信息工程学院毕业设计文献综述

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1、I 目录目录 前言1 第一章 相关工艺流程3 1.1 热电厂的工艺流程.3 1.2 锅炉的工艺流程.4 1.3 汽包水位动态特性4 第二章 锅炉汽包液位控制方案6 2.1 单冲量控制方案.6 2.2 双冲量控制方案.7 2.3 三冲量控制系统.7 第三章 具体方案设计9 3.1 控制方案仿真研究9 3.2 最优方案的确定.9 3.3 方案设计思路.10 第四章 总结11 参考文献12 1 前言前言 电力行业是整个国民经济的基础和命脉，在新中国建立以后，我国的电力行 业取得了长足的发展。经过 50 多年的努力，特别是改革开放以来 20 多年的快速 发展， 电力供需形势经历了从过去的严重短缺到目前

2、的基本平衡的发展历程。利 用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力 装置（包括电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置）转换成电能的一种发电方 式。在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种。最早的火 力发电是 1875 年在巴黎北火车站的火电厂实现的。随着发电机、汽轮机制造技 术的完善，输变电技术的改进，特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能的 需求，20 世纪 30 年代以后，火力发电进入大发展的时期。火力发电机组的容量 也在不断的提高。大机组、大电厂使火力发电的热效率大为提高，每千瓦的建设 投资和发电成本也不断降低。 其中热电厂作为火电厂的一种，

3、 得到了长足的发展。 热电厂既实现了发电又提供热能，较好的实现了资源的合理利用，提高了综合经 济效益。热电厂由于即发电又供热，锅炉容量大于同规模火电厂。热电厂必须比 一般火电厂多增设锅炉容量以备用，水处理量也大，所以锅炉在热电厂中极其重 要。 锅炉有两部分组成锅和炉。锅的原义是指在火上加热的盛水容器，现泛 指 “汽水系统” 。锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。本体主要 由炉膛、锅筒（也就是汽包） 、燃烧器、水冷壁、过热器（以及再热器） 、省煤器、 空气预热器、构架和炉墙组成。辅助设备主要指燃烧系统设备以及排烟、除尘、 脱硫设备等。炉是指燃烧燃料的场所，现泛指“燃烧系统” 。热电厂中

4、锅炉完成 的就是通过燃烧，把燃料的化学能转换成热能的能量转换过程，锅炉机组的产品 就是高温高压的蒸汽。锅炉是发电、石油化工等工业过程中必不可少的重要动力 设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，也可作为蒸馏、干燥、 反应、加热等过程的热源3。 汽包既是自然循环锅炉的一个主要受压部件，又是将锅炉各受热面，如水冷 壁、对流管束、过热器和省煤器等连接在一起的闭合件；同时它和水冷壁（或蒸 发管束） ，下降管等组成自然水循环回路。汽包的内部装置主要有：汽水分离装 2 置和蒸汽清洗装置。 汽水分离设备用来将水冷壁蒸发管束进入汽包的汽水混合物 进行很好的汽和水的分离，蒸汽清洗装置用来进一步改善蒸汽

5、品质，可用给水对 蒸汽进行清洗，即让含有炉水水滴的蒸汽通过盐分少的给水层，使炉水水滴中的 含盐及其它不洁物转溶到给水中去。汽包水位是锅炉运行的重要指标，是确保安 全生产和提高优质蒸汽的重要变量。当水位过高时，蒸汽空间缩小，蒸汽大量带 水， 蒸汽品质恶化， 甚至引起管道和汽轮机内产生严重的水冲击， 造成设备损坏； 水位太低有可能造成下降管进汽，以致破坏水循环，水冷壁超温，甚至造成严重 的设备损坏事故。因此，汽包水位的控制极为重要，保持汽包内的正常水位是保 证锅炉和汽轮机安全运行最重要条件之一。 本次设计就是针对锅炉汽包水位的实际运行情况，采用模糊控制策略，设计 锅炉汽包水位的模糊控制系统，并且使

6、用 MATLAB 仿真软件进行系统仿真。 3 第一章第一章 相关工艺流程相关工艺流程 1.1 热电厂的工艺流程热电厂的工艺流程 热电厂的生产过程实质上是四个能量形态的转换过程， 首先化石燃料的化学 能经过燃烧转变为热能，这个过程在蒸汽锅炉或燃汽机的燃烧室内完成；再是热 能转变为机械能，这个过程在蒸汽机或燃汽轮机完成；最后通过发电机将机械能 转变成电能。 热电厂的工艺流程可简述为：采用煤炭作为一次能源，利用皮带传送技术， 向锅炉输送经处理过的煤粉，煤粉燃烧加热锅炉使锅炉中的水变为水蒸汽，经一 次加热之后，水蒸汽进入高压缸。为了提高热效率，应对水蒸汽进行二次加热， 水蒸汽进入中压缸。通过利用中压缸

7、的蒸汽去推动汽轮发电机发电。从中压缸引 出进入对称的低压缸。已经作过功的蒸汽流经凝汽器水冷，成为 40左右的饱 和水作为再利用水。40左右的饱和水经过凝结水泵，经过低压加热器到除氧器 中，此时为 160左右的饱和水，经过除氧器除氧，利用给水泵送入高压加热器 中， 其中高压加热器利用再加热蒸汽作为加热燃料， 最后流入锅炉进行再次利用， 以上就是一次生产流程。 图 1.1 热电厂的工艺流程图 4 1.2 锅炉的工艺流程锅炉的工艺流程 由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式、锅炉功用和运行要求的不 同，锅炉有各种各样的流程。常见流程如图 1.2 所示。由图可知，蒸汽发生系统 由给水泵、给水调节阀

