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1、华北电力大学本科毕业设计（论文）基于MATLAB的过热汽温控制的仿真与设计摘要 随着我国电力工业的迅速发展，越来越多的高参数大容量机组陆续投产。从发展趋势看, 600MW 及以上等级的火电机组已成为大电网的主力机组。同时大容量机组的不断增加和电网调度自动化程度的日益提高，对火电厂机组的控制品质提出了更高的要求。过热汽温度是锅炉运行中的主要参数,它的高低直接影响锅炉安全稳定运行。锅炉过热汽温控制有非线性和时变性。其大延时和大惯性的特点使其一直以来都成为火电厂自动控制的难点。本次毕业设计，针对火电厂锅炉过热汽温控制系统具有大迟延、时变等特点，常规控制难以取得满意的控制效果，通过采用先进的控制策略，
2、在MATLAB环境下进行仿真实验，研究过热汽温控制系统的控制性能。 关键字：过热器，分段控制，串级控制，过热汽温，控制策略 Steam temperature cascade control sub-system performance analysis and simulationAbstractWith Chinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-parameter units have put into production. From the development trend,
3、 above 600 MW unit will become a main unit of the power grids in the future. With the increasing of the large-capacity unit and the increasing degree of automation of the scheduling grid, it is a higher demand to the quality control of the thermal power plant unit. Supercritical generating units is
4、the development of large-capacity generating units in China will also become the main force units. The main steam temperature is the main parameters in the boiler operation, which affect the safe and stable operation of boiler directly. The control of main steam temperature in the boiler is nonlinea
5、r and time variability. It is very difficult to control for the large delay and the inertia of its characteristics. In this paper, we focused on the characteristics, composition, and the principles analysis of main steam temperature control system and propose a control strategy that fits the large d
6、elay control system. Research superheated steam temperature control system control performance through the use of advanced control strategy and MATLAB simulation experiment,Keywords: Superheater，Segment control，cascade control，superheated steam temperature，control strategy目 录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景
7、11.2过热汽温控制的难点11.2.1过热汽温的意义21.2.2过热汽温控制系统31.3本文主要研究内容32 过热汽温控制系统分析42.1过热汽温控制系统的对象特性和任务42.1.1过热汽温被控对象特性42.1.2过热汽温控制系统的任务62. 1.3过热汽温控制的难点及设计原则72.2过热汽温控制系统72.2.1过热汽温串级控制系统分析82.2.2过热汽温串级控制系统的组成82.3 PID调节器102.3.1 PID调节器的基本原理102.3.2 PID控制器参数对控制性能的影响113 分段串级汽温控制系统的仿真实验133.1 调节器参数的工程整定法133.12稳定边界法133.13衰减曲线法
8、143.2对模型的仿真154多模型的PID无扰切换254.1多模型串级PID控制系统254.2过热汽温多模型建立264.3切换策略274.4典型工况下控制器设计及参数整定274.5仿真研究28结束语30致谢31参考文献32I1绪论1.1课题背景电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到了重要作用。与社会经济和社会发展有着十分密切的关系，它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着中国经济的发展，对电的需求量不断扩大
