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1、,毕业论文设计题目：超超临界火电机组燃烧把握系统设计姓学学名号院林逸君把握科学与工程学院专业测控技术与仪器年级2023 级指导教师刘红波2023 年 5 月 10 日1名目摘要3ABSTRACT4第一章 绪论51.1 课题背景及意义51.2 超超临界火电机组把握技术应用现状51.3 毕业设计主要内容5其次章 超超临界火电机组燃烧把握系统概述62.1 机组工艺流程简述62.2 机组燃烧过程把握系统任务72.3 机组燃烧过程把握系统组成与特点8第三章 超超临界火电机组燃烧把握方案设计93.1 常规把握方案93.2 改进把握方案10第四章 把握方案仿真验证104.1 MATLAB 简介114.2 把
2、握方案的 Simulink 仿真验证错误!未定义书签。结论15致谢16参考文献17附录附录 1Controller design for a 1000 MWultra super critical once-through boiler power plant附录 2文献翻译2摘 要随着科学技术的进步，传统电厂的工作方式正在发生着革，超超临界电厂得到了越来越广泛的应用。相比于传统电厂，超超临界电厂主要区分在于提高了锅炉内的工质，一般为水的压力，来提高电厂的发电效率。本文通过对电厂燃烧过程把握系统的改进来削减电厂把握变量之间的相互干扰，从而进一步提高电厂的发电效率。首先，依据电厂的工作原理分析出
3、电厂各把握变量与各被控量之间的相互关系，建立电厂的简化数学模型。之后，依据各变量之间的相互作用关系实行 PID 增益把握、解耦等方式提出改进的把握方案。然后，依据从网上搜集到的超超临界电厂在实际工况下所采集到的数据完成数学模型的数据输入工作。最终，通过 MATLAB 下的 Simulink 工具箱对数学模型进展仿真试验，得出电厂输出量的波形图，通过比照争辩改进后的把握方案的实际运行成果。关键词：超超临界电厂, 燃烧过程把握系统, 数学模型, MATLAB, Simulink 仿真ABSTRACTWith the progress of science and technology, an in
4、novation of traditional power plants is proceeding, ultra supercritical power plants are being applied more and more general. Compared to traditional power plants, ultra supercritical power plants raise the pressure of the working medium, usually water, in their boilers to improve their generating e
5、fficiency. This thesis focuses on the way to improve the combustion process control system of the power plant to reduce the interferences during each of the power plant control variables. So that we can further improve the generating efficiency of our power plant. First of all, according to the work
