超临界协调控制

1、 摘要超临界技术在火力发电技术中变得越来越重要，超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力为超临界参数的机组，相比较亚临界技术而言，超临界应用的效率有了大幅度的提高。由于超超临界机组的直流运行特性、变参数的运行方式、多变量的控制特点异于亚临界汽包炉控制，使得其在控制上具有很大的特殊性。由于既要保证对电网负荷变化的快速响应，又要保证机组自身的稳定性，对控制提出了很高的要求。超临界发电技术是一种高效、环保、可靠的发电技术，煤耗低，污染物排污量少；超临界机组协调控制技术是超临界发电技术中的重要一环，与机组的安全、稳定、经济的运行密切相关。 本论文主要研究了超临界机组协调控制系统的特点，运行原理，超临界机组协

2、调控制系统的控制方法。针对具体的超临界机组协调控制系统进行分析。在MATLAB上对某一具体的超临界机组协调控制系统进行仿真分析和研究。通过机组的变负荷扰动实验，表明了优化后的协调控制系统在性能上有了明显的改进，达到了热工控制的要求。关键词：超临界机组；协调控制；仿真分析 第一章 绪论1.1 引言 电力行业是中国经济发展的基石，须符合国民经济发展的需求。伴随着经济的高速发展，用电需求不断增长，火力发电机组承担着主要任务，而如何保证机组安全、稳定和高效运行成为目前的重要课题之一。在燃料和资源缺乏日益突出的情况下，火力发电机组通常采用大容量机组和提高蒸汽参数相结合来提高常规效率、降低单位容量造价。超

3、临界机组作为世界上比较成熟的一项技术，具有热效率高、可靠性好、环保指标先进，可复合变压运行，调峰性能好等优势，特别在燃料价格较高的地方，经济性能更好。 截止2007年底，全国新增装机容量10,009万千瓦，总量达到71,329万千瓦。其中，水电新增1,306.5万千瓦，火电新增8,158.35万千瓦。同时，华能玉环电厂、华电邹县电厂、国电泰州电厂共七台百万千瓦超超临界机组的相继投运，标志着中国已成功掌握世界先进的火力发电技术，电力工业已经开始进入“超超临界”时代。新一代超临界锅炉的技术进步主要表现在：水冷壁、启动系统、燃烧技术、低污染排放、金属材料、消除热偏差等方面1。1.2 选题背景意义 随

4、着电力系统的发展，超临界机组已经成为我国电力行业的主力，由于超临界机组的直流运行特性、变参数的运行方式、多变量的控制特点，因此研究超临界机组协调控制系统，对机组的安全运行和节能降耗有着深远的意义，超临界机组协调控制系统的运行方式和控制策略的研究，更是迫在眉睫。与亚临界机组相比，超临界机组的控制任务与控制系统结构虽大体相同，但由直流炉与汽包炉的运行原理可知，由于被控对象上有较明显差异，超临界机组呈现出不同于汽包炉的直流运行特性、变参数运行方式以及多变量控制等特点，使得直流炉的控制比汽包炉困难，因而使超临界机组的控制难度加大。协调控制系统作为机组控制的重要一环，对其控制水平也提出了更高的要求。1.

5、3国内外发展现状综述1.3.1国内外协调控制方法目前，国内外对锅炉汽轮机单元协调控制的研究多是针对被控对象的某些典型特征展开的。Prasa等人结合递推状态估计、扩展卡尔曼滤波等方法，针对锅炉汽轮机单元的时变特性，提出了基于物理模型的、带非线性约束的预测控制(NPMPC)策略。Chen7人设计了基于LPV模型的增益调度控制策略，该策略同时考虑了执行机构(开关速率、开关幅值等)的约束问题。Tan8等人从提高工业锅炉控制系统鲁棒稳定性和控制算法实用性的角度，应用环路成型风方法设计了多变量鲁棒控制器，并推导出控制器的PID形式。文献在应用相对增益法进行变量配对的基础上，基于自抗扰控制原理，研究了锅炉汽

6、轮机单元的协调控制问题。文献9将柔性控制的思想引入到机炉协调控制的研究中，通过调整机炉间能量供需协调，来提高非标称工况下的协调控制品质。文献10应用多变量解耦方法，针对一个简化的非线性锅炉汽轮机模型，设计了具有PID形式的协调控制器，该控制器的特点是：结构简单、参数整定步骤清晰。一些智能化方法也被用于锅炉汽轮机单元协调控制的研究。文献11将模糊推理和参数自整定技术结合在一起，提出了具有一定适应性的协调控制方案。Abdennour12通过模糊监督策略对被控变量的设定点进行动态优化，目的是减弱负荷变化对系统动态性能的影响。李益国等人提出一种基于T.S模型的模糊内模协调控制方法，该方法将遗传算法用于

