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1、摘 要目前，火电厂过热汽温控制中，过热蒸汽出口温度控制要求高、可控性差，工艺上对过热汽温控制的质量有非常严格的要求，在火电厂安全性和经济性运行中有着重要的作用。由于过热器具有大滞后、非线性、时变、多变量和有自平衡能力等特点，如何提高过热汽温的控制质量，是热工过程控制领域的重要研究课题。本文对被控对象过热器进行了特性分析，较为详细的描述了预估控制和模糊控制的系统结构及原理。论文针对过热器具有的诸多特点及火电厂对过热汽温控制的要求，提出了对火电厂过热汽温，采用控制的控制策略。其主要目的是使预估控制和模糊控制的优势结合、互补，探索进一步提高过热汽温控制质量的有效途径。关键词 过热器，汽温控制，模糊控
2、制 AbstractAt present, control of steam-gas exit temperature has high requirements and bad controllability in the process of superheated steam temperature control in power plant. There are very strict requirements to the quality of superheated steam temperature control in craft work, which plays an i
3、mportant role in security and economy run of power plant. Due to the characteristics of super-heater such as great lag，nonlinear, time-varying, multivariable and self-balance, that how to improve the control quality of superheated steam temperature has become the significant research topic in therma
4、l process control field.It analyzes the characteristic of super-heater which is the controlled object in the article, depicts in common use comparatively detailed, Smith predictive control and the system configuration and the theory fuzzy control. Paper puts forward Fuzzy-Smith control strategy acco
5、rd to the characteristics of super-heater like great lag, multivariable and the control requirements of superheated steam temperature in power plant. Its main objective is to make combination and complementary of advantages in order to explore the effective approach to improve the control quality of
6、 superheated steam temperature.Key Words super-heater, the main steam temperature control, fuzzy control目 录摘 要IAbstractII目 录i引 言1第一章 过热汽温系统概述21.1 过热器的布置及其流程21.2 过热汽温对象的特性31.2.1 汽温对象的静态特性31.2.2 汽温对象的动态特性31.3 过热汽温对象的数学模型4第二章 过热蒸汽温度串级控制系统的分析52.1 PID控制作用52.1.1 比例（P）控制52.1.2 比例积分（PI）控制52.1.3 比例微分（PD）控制62
7、.1.4 比例积分微分（PID）控制62.2 过热汽温串级控制系统6第三章 模糊控制与控制理论9模糊控制理论9模糊控制简介93.1.2 模糊控制的基本原理9模糊控制器的设计10模糊化运算10知识库11模糊推理113.3 Smith控制理论12第四章 过热汽温控制系统研究14基于过热汽温控制的模糊控制器的设计144.1.1 模糊控制工具箱简介14基于过热汽温控制的模糊控制器的设计144.2 过热汽温串级控制系统的研究16总 结17致 谢18参考文献19附 录 20A1.1 E、EC、U的隶属度函数图20A1.2 模糊控制规则库21引 言随着社会的不断进步，整个国民经济对电力的需求越来越大，对电力
8、供应的可靠性也提出了更高的要求。为保证电力供应的稳定：一方面要求发电机组的输出能力要能及时跟上电网负荷的变化，另一方面又要保证机组的安全运行。目前，串级控制在火电厂中的过热汽温实时控制中占主导地位，但其控制效果还不能令人十分满意。长期以来，针对火电厂被控对象过热器具有大滞后、非线性、多变量和时变等特点，国内外对过热汽温控制方法进行了很多有益探索和研究。因为国内外在过热汽温控制系统的技术和发展方面十分接近，所以，这里主要对当前国内过热汽温过程控制的方法，进行有限的阐述。PID控制算法是其中最简便的，控制参数可依据经验公式进行整定或解析设计。火电厂中的过热汽温实时控制，如果采用传统的PID控制规律