6、ing principle of the power plant we analysis how its control variables and controlled variables affect each other, so we can build a mathematical model of them. Secondly, by using PID controllers, decoupling or other ways we set up an improved combustion process control system control plan. Then, by
7、 searching the Internet we find some data from a real ultra supercritical power plants in order to input them into our mathematical model. Last of all, through Simulink, a toolbox from MATLAB we make a simulation for our model, after we have a conclusion in the oscilloscopes we can find out how our
8、plan improves the efficiency of the power plant.Key words: ultra supercritical power plant, combustion process control system, mathematical model, MATLAB, Simulink simulation第一章 绪论1.1 课题背景及意义近年来，随着更多高性能材料的投入与设备制造技术的不断提高，以提高主蒸汽参数为目标的超超临界火力发电机组在世界范围内得到了越来越广泛的关注。从世界范围看，自二十世纪五十年月开头，以美国为首的世界兴旺国家开头了超临界机组的
9、争辩与应用。1957 年，世界上第一台超临界机组在美国落成运行。到了二十世纪九十年月，超临界机组技术根本进展成熟，欧美日等兴旺国家开头着手争辩超超临界机组技术。到了 2023 年前后，其首台超超临界机组根本开头投入运营。在国内，从上世纪八十年月末期，我国从国外购进了 16 台大容量超临界机组，在生产实践中对超临界技术有了肯定的把握。进入二十一世纪以后，通过对国外先进技术的不断借鉴争辩，我国如今正逐步完成从常规 300MW、600MW 的亚临界机组到 600MW、1000MW 的超临界、超超临界机组的过渡。本文主要争辩的就是超超临界火电机组中的燃烧系统把握，以提高机组的热效率为途径，到达提高发电
10、效率，节约能源的目的。1.2 超超临界火电机组把握技术应用现状国外的超超临界机组技术从二十一世纪初开头便已比较完善，国内的相关技术虽然起步比较晚，但通过进口大型机组等方式争辩把握了局部世界上的先进技术。在争辩的早期，由于资金的紧缺与国际上对于超超临界先进技术的垄断，国内的争辩机构与高等院校虽然虽然在一些小型工业装置上取得了肯定的成果，但对于大规模的有用性机组始终没能攻破技术难关。如今，在国内几大能源巨头企业的牵头下，国内乐观引进世界先进技术，结合国内以煤炭为主要能源的背景， 努力把发电效率提高到 45%左右的水平，紧跟世界上 43%47%净效率的超临界、超超临界发电机组。截止到 2023 年，
11、我国已有 23 台超超临界机组投产，其中1000MW 级 13 台，600MW 级 10 台，占火电装机容量的 18%。另外，还有一批超超临界机组正在建设。超超临界机组将成为今后火电机组进展的重点方向。1.3 毕业设计主要内容本论文主要对超超临界火电机组的工作原理和对象特性进展介绍和分析，在 分析了超超临界火电机组的各种把握要求和影响因素的根底上，总结和归纳出系 统的主要把握目标，并依据把握目标建立机组燃烧系统比较符合实际的数学模型。并对超超临界火电机组燃烧系统常规把握系统的设计方法进展介绍和分析，提出 改进的过程把握方案。设计好此方案后，承受MATLAB 属下的 Simulink 集成化仿真