7、滤波器参数的寻优。Beheshti13等人把可在线学习的神经网络作为传统固定参数PID控制器的前馈环节，构成新的复合控制结构。林金星14等针对非线性锅炉-汽轮机系统在负荷点大范围变动情况下的协调控制，提出了一种新的免疫优化模糊增益调度H鲁棒控制方法。薛亚丽15等提出了一种基于遗传算法的多变量PID控制器参数优化方法。利用遗传算法提供的通用框架,在控制系统结构和控制器形式确定的情况下对控制参数进行全局优化。目前电厂中广泛应用的控制系统，控制策略方面主要还是古典的PID控制，对于智能控制和现代控制以及相关的一些复合控制策略应用比较少见。而且一些控制方法的研究大多限于理论研究阶段，应用于实际电力生产

8、过程中的并不多。1.3.2超临界机组技术的发展超临界机组直流锅炉由本生提出，并在1919年形成专利方案。1923年德国西门子公司建成了世界上第一台超临界的实验性机组，为以后超临界技术奠定了基础4。目前超临界机组最大单机容量为瑞士公司研制的1300MW超临界机组，而超临界机组最高效率已超过49%。世界上主要国家中，很多国家的超临界机组已占到其火电总装机容量的50%以上，如美国、俄罗斯和日本。欧洲的超临界机组技术也处于世界先进水平，并有其独特的方面。目前，美国投运的超临界机组大约为170台，其中燃煤机组70%以上。前苏联300MW及以上容量机组全部采用超临界参数。至1988年已有近200台超临界机

9、投入运行，全国35%电力由超临界机组供给。日本的超临界机组共有100多台，总容量为超过5760万千瓦，占火电机组容量的61%，45万千瓦及以上的机组全部采用超临界参数，而且在提高参数方面做了很多工作，最高压力为31MPa，最高温度已达到600/600C。丹麦史密斯公司研究开发的前2台超超临界机组，容量为400MW，过热蒸汽出口压力为29MPa，二次中间再热、过热蒸汽和再热汽温为582/580/580，机组效率为47%，该机组采用一次中间再热，机组设计效率为49%。德国西门子公司20世纪末设计的超超临界机组，容量在4001000MW范围内，蒸汽参数为27.5MPa, 589/600，机组净效率在

10、45%以上。美国是发展超临界发电技术最早的国家。世界第一台超超临界参数机组（125MW，31.03MPa 621/565/538）于1957年在美国投运。 美国投运的超临界机组占大型火电机组的30%以上，容量以5080万千瓦为主。美国于上世纪60年代初完成世界首台超超临界火电机组的设计和制造，后经过20余年努力，用材体系不断完善，掌握了大型铸锻件制造技术，超超临界火电机组逐渐得以推广应用。美国拥有超临界机组两个世界之最，即最大单机容量1300MW和最高蒸汽参数（费城电力公司EDDY-STONE电厂的#1机组，蒸汽参数为34.5MPa，649/566/566）。近年来，美国GE公司还为日本设计制

11、造了蒸汽参数分别为26.6MPa/577/600和25MPa/600/610的超超临界机组。 俄罗斯是发展超临界机组最坚决的国家。1963年，前苏联第一台30万千瓦超临界机组投入运行，机组参数为23.5MPa/580/565。现在共有超临界机组200多台，占总装机容量的50%以上，其30万千瓦以上容量机组全部采用超临界参数。目前，俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用参数为2830Mpa/580600。前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量，以自主开发为主，初期也走过不少弯路，但经过长期试验研究已具有一套比较完整的超临界技术和产品系列。 日本采用引进、仿制、创新的技术发展路线。日本的超临界机组占

12、常规火电机组装机容量的60%以上，其45万千瓦以上机组全部采用超临界参数，最初投运的两套超超临界机组由三菱公司设计，装机容量70万千瓦、蒸汽参数34.5MPa/620/650。日本发展超超临界机组起步较晚，但很快由仿制过渡到应用自己的科研成果，同时建立了自己的试验台，发展速度很快、收效显著。我国超临界、超超临界机组发展较晚。 我国于上世纪80年代后期开始从国外引进30万千瓦、60万千瓦亚临界机组，第一台超临界机组于1992年6月投产于上海石洞口二厂（2600MW，25.4MPa，541/569）。从引进到完全消化吸收，用了近20年时间。国产超临界发电技术从新世纪元年起步，到投入商业化运行，只用

13、了3年时间。而国产百万千瓦超超临界技术从项目研发到2006年玉环电厂首台机组投运，仅用了4年时间。应当说，这种跨越式的发展正是发电业和电站装备制造业共同进步、共同发展的必然结果。在“超超临界燃煤发电技术”的研发和应用下，我国发电业及电站装备制造业的整体水平跃上了一个新台阶。 1.4本章小结本章首先阐述了我国发展超临界机组的重要性和必要性必要性以及提升超临界机组协调控制水平的重要意义。国内外超临界协调控制技术的发展的进程，和主要几个国家超临界技术发展的情况。并对控制系统今后的发展趋势做了说明。第 2 章 超超临界直流锅炉的运行特性分析2.1超临界机组概念和特征 在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度