9、，电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生产的发展。目前中小型火电厂，锅炉、汽机的操作和监控仍然由人工加仪表，不仅难以做到平衡操作，安全生产也没有确实保证。工人的劳动强度大、条件差，而且运行效率低、耗煤量大、浪费能源、污染环境，不改变现有的控制手段，锅炉的运行很难有满意的效果。为了提高锅炉、汽机的运行效率，降低能耗，确保安全生产，改善劳动环境，利用计算机的快速性、可靠性、准确性等多种特殊功能，代替常规仪表实现锅炉，汽机的检测和控制是发展的必然趋势。计算机可以提供许多常规仪表和人工操作难以实现和无法实现的功能，它在改善锅炉和汽机的监控品质，提高锅炉和汽机的热效率，节省能源，减少污染等方面将会起到极为
10、重要的作用。随着单机容量的增大，初蒸汽参数也向高压、超高压、亚临界、超临界、超超临界压力逐步过渡。超临界机组是我国近期发展起来的大容量机组，并逐渐将成为国家电力行业的主力机组。就目前看来，我国发电还是主要以火力发电为主，由于我国的煤炭储量还较为丰富，所以火力发电厂主要还是燃煤电厂，而考虑到煤炭、石油、天然气等资源的有限性和不可再生性以及我国水利资源的可观性，我国这几年正在大力发展水电站。除此以外，核电事业的发展也取得了很好的成绩。火电厂日渐朝着大机组大容量的方向发展，这样可以提高热效率，每千瓦的建设投资和发电成本也会降低。目前，我国发电主要是向600WM、1000WM机组的目标迈进。由于超临界
11、和超超临界机组可以调高煤炭利用率、降低环境污染、提高经济性的优势，发展超临界机组和超超临界机组是必然趋势。1.2过热汽温控制的难点锅炉是火电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一。它的功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输给各种设备。火电厂锅炉过热蒸汽温度是否具有较好的控制品质和鲁棒性，与锅炉机组的安全和经济运行有着密切的关系。过热汽温的控制一直是火电厂模拟量控制系统的难点，这主要是因为过热汽温控制对象具有大延时、大惯性、非线性和时变性等特点，采用常规和简单的控制规律难以获得较好的调节效果。长期以来，过热汽温的控制是火电厂自动控制领域研究的热点方向，目前已经出现了相当多
12、的控制方案以及应用尝试。1.2.1过热汽温的意义过热汽温是火电厂汽水工质中的最高温度，维持过热汽温稳定、控制过热汽温在给定范围、保证整个过热器不要超温是过热汽温控制系统的重要任务。过热汽温控制对于机组的安全经济的运行有着非常重要的意义，但同时也是最难控制的系统之一，其控制难点主要体现在一下几个方面：（1）过热汽温的干扰因素很多，例如负荷，减温水量等。（2）在各种扰动量的干扰下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制难度加大。（3）汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其是随着机组容量和参数的提高，蒸汽过热受热面的比例加大，使其迟延和惯性进一步加大，增大了控制难度。但同时过热汽温控制对于机组安全经济
13、的运行有着相当重要的作用，主要有以下几个方面：过热汽温过高会使蒸汽管道金属和锅炉受热面的蠕变加快，影响使用寿命。当超温严重的时候，将会使材料强度急剧下降从而导致管道破裂。过热汽温过高还会导致汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片的机械强度下降，导致使用寿命降低和设备损坏。汽温过低，将会影响机组的经济性。当汽温低的时候机组热效率降低，煤耗增大。另外，汽温降低会使汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，影响汽轮机内部的热效率，使汽轮机末几级叶片的侵蚀加剧。此外，汽温降低会使汽轮机所受的轴向推力增大，对汽轮机的安全运行很不利。主汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚
14、至产生剧烈振动，危及机组安全运行。总之，过热汽温是火电机组的主要参数。由于过热器是在高温、高压环境下工作，过热器出口汽温是全厂工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，工艺上允许的汽温变化又很小，汽温对象特性呈非线性，影响汽温变化的干扰因素多等，这些都使得汽温控制系统复杂化，因此正确选择控制汽温的手段及控制策略是非常重要的。1.2.2过热汽温控制系统过热蒸汽系统 由各级过热器及其进出口联箱、连接管道、阀门及调温装置等设备组成。过热器是该系统中的主设备。过热器的作用是将蒸发系统所产生的饱和蒸汽加热成具有一定温度和压力的过热蒸汽。过热汽温控制系统一般根据锅炉各类分为汽包炉主汽温控制系统和直流锅炉控制
15、系统。此文中仅介绍汽包炉，直流炉与其类似。汽包炉主汽温控制系统是由汽包，水冷壁，减温器和过热器串联而成。其工艺流程可以从图1-1中看出。主汽温控制系统采用分段控制策略，具体内容可见图1。汽包炉主汽温调节可以分为A、B两侧，蒸汽经过A、B两侧过热器后进入联合混热箱，最后通过蒸汽管道进入汽轮机。通过A、B两侧一级减温器喷水注入过热器来调节A、B两侧一级过热器的出口蒸汽温度，通过A、B两侧二级减温器的喷水流量来控制主蒸汽温度。图1-1 汽包炉主汽温控制系统工艺流程图1.3本文主要研究内容1、了解及掌握过热汽温在宽负荷工况下的动态特性；2、熟悉过热汽温常用的控制方法；3、运用自适应PID方法进行过热汽温控制系统的设计；4、在Matlab环境下对所设计的控制系统进行仿真研究。2 过热汽温控制系统分析2.1过热汽温控制系统的对象特性和任务2.1.1过热汽温被控对象特性（一）静态特性(1)锅炉负荷与过热汽温的关系。锅炉负荷增加时，炉膛中燃烧的燃料增加，但炉膛中的最高温度没有多大变动，炉膛辐射放热量相对变化不大，使得炉膛出口烟温增高。这就是说负荷增加时，每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流换