12、软件验证所设计把握方案的有效性。其次章 超超临界火电机组燃烧把握系统概述2.1 机组工艺流程简述图 1 为 一 间 典 型 的 1000MW 超 超 临 界 锅 炉 电 厂 的 构 成 框 图 。图 1 1000MW 超超临界电厂构成这间电厂使用了三个省煤器来把握经由给水系统进入锅炉的水的温度到达 预设值。用了两台鼓风机和两台主风机来为空气预热器供给空气。空气预热器把加热完毕的热空气输入研磨机、燃烧器和锅炉中。而主风机也把冷空气输入研磨机中。燃料煤通过研磨机研磨成粉末，再从燃烧器燃烧后将热量输入到锅炉当中。通过把握两台引风机把炉内压力把握在预设值。水冷壁成垂直螺旋形包围锅炉。锅炉所输出的烟气分
13、别通过过热器、再热器、节约装置和空气预热器作用于锅炉内各需要热量的装置中，以锅炉内提高蒸汽、水和空气的温度。在锅炉的顶部有一个分别器，其主要作用为给主过热器供给高压蒸汽以及削减蒸汽中的杂质。过热器由4 局部组成，分别是主过热器、分级过热器、屏式过热器和末级过热器。蒸汽在经过高压涡轮后被再热器系统的主再热器和末级再热器重加热。最终，蒸汽输入一个由高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮三局部组成的复合三重涡轮机中，推动涡轮的运转，生成电力。超超临界机组的燃烧把握系统主要包括研磨系统、燃烧器等各子系统的的把握，燃烧系统推动了锅炉内主要设备的运行，其由给煤机、磨煤机、轻油系统、三大风机、实现燃烧的炉膛等组成。燃
14、烧把握系统对这些设备的运行进展有效的把握，是锅炉安全经济运行的保证。2.2 机组燃烧过程把握系统任务锅炉燃烧过程实际上是把燃料内的化学能通过燃烧进展能量释放的过程。一间典型的超超临界电厂的根本工作原理是用燃烧燃料所释放的热量对电厂的给水进展加热形成水蒸汽，水蒸汽推动汽轮机做工实现发电。可见，燃料的燃烧过程是实现能量转换的关键一步。燃烧把握系统的根本任务是保证燃料燃烧供给的热量和蒸汽负荷需求的能 量相平衡，同时保证锅炉安全经济地运行。一台超超临界机组的具体燃烧把握任务，受该机组锅炉的运行方式、燃料种类、燃烧设备等因素影响，因此所需的把握方案不尽一样。但就一般来说，机组燃烧把握系统的把握任务可概括
15、为以下几点：（1） 满足机组负荷需求，维持主汽压在允许范围机组靠燃料燃烧供给能量输入，所以燃烧把握系统响应协调把握系统的负荷指令所需的时间越短越好。机组主汽压的变化是对锅炉与汽轮机之间的能量需求平衡关系的反映。维持主汽压在肯定范围内变化，就保证了热量供给与蒸汽负荷的平衡。通过对进入炉膛的燃料量的把握来把握主汽压的数值，是满足机组能量平衡的主要把握手段。（2） 保证燃烧过程的经济性，削减对环境的污染在保证锅炉、汽轮机能量需求平衡的前提下，燃烧把握系统的另一任务就是提高燃烧的经济效益，削减环境污染。即在转变燃料量的同时，准时对送风量进展把握，保证充分燃烧，提高燃料的燃烧率，尽量令燃料得到充分地燃烧
16、。烟气的含氧量系数是衡量燃烧经济程度的一种指标。依据不同的燃料，有一个相应的最高效率区。当过大时，炉膛温度降低，排烟损失增大。当过小时，燃料不能充分燃烧，导致燃料的铺张。所以，经测量计算试验等手段后得出的最正确值，并推算出对应其所需的同时输入空气与燃料的风煤比例。保持适宜的风煤比例是保证经济燃烧并削减污染的根本措施。锅炉运行中仍旧存在很多其他不确定因素，如测量信号不准确、燃料品质变化、锅炉负荷变化等，因此仅承受把握送风量和煤的比例是不够的。烟气中各成分如 O 、CO、CO 等也上可以反映燃料22燃烧的状况，但对燃料燃烧率影响的反映不如那么明显。因此，常用来作为一种直接衡量经济燃烧的指标，用含氧
