动（增加）时，功率信号（增加）抑制了汽轮机控制回路由于机前压力（增加）要开大阀门的动作，减少了功率的波动，有利于系统的稳定。 实际系统中，考虑到机组各种运行工况及辅机情况，一般设计有多种运行方式，并具有无扰切换功南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 10 页 能。 三、机炉协调 控制方式 机炉协调控制方式最早是在 20世纪 50 年代提出的，但其是在 60 年代末，随着电动液压控制的发展而得到应用。 不管是炉跟随还是机跟随控制方式，都是采取机炉分工、先后动作的配合方式，而对于变动负荷的机组负荷控制，必须遵循负荷协调控制原则的协调控制方式。 当外界负荷发生变化时，负荷指令同时送到机、炉主控制器，对汽轮机和锅炉发出负荷控制指令，改变汽轮机的进汽量和锅炉的燃烧率，利用锅炉的蓄能快速响应负荷需求，同时通过改变燃烧率从而改变进入锅炉的能量，保持机组输入能量与输出能量的平衡。 同样，当主蒸汽压力产生偏差时，机 、炉主控制器同时接受指令信号对汽轮机和锅炉进行操作，一方面改变锅炉的燃烧率，补偿蓄能的变化，另一方面适当改变汽轮机的进汽门的开度，控制蒸汽流量，维持主汽压力的稳定。 其原理图如图25 所示。 图 25 单元机组机炉协调控制方式 超临界机组协调控制系统的特点 由于不存在汽包的缓冲，超临界直流锅炉的热水段、蒸发段和过热段之间没有固定界限，水汽转换一次性完成，所以具有很多与亚临界汽包锅炉不一样的对象特性 ，而这些特性与机组的运行方式及控制策略密切相关。 在分析和研究超临界机组的控制策略之前，我们首先需要分析和研究超临界机组的对象特性。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 一、超临界机组的特点 6 超临界参数锅炉与亚临界汽包锅炉在自动控制方面有所不同 ,其原因是直流锅炉与汽包锅炉之间的差别。 超临界参数锅炉是指过热器出口主蒸汽压力超过 MPa,理论上认为 ,在水的状态参数达到临界点时 ,水的汽化会在一瞬间完成 ,即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在 ,也就是说二者的各项参数不再有区 别。 由于在临界参数下汽水密度相等 ,在超临界压力下无法维持自然循环 ,因此超临界锅炉必须是直流锅炉。 随着锅炉朝着大容量参数的方向发展 ,超临界机组日益显示其诸多优点 ,不仅煤耗大大降低 ,排污量也相应减少 ,经济效益十分明显。 超临界机组与亚临界汽包锅炉结构和工艺过程有着显著不同 ,其控制具有如下一些特点： （ 1）机组启动系统首先要建立启动压力和启动流量 ,保证给水能连续通过省煤器和水冷壁 ,尤其要保证水冷壁能足够冷却和水动力的稳定性。 同时 ,系统回收锅炉启动初期排出的热水、汽水混合物、饱和蒸汽以及过热度不足的过热蒸汽 ,以实现工 质和热量的回收。 （ 2）超临界直流炉没有汽包环节 ,给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的 ,随着运行工况不同 ,锅炉将运行在亚临界或超临界压力下 ,蒸发点会自发地在一个或多个加热区段内移动 ,汽水之间没有一个明确的分界点。 这要求控制系统更为严格保持各种比值的关系 (如给水量 /蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量 /给水量等 )。 （ 3）由于没有储能作用的汽包环节 ,锅炉的蓄能显著减小 ,负荷调节的灵敏性好 ,可实现快速启停和调节负荷 ,但汽压对负荷变动反映灵敏 ,变负荷性能差 ,汽压维持比较困难。 （ 4）直流炉由于汽水是一次完成 的 ,因而不象汽包炉那样。 汽包在运行中除作为汽水分离器外 ,还作为燃水比失调的缓冲器。 当燃水比失去平衡时 ,利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系 ,以保持各段受热面积不变。 这使得直流炉汽机与锅炉之间具有强烈的耦合特性 ,整个受控对象是一多输入多输出的多变量系统。 （ 5）强烈的非线性是超临界机组又一主要特征。 超临界机组采用超临界参数的蒸汽，其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，运行压力 1025 MPa 之间。 超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 况下，在亚临界运行工况给水具有加热 段、蒸发段与过热段三大部分，在超临界运行工况汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽，因此超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性，超临界机组是一种特性复杂多变的被控对象，随着机组负荷的变化，机组的动态特性参数亦随之大幅度变化。 如燃水比调节的温度对象，在负荷变化 50～ 100％范围内，增益变化达 5～ 6倍，时间常数的变化也有 3 倍左右。 由于超临界直流炉的强非线性，常规的控制策略难以达到良好的控制效果。 因此需要大量采用变参数 PID，变结构控制策略，以保证在各个负荷点上控制系统具有良好的效果。 发展超临界机 组已成为我国电力行业的主要方向之一。 大容量超临界机组具有运行经济性高、负荷适应性强的特点 ,是我国未来大型火电机组的发展方向。 二、超临界机组的动态特性： 超临界直流锅炉对象特性的变化体现在汽水系统中，而制粉系统、风烟系统、汽轮机调门、汽轮机动态环节同汽包锅炉是一致的。 当风烟系统特性忽略后，仍然可以将超临界直流炉划分为制粉环节和锅炉核心环节，只不过锅炉核心环节是三入三出的。 各种扰动下输出的响应曲线如图 26 所示。 1．