14、是不变的，称为水的临界点，炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就是超临界锅炉，电厂超临界机组是指锅炉内工质的压力。锅炉内的工质水的临界压力是 22.115MPa，临界温度是 374.15。超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129MPa的机组。目前运行的超临界机组主汽压力基本上介于24MPa-25MPa之间，因为水的状态参数达到临界点时，所以也就不存在汽水分界面。在超临界参数下汽水密度也相等，这样所谓汽包水位的概念己不存在。由于没有汽水的密度差，不能依靠重力作用进行汽水的循环，不能进行炉水的自然循环，只能一次性流过受热面，即直流运行。超临界机组只能采用无汽包的直流锅炉，

15、没有下降管，水冷壁管采用的是小管径管，其制造工艺与汽包炉比相对简舉，省钢材。超临界压力参数采用直流炉运行。 2.2 超临界机组的运行方式 超临界机组的运行方式有定压运行、滑压运行、定滑定运行三种运行方式。定压运行时，在变负荷下，保持主蒸汽的温度与压力的稳定，改变其输出功率，机组改变汽轮机的调门开度。反之，滑压运行时，在变负荷下.保持开度不变，改变主蒸汽的温度和压力，以改变其输出功率。 2.2.1滑压运行方式 采用滑压运行方式和滑参数启停是单元机组一种运行方式。母管制连接的机组只能采用额定蒸汽参数下的定压运行方式。滑压运行是指汽轮机在不同工况运行时，不仅主汽门是全开的，而且调速汽门也是全开的，这

16、时机组功率的变动是靠汽轮机前主蒸汽压力和温度的改变来实现。定压运行高负荷时经济性好，对负荷反映速度快。低负荷时节流损失大，给泵电耗高。滑压运行时，对负荷反映速度慢，低负荷时损失小，高负荷时效率低，所以低负荷采用滑压运行，高负荷改定压。优点a）减少新汽的节流损失，改善汽轮机高压端蒸汽流动的状滑压运行，汽轮机内效率高于定压运行时的。（负荷越低，这种效益越大）b）由于滑压运行时汽机高排温度近乎不变并略有提高，因此锅炉在低负荷时均能维持额定再热汽温。这样，当负低于额定负荷70时，滑压运行的经济性要比定压运行时的有显著改善。c）由于滑压运行可以实现各种负荷下主、再汽温基本不变，汽机全开汽阀，因此改善了汽

17、轮机部件的热应和热变形，大大提高了机组负荷变化速度。d)由于滑压时机组高压部件都在较低的热应力状态下工作，机组寿命可延长。e）低负荷滑压运行时给水泵功率可节约许多。缺点a）由于低负荷时新蒸汽的压力降低，从而降低了机组的循环效率。b）对于汽包锅炉在负荷变化时，汽包内饱和温度随汽包内压力变化而变化，从而导致汽包内壁温度变化大，内外壁温差变化较大，热应力增大。因此滑压运行时机组负荷变化速度受汽包等厚壁部件安全，寿命损耗等原因限制较大。 2.2.2定压运行方式 定压运行方式的是机组负荷在任何稳工况下，均保持主蒸汽压力为额定值。定压运行机组的运行方式有机跟炉、炉跟机和机炉协调方式三种方式。 炉跟机控制方

18、式：汽机控制负荷，锅炉控制汽压。锅炉主控自动，汽机主控手动。当负荷指令变化时，汽机调节器改变调门开度，从而改变进汽量，使发电机输出功率迅速满足外界负荷的要求。本控制方式的特点是在外界负荷指令变化时，锅炉蒸汽量迅速变化是从锅炉本体蓄热量获得的，使汽压波动大，但能使机组快速适应外界负荷的要求。机跟炉控制方式：锅炉控制负荷，汽机控制汽压。锅炉主控手动，汽机主控自动。当负荷指令变化时，通过锅炉调节器控制燃料量的变化，待机前压力改变后，再通过汽机改变调门开度，使输出功率满足外界负荷的要求。 特点：汽压波动小，但适应外界负荷能力差。 2.2.3定滑定运行方式两种运行方式的特点，发现在低负荷时滑压运行好，在高负荷时定压运行方式更好，能多得利用余热，提高锅炉响应的速度。各取优，得到了定滑定运行方式。定滑定运行方式图 2.3超临界机组协调控制系统的组成和原理超临界机组协调控制系统由机炉主控系统、被控对象和子系统组成的。机炉主控系统由由负荷机炉主控制器和管理控制中心组成。负荷管理控制的