17、量信号对风煤比例把握加以校正。至于其他变化可以看作扰动，在系统的设计中设法消退。（3） 维持炉膛压力稳定电站锅炉燃烧过程根本都为负压运行方式，维持炉膛负压的主要目的是保证运行人员和设备安全。假设炉膛消灭正压时，炉内火焰和烟气会从炉膛内喷出，不仅危及运行人员和设备安全，还会污染环境。假设炉膛负压过大时，又会造成大量冷空气进入炉膛，影响燃烧的经济性。因此，需要将炉膛内的压力维持在一个安全稳定的区间。一般承受引风量来把握炉膛压力,维持炉膛压力在一个稳定值。锅炉燃烧把握的三项主要任务间既有联系，又有肯定的独立性。2.3 机组燃烧过程把握系统组成与特点燃烧过程把握系统的组成与很多因素有关，例如锅炉的运行
18、方式、锅炉构造形式、制粉系统及磨煤机的类别等。但无论哪种状况，燃烧把握系统的组成应符合一个总原则，即当把握变量发生变化时，燃料量、送风量及给水量应同时相应地成比例转变，以快速适应符合转变的要求，令燃烧系统重回归稳态，同时维持主汽压、过剩空气系数、炉膛负压稳定在安全范围之内，不至于偏离其给定值过大。稳态时，保持各被调量等于其给定值。当某调整量消灭自发性变化时，应能快速消退其带来的一系列不利影响，将系统的波动对系统产生的影响降低。因此，燃烧过程把握系统一般分为三个子系统，分别为：燃料量把握系统、送风量把握系统、给水量把握系统。这三个系统分别对应燃烧调整对象的三个把握变量燃料量 B、送风量 V、给水
19、量 W和三个被控量主蒸汽压力 Pt、烟气含氧量系数、微过热蒸汽温度 T。具体关系如图 2 所示。图 2 燃烧过程把握子系统固然，三个把握变量和三个被控量之间还有其他多种组合方式，但图 2 中的组合方式最为常见。从燃烧把握系统的组成中我们可以总结出它的几个特点：（1） 由于超超临界机组中的锅炉是一个多输入、多输出的被控对象，所以，在不同的运行状况下，其加热局部、蒸发局部和过热局部之间的界限不是一成不变的，有些状况下，这个界限甚至会发生连续的波动。因此，为了保持机组运行状态下锅炉中各局部的温度、湿度等参数维持在规定的范围以内，要求燃烧把握系统严格保持其三大子系统之间的平衡关系。这种平衡不仅要再稳态
20、的状况下，在动态的状况下更应如此。（2） 由于如今为了提高机组的发电效率，以应对国内越来越重的用电需求，对机组在把握循环过程中的把握速度要求越来越高，把握系统必需快速对各变量产生的变化做出相应的反响，比以前更加具有实时性。换句话说，控8制要求的响应时间必需越来越短。（3） 由于超超临界机组一般为直流机组，所以燃烧系统的三大子系统之间相互关联性比较强，所以在把握某一个把握变量的转变时，除了关注其对应的被控量变化，还需要留意其对其他被控量的影响。在之后的燃烧过程把握系统设计中需要留意通过对各把握变量之间的解耦等方法来削减个把握变量之间的相互干扰。综上所述，超超临界机组燃烧把握系统相较于传统燃烧把握
21、系统具有把握过程稳定安全、系统实时性高、响应速度快、耦合性强等特点。第三章 超超临界火电机组燃烧把握方案设计3.1 常规把握方案由上文可知，燃烧把握系统可看作一个三输入三输出的多变量调整系统。但是，由于汽机阀门开度对中间点温度的影响很小，可以无视其影响。因此，系统可以看成为一个主要争辩锅炉燃水比的把握系统，从而简化为一个双输入双输出的模型，建模后如图 3 所示。图 3 锅炉燃水比把握框图图中 W 为给水量，B 为燃料量，T 为微过热蒸汽温度，PT为主蒸汽压力。此为一个典型电厂燃烧把握系统，但由图可见，这是一个典型的双输入双输出开环系统，两个输入量 W、B 会相互影响，相互干扰，从而引起输出量的
22、偏差， 而且系统没有考虑到输出量的反响干扰力量，抗干扰力量也不是格外好。此系统长期运行下去不仅影响电厂的发电效率，还可能造成安全事故，与超超临界机组10对响应速度和响应质量的要求不符，因此需要对此系统进展改进。3.2 改进把握方案由于两个输入量间稳态关联比较严峻，且动态特性相近，所以需要承受解耦的方法来削减它们之间的关联。本文承受前馈补偿法对系统进展解耦，具体的把握框图如图 4 所示。图 4 改进的燃烧把握系统Gc1(s)和 Gc2(s)为两个 PID 调整函数，将两系统进展闭环处理，通过 PID 把握器将两个输入量的误差调整到允许的范围，同时削减从输出量方向反响的干扰对系统后续局部的影响，调