8、、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的 比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽 s D,然后 经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为 M P的过热蒸 汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气， 将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最 后经引风机送往烟囱排入大气3。 图 1.2 锅炉的工艺流程图 1.3 汽包水位动态特性汽包水位动态特性 工业锅炉的汽水系统图可简化为图1.3，汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和 水，储藏量的多少是以被控量水位来表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是 蒸汽

9、量，当给水量等于蒸发量时，汽包水位就能保持不变。在影响汽包水位的诸 多因素中，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化，给水流 量产生的扰动为称为内扰动，蒸汽流量产生的扰动称为外扰动。 5 汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和存在惯性的特点，无自衡 能力； 汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下， 非但没有自平衡能力， 而且存在着 “虚 假水位”现象， “虚假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正 比也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时两者必须都考虑6。 图 1.3 锅炉汽水系统 1给水母管；2给谁控制阀；3省煤器；4汽包； 5下降管；6上升管；7过热器；8 蒸汽

10、母管 6 第二章第二章 锅炉汽包液位控制方案锅炉汽包液位控制方案 汽包水位是汽包锅炉运行中一个重要的监控参数， 它反映锅炉蒸汽负荷与给 水量之间的平衡关系。 维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行 的必要条件。汽包水位过高会影响汽包内汽水分离装置的工作，造成出口蒸汽水 分过多，使过热器结垢而烧坏，严重时会导致汽轮机进水；汽包水位过低，会破 坏锅炉的水循环，甚至引起爆管。 汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化所引起的虚假水位的影响和各 种干扰对水位的影响，维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位自动 控制中，针对不同的控制信号有单冲量控制系统、双冲量控制系统及三冲量控制 系统

11、11。 2.1 单冲量控制方案单冲量控制方案 单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号， 单冲量水位控制系统 由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成，其原理图如图 2.1 所示。 给水调节阀 汽包 省煤器 蒸汽 图 2.1 汽包水位单冲量控制原理图 它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为 反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将水位测量信号经变送器送到水 位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给 水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，在停留时间较长，负 荷较稳定的场合，再配上一些联锁报警装置，可以保证安全操

12、作。但在停留时间 7 较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。 2.2 双冲量控制方案双冲量控制方案 双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号， 以蒸汽流量信号 作为前馈信号构成的“前馈反馈”控制系统。在汽包水位控制中，最主要的扰 动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。这样不 仅可以补偿“虚假水位”引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，从而提高 控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则 还需引入动态补偿环节。在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制 要求。双冲量控制方式原理图如图 2.2 所示。 汽包 省煤器 给水

13、调节阀 图 2.2 汽包水位双冲量控制原理图 2.3 三冲量控制系统三冲量控制系统 三冲量汽包水位控制系统，是以汽包水位为主控对象，蒸汽流量为前馈控制 信号， 给水量为反馈控制信号组成的控制系统。 由图 2.3 可知当负荷 （蒸汽流量） 突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确的方向移动，即当 蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起反向误动作。 当水压变化使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节 器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。另外， 给水流量信号也是调节器动作后的的反馈信号，能使调节器及时知道控制信息 8

14、给水流量 给水调节阀 省煤器 汽包 蒸汽流量 图 2.3 汽包水位三冲量控制原理图 从传统的控制方式来看，主要包括单冲量、双冲量、三冲量等控制系统。采 用的算法多是经典的 PID 算法。它们要么系统结构简单成本低，确不能有效地 控制锅炉汽包“虚假水位”现象；要么能够在一定程度上控制“虚假水位”现象， 系统却过于复杂，成本投入过大。在现实生产和生活中，往往要求系统既具有较 好的性能和较高的可靠性，同时有要求系统成本投入较低。即要求系统具有较高 的性价比7。 借助于三冲量控制策略的结构，通过智能方法来对 PID 控制器的参数进行 整定或直接采用先进控制策略成为目前研究的热点。这些新型控制策略主要有

15、： (1)基于预测控制理论的控制策略，如用预测函数控制、模糊预测控制策略 等； (2)基于模糊控制理论的控制策略， 如模糊在线自校正 PID、 模糊神经网络等； (3)其他控制策略，如专家控制系统、神经元网络优化控制等。 9 第三章第三章 具体方案设计具体方案设计 3.1 控制方案仿真研究控制方案仿真研究 MATLAB 是由美国 New Mexico 大学的 Cleve Moler 于 1980 年开始开发的， 1984 年由 Cleve Moler 等人创立的 Mathworks 公司推出的大型仿真软件， 它是以 矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中，在 此环境

16、中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等。与其它 专业火电仿真软件相比，MATLAB 更容易获得，仿真试验也更容易进行，只要 是安装有 MATLAB 软件的计算机都可以谁是进行仿真实验。在 MATLAB 软件 中，提供了新的控制系统模型输入和仿真工具 SIMULINK，SIMULINK 中提供 了 大 量 模 块 ， 使 得 开 发 人 员 的 建 模 效 率 大 大 提 高 。 本 文 正 是 基 于 MATLAB/SIMULINK、模糊逻辑工具箱进行建模仿真研究的8。 3.2 最优方案的确定最优方案的确定 传统的 PID 控制存在许多不足，这主要表现在两个方面：一，PID 控制器的 参数整定必须相对于某一模型已知、系统参数已知的系统；二，PID 控制器参数 一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。但事实上大多数的生产过程都具 有非线性，且其特性随时间的变化而变化，显然固定一种参数不能满足生产的要 求。所以，需要设计一种能够校正 PID 参数且具有一定的自适应能力的 PID 控 制器算法。 由于模糊控制利用模糊的概