汽轮机调门开度阶跃增加扰动 在汽轮机调门开度阶跃增加扰动下，各个输出变量变化为：机前压力降低导致锅炉蓄热释放，机组负荷增加，由于燃料量和给水流量没有变化，锅炉释放出蓄热后，经过一段时间后机组负荷恢复到原来的水平；机前压力随着锅炉蓄热的释放逐渐降低最后稳定；中间点温度在蒸汽流量增加后略微降低，由于燃料量和给水流量没有变化，随着蒸汽流量恢复回升到原来的水平。 2．燃料量阶跃增加扰动 在燃料量阶跃增加扰动下，各个输出变量变化为：锅炉各个受热面吸热增加，导致附加蒸发量增加，机组负荷上升，由于给水流量没有增加，在附加蒸发量蒸发完毕后，蒸汽流量开始降低，过热汽温上升，减温水系统增加喷入减温水流量以维持过热汽温 ，实际蒸汽量增加，机组负荷增加到与燃料量相对应的水平；由于蒸汽量增加而汽轮机调门开度不变，机前压力上升至一定水平；由于燃水比增加，蒸发段提前，中间点温度上升至一定水平。 3．给水流量阶跃增加扰动 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 在给水流量阶跃增加扰动下，各个输出变量变化为：给水流量增加导致附加蒸发量增加，机组负荷先上升，由于过热段吸热减少导致过热蒸汽温度下降，减温水系统减少喷入减温水流量以维持过热汽温，最终使负荷恢复到原来水平；同样由于附加蒸发量增加，使机前压力先增加，由于减温水流量减少，最终恢复到原来水平；由于燃水比减小，蒸发段延后，中 间点温度下降至一定水平。 (a)汽轮机调门开度扰动； (b)然料量扰动； (c)给水流量扰动 图 26 超临界直流锅炉动态特性曲线 三、超临界机组协调控制特点 1．机、炉控制耦合 汽轮机和锅炉之间的非线性耦合是超临界机组难点之一，常规的控制系统难以达到好的控制效果。 由于直流锅炉在汽水流程上的一次性循环特性，没有汽包等参数集中的储能元件，在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热，根据水、湿蒸汽与过热蒸汽物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大部分，在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而变化，从而导致了功率、压力、温度的变化。 另外，由于没有汽包的缓冲，超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比汽包式锅炉大。 主汽阀开度一方面控制汽轮机功率，一方南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 面改变了锅炉的被控特性，这和汽包锅炉的情况不同。 例如当汽轮机负荷增加时，汽轮机功率调节器会增大汽机主蒸汽阀开度，增大汽轮机进汽量，由于锅炉的响应速度较慢，无法及时产生足够蒸汽，从而使机前压力降低，阻碍了汽轮机进汽量进一步增大。 为了获得更多进汽量以满足负荷需求，汽轮机功率调节器会进一步开大调节汽门，导致机前压 力进一步降低，最终形成恶性循环。 对于汽包锅炉，由于汽包的蓄热较大，可利用汽包的蓄热满足汽轮机超调的需求，使主汽压力不致产生过大波动。 对采用直流锅炉的超临界机组而言，由于锅炉的蓄热相对较小，难以按足汽轮机的需求，从而使主汽压力大幅度变化，降低了控制质量。 直流锅炉汽水一次性循环特性，使超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比锅筒式锅炉大。 当汽机主汽阀开度发生变化，影响了机组的功率 ,同时也直接影响了锅炉出口末端阻力特性 ,改变了锅炉的被控特性 ,由于没有汽包的缓冲，汽机侧对直流锅炉的影响 远大于对汽包锅炉的影响。 其特性不但影响了锅炉的出口压力，而且由于压力的变化引起了给水流量的变化，延长了锅炉侧汽水流程的加热段，导致了温度的变化。 、温度、功率的影响 燃料发生变化时，由于加热段和蒸发段缩短，锅炉储水量减少，在燃烧率扰动后经过一个较短的延迟蒸汽量会向增加的方向变化，当燃烧率增加时，一开始由于加热段蒸发段的缩短而使蒸发量增加，也使压力、功率、温度增加。 、温度、功率的影响 当给水流量扰动时，由于加热段、蒸发段延长而推出一部分蒸汽，因此开始压力和功率是增加的 ，但由于过热段缩短使汽温下降，最后虽然蒸汽流量增加但压力和功率还是下降，汽温经过一段时间的延迟后单调下降，最后稳定在一个较低的温度上。 在直流锅炉中，压力控制是最重要的被控对象，因为压力的变化不仅影响机组负荷的变化，还会影响给水流量的变化，从而导致对温度的影响。 从上面的分析可以看出，直流锅炉的一次循环特性，使机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量的影响。 从而也说明直流锅南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 炉是一个三输入 /三输出相互耦合关联极强的被控特性。 2．非线性特性强 超临界机组 采用超临界参数的蒸汽 ,其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，压力运行在 10MPa~。 超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下。 在亚临界运行工况下，给水具有加热段、蒸发段与过热段三大部分；而在超临界运行工况下，由于汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽。 由于超临界和亚临界区工质物性的巨大差异，以及不同燃烧率下锅炉蒸发段（或相变点）位置的迁移等因素的影响，机组的动态特性参数也大幅度变化，使超临界机组呈现很强的非线性特性和变参数特性。 因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具 有完全不同的控制特性，是复杂多变的被控对象，远比常规的亚临界机组难于控制。 3．燃水比难于控制 超临界机组控制的重点在于锅炉的燃水比调节。 由于燃水比变化时出口。