23、整后的输入量分别为 W和 B。随后，通过前馈解耦使 T 与 B无关联，PT 与 W无关联，从而削减两输入量之间的相互干扰现象。改进后的把握系统通过前馈解耦削减了两个输入量之间的相互干扰，对在输出端造成的扰动对输入量的反响干扰效果也能很好的预防和减弱，从而削减的系统的误差。因此，由于输出数据的前期波动程度较弱，波动时间较短，系统的响应时间得以提高。在系统开机时，能很快到达稳定的输出状态，当干扰降临时， 系统的自我调整力量也大大提高了，从而令机组的工作效率提高了。前几年在江苏落成的国电泰州电厂使用的是典型的 1000MW 超超临界机组， 通过从网上查阅相关资料后，使用其在 80%负荷的工况下的现场
24、运行数据进展争辩。将相关数据输入 MATLAB 并化简后，得出在 80%负荷工况下把握系统的动态模型传递函数为：3-1另外依据相关学问：GD= -1212GG; D= -2121G(3-2)1122第四章 把握方案仿真验证4.1 MATLAB 简介MATLAB 是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，也是国内外高校和争辩部门进展科学争辩的重要工具。在设计争辩单位和工业部门， MATLAB 被广泛应用于科学争辩、函数计算和解决各种具体问题。对于宽阔的工科类大学生来说，生疏 MATLAB，把握 MATLAB 的根本应用方法并能够用 MATLAB 来解决本专业的问题，是格外有意义的。在本
25、人大学四年的本科学习中也曾有屡次涉及 MATLAB 及其相关软件的学习任务。MATLAB 是由美国 The MathWorks 公司于 1984 年推出的一种科学工程计算语言，它被广泛运用于自动把握、数学运算、信号分析、计算机技术等各种技术类行业和领域。进展到今年，MATLAB 作为同类软件中的龙头，有其独树一帜的优势和特点。（1） 简洁易用的程序语言。尽管 MATLAB 是一门编程语言，但与其他语言如C 语言相比，其不需要定义变量和数组，所以人机协调程度更好，使用更加便利，并具有机敏性和智能化的特点。用户只要具有一般的计算机语言根底，就可以很快把握它。（2） 代码短小高效。MATLAB 程序
26、设计语言集成度高，语言简洁。对于用 C/C+ 等语言编写的数百条语句，假设使用 MATLAB 编写，则只需几条或几十条就11能解决问题，因此用户并不需要话费大量时间死记上百种指令语句，就可以轻松地编出一条完胜的程序。而且程序牢靠性高，易于维护，可以大大提高解决问题的效率与水平。（3） 功能丰富，可扩展性强。MATLAB 软件包括根本局部和专业扩展局部。根本局部包括矩阵运算、各种变换、代数求解等满足各种一般科学计算的需要的功能。专业扩展局部用于解决某一领域的专业问题。MATLAB 大量的有用功能可以满足各种不同的专业争辩方向和工程需求的用户。（4） 精彩的图形处理力量。MATLAB 供给了丰富的
27、图形表达函数，可以奖试验数据和计算结果以图形的形式表示出来，并可以绘制各种难以表达的函数曲线。使用户只需要简洁地输入函数的表达式即可便利快捷地获得函数的图像。（5） 强大的系统仿真功能。应用 MATLAB 属下的 Simulink 软件包供给面对框图的建模与仿真功能，用户即使不编程，也可以直接很简洁地构建系统的仿真模型，准确地进展仿真分析。这让一些对编程并不格外生疏的用户也可以只通过使用运用选择拖动来完成相应数学模型的建立。作为 MATLAB 属下一项格外重要的功能， Simulink 的消灭为 MATLAB 的应用拓宽了空间。下面，本文要在 Simulink 工作环境下对上文提出的超超临界机