9、，因为参数整定困难，缺乏对过热器动态变化的自适应能力，达不到火电厂中的过热汽温实时控制的要求。模糊控制是由控制理论与模糊集合理论相结合发展起来的一种新型控制技术。因它能利用熟练运行人员的操作经验或领域专家的知识，解决复杂被控对象的控制问题，故模糊控制从一开始便立刻引起控制界的广泛兴趣，并得以迅速发展。模糊控制的发展历史不长，模糊控制本身还存在一定的缺陷等原因。如果单独使用模糊控制对过热汽温进行过程控制，也不能满足过热汽温实时控制的要求。尽管国内许多控制专家就过热汽温可控性差的问题，做了很多研究，也提出了不少新的、先进的控制方案，但因工程实现存在困难，真正应用甚少，故火电厂过热汽温控制问题也一直
10、未能得到彻底的解决。 第一章 过热汽温系统概述 过热器的布置及其流程锅炉过热器是由辐射过热器、对流过热器和减温器等组成。其任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定的数值，然后送到汽机去做功。通常称减温器前的过热器为前级过热器，减温器后的过热器为后级过热器。由于过热器承受高温高压，它的材料采用耐高温、高压的合金钢。锅炉过热器的布置示意图如图1.1所示1-汽包；2-顶棚过热器；3-级减温器；4-低温段对流过热器；5-屏式过热器；6-二级减温器；7-高温段对流过热器；8-过热蒸汽；9-燃烧器；10-炉膛；11-烟道过热器；12-烟道图1.1 过热器布置及流程简图其中顶棚过热器：布置在炉膛、水平烟道及转向
11、室的顶部，用于吸收炉膛辐射热，属于辐射式过热器。低温段对流过热器：布置在竖井烟道上部，其传热方式为对流热，属于对流式过热器。屏式过热器：布置在靠近炉膛前墙的顶部，吸收炉膛的辐射热，属于辐射式过热器。高温段对流过热器：布置在炉膛出口折焰角的上方，吸收炉膛部分辐射热和大部分对流热，由于传热方式以对流为主，故称对流过热器。由于过热器受热面积大，所以将其一部分布置在炉膛内及炉膛出口处，用以吸收部分炉膛内的辐射热量，满足蒸汽吸热的需要。为了减小热偏差，改善管子的工作条件，应控制过热器管壁温度不超过所用材料的最高允许温度，并使过热器具有良好的温度特性。该过热器系统采用了部分辐射式过热器和部分对流式过热器，
12、系统进行了七次混合，一次左右交叉，这有利于消除过热器的热偏差，防止超温，确保过热器的安全工作。由以上过热器在锅炉中的位置分布可知，它由多段组成，过热器不仅以对流方式吸收炉膛中的热量，还以辐射的方式吸收炉膛中的热量。过热器用多段喷水方式进行减温以控制出口汽温，随着机组容量的增大，蒸汽过热段吸收的热量相对提高，使过热器的受热面积加大，管段加长，减温器数量增多，一般200300MW机组的锅炉过热器采用两段喷水，更大容量机组的锅炉采用三段甚至四段喷水减温，稳定各段汽温以保证出口汽温的稳定。 过热汽温对象的特性 汽温对象的静态特性过热汽温调节对象的静态特性是指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。从图1.2所示
13、的静态特性可以看出，对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温的静态特性完全相反。对于对流式过热器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和流速都增加，因而使过热汽温升高，所以对流式过热器的出口汽温随负荷增加而升高；对于辐射式过热器，由于负荷增加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所需要的吸热量，因此辐射式过热器的出口汽温随负荷增加而降低。现代大型锅炉的过热器，对流式过热器的受热面积大于辐射式过热器受热面积，因而总的汽温将随负荷增加而升高。 10080602040图1.2 过热汽温的静态特性 汽温对象的动态特性蒸汽从汽包出来以后，通过过热器的低温段至减温器，然后再到过热器的高温
14、段，最后至汽轮机。过热汽温喷水减温系统示意图见图1.3，是过热汽温，它是控制系统的被调量，是喷水减温器后的过热温度，D是蒸汽流量，W是喷水量，它是系统的调节量。火电厂锅炉所产生的过热汽温并不是固定不变的，它要受到设计、运行、安装等多种因素的影响。锅炉运行中要控制好过热汽温，必须对影响过热汽温的因素进行分析。锅炉运行中影响过热汽温的因素有很多。如蒸汽负荷、烟气温度和流速、给水温度、炉膛热负荷、送风量、给水母管压力、燃烧器火焰喷嘴方向和减温水量等。归纳起来，主要为蒸汽流量，烟气传热量和减温水三个方面的扰动。对被控对象过热器的特性分析，是探索改善过热汽温的过程控制，寻求设计控制系统结构和控制规律要解
15、决的第一个主要问题。图1.3 过热汽温喷水减温系统示意图综上所述，过热汽温被控对象在各种扰动下都有延迟，有惯性，有自平衡能力。需要指出的是，在喷水减温控制系统中，因减温水量的扰动强烈，对此段的温度要求比对高温段出口要求低，故常将减温水量作为串级控制系统的副参数。正常运行中，过热汽温控制的基本原则是：正常运行时使用减温水控制，在低负荷运行，汽温达不到额定数值时，则可根据不同的负荷，由运行人员采用不同的汽温定值进行控制。若采用关闭减温水和提高火焰中心的方法还维持不了汽温数值时，也可适当采用提高过剩空气系数的方法进行控制。 过热汽温对象的数学模型根据汽温的阶跃响应曲线，利用面积法、切线法、半对数法等，可以求出过热汽温控制对象的传递函数为（1-1）： （1-1）式中：K整个汽温的放大系数；