28、组燃烧过程把握模型进展仿真。4.2 把握方案的 Simulink 仿真验证首先，在 Simulink 环境下完成对图 3 的建模，如图 5 所示。图 5 一般的燃烧把握系统的Simulink 仿真将式3-1中的数据输入 Simulink 中，运行后可从示波器中得到 T 和 PT12的波形图，分别为图 6、图 7 所示。图 6 一般燃烧系统微过热蒸汽温度T输出波形图 7 一般燃烧系统主蒸汽压力PT输出波形随后，在 Simulink 环境下完成对图 4 的建模，如图 8 所示。图 8 改进的燃烧把握系统的Simulink 仿真输入信号选用两个单位阶跃信号，依据运算可以求出，PID 把握器 1 的比
29、例增益为 40.22，PID 把握器 2 的比例增益为-50.93；两把握器的积分系数分别为1和 1；两把握器的微分系数可无视不计。59.236为了运算便利，首先对式3-1进展最小二乘法拟合，得出相应的一阶加纯滞后模型。原对象为式4-1，拟合模型为式4-24-14-2将式4-2所计算出的数据代入式3-2中，可以算出D 和 D ，输入数1221学模型中。运行 Simulink，在示波器中得出的 T 和 P 波形图分别如图 9、图 10 所示。T14图 9 改进燃烧系统微过热蒸汽温度T输出波形图 10 改进燃烧系统主蒸汽压力PT输出波形结论将图 6 与图 9，图 7 与图 10 分别比照后可以觉察
30、，以下几点：一、改进后的燃烧把握系统两输出量的振荡时间变短了，这说明系统改进后响应时间更短。二、改进后的燃烧把握系统两输出量稳定后的输出量比改进前更加接近抱负的输出值，这说明白通过将系统闭环并增加 PID 把握后系统的误差削减了。三、改进后的系统超调量有大幅度的削减，这说明系统的抗干扰力量增加了。综上所述，改进后的燃烧把握系统比照起改进前的系统更加快速稳定，符合超超临界机组对于燃烧系统把握的根本要求，适合在超机组的实际运行中普及。15致谢这篇论文是本人在刘红波教师的悉心指导下完成的，对于刘教师在繁忙的争辩与授课任务中仍旧抽出时间来指导我的论文写作，本人在此表示最诚意的感谢与最崇高的敬意。超超临
31、界机组在国内仍属于高技术领域，刚接触这个论文题目时我对这方面所知甚少，然而刘教师已经对这个方面有了数十年的深入争辩。在刘教师的急躁引导下，我成功地叩开了学问的大门，经过这半年的虚心求索， 我对超超临界机组方面已经略有所知，这和刘教师一路上的循循善诱有不行分割的关系。另外我还需要感谢同组的帅宁、江岳、贺卫东和丁岱铭同学。由于同样属于刘教师辖下的毕业生争辩小组，我们所争辩的课题相近，在刘教师没空的时间中， 我们相互帮助，互通有无，对于我在争辩过程中遇到的很多各种各样的问题，他们都一一急躁解答让我可以少走很多弯路。还有刘教师试验室中的争辩生王会卿学姐。由于本文需要用到 MATLAB 和Simulin
32、k 的相关专业学问，这在我的本科学习中接触较少，只能询问争辩生， 而王学姐虽然也有繁重的毕业论文任务，但还是抽出时间示范相关软件的使用方法，对我准时完成论文有很大的帮助。固然，还有把握学院的教师领导们。在他们严格要求和合理安排了我们的论文写作时间表，对相关资料的整理收集方面也供给应我们很大的便利。因此，我的论文争辩始终按部就班地进展着，并没有消灭时间安排混乱导致论文质量下降的问题。在大学的最终时间里遇到了一群良师益友对我来说是一件格外幸运的事。虽然之前学习成绩不是格外好，导致根底较差，但得益于他们论文还是圆满地完成了，期望可以得到教师们的指导釜正。参考文献1张雨飞，超超临界火电机组热工把握技术，北京：中国电力出版社,2023 2姜树君，自动调整系统，北京：水利电力出版社，1988.3薛定宇，把握系统仿真与计算机关心设计，北京：机械工业出版社，2023 4巨林仓，电厂热工过程把握系统，西安：西安交通大学出版社，20235 张聚，基于MATLAB 的把握系统仿真及应用，北京：电子工业出版社，20236 高宇峰，超超临界机组燃水比把握策略争辩，北京：华北电力大学硕士学位论文，2023