燃气—蒸汽联合循环机组负荷优化控制

论文总字数：26143字

摘 要

论文题目：燃气—蒸汽联合循环机组负荷优化控制

学生姓名：邵恩泽

导师姓名：吕剑虹

学校名称：东南大学

我国电力发展迅速，2007年，中国发电量达到32559亿千瓦时，连续7年平均增长超过13.2%。发电装机容量突破7亿千瓦，达7.1329亿千瓦，居世界第二，仅次于美国。虽然，我国正在推进节能减排，调整电源生产结构，优化电源布局结构，大力发展水电，积极发展核电，加快发展新能源，但仍然以优化发展煤电为重点。

但火力发电同时也带来了一系列的弊端，如烟气污染、粉尘污染、资源消耗等诸多问题，以我国来看，火力发电污染严重，电力工业已经成为中国最大的污染排放产业之一，这也是一个全球性的问题，现今世界各国都着眼于发展高效、低污染燃烧技术，节约能源，保护大气环境，但是都未能从根本上解决成本高、热效率低的难题，反而使得燃煤设备的附属和相关配件越来越庞大、附加费用越来越高。

目前来看，相较于受环境因素影响较大的风力发电和光伏发电以及无法大规模使用的核能发电，具有高效率、高灵活性、低排放、建设周期短、资金花费少等一系列优点的燃气轮机在电场中扮演了越来越重要的角色。但目前的燃气轮机建模仍有较多的不足之处，需要对其进行负荷优化，以加强其稳定性、快速性、准确性等指标。

在电厂中传统的控制系统往往选择PID控制，但在实际应用中发现使用PID算法在多变量高维复杂系统中难以建立精确的数学模型，又因为工业过程的结构、参数以及环境具有不确定性、时变性、非线性，最优控制难以实现，因此尝试使用预测控制法建模。

此篇论文的工作是藉由从电厂现场试验得到的数据，拟合出对象的特性方程，并分别使用传统PID算法、PID改进算法以及预测控制对其进行建模，同时分别观察不同模型在收到AGC指令后的对象响应曲线并作出相应的比较分析。

关键词：燃气轮机，联合循环，建模，预测控制

Abstract

Title：Research on Gas turbine coordinated optimization control system

Name：Shao Enze

Supervisor：Lv Jianhong

School：Southeast University

The electric power development of China is rapid. In 2007, Chinese generating capacity has achieved 3.2559 trillion KWh, and the growth rate has been exceeded 13.2% for seven consecutive years. China has been world's second-largest producer of electric, second Only To America. Though China seeks to promote energy conservation and emissions reduction, adjust the structure of energy production, optimize the energy structure and speed up the development of new energy, such as hydroelectric and nuclear power, raise efficiency of thermal power generation is always the most important.

At the same time, coal-fired power also brought a series of drawbacks, such as flue gas pollution, dust pollution, resource consumption, etc. Judging from the situation in China, electric power industry has become one of the biggest pollution industry, this is also a global problem. To address this issue, all the countries are looking for a high-efficiency-and-low-pollution technology, but failed to solve the problem of high cost and low thermal efficiency fundamentally, on the contrary, it results to the larger expense of coal combustion’s facilities.

Nowadays, wind power generation and photovoltaic power generation are affected by the environment easily, nuclear power can't be used widely. Compared to them, Gas turbine have a series of advantages, such as high efficiency, high flexibility, low emissions, short construction period and less capital cost. And gas turbine has played a more and more important role in power plant. However, current gas turbine model still has many shortcomings, in order to enhance its stability、 rapidity, accuracy and other indicators， it is necessary to optimize control.

The traditional control systems in power plant are always PID control system, however, it is difficult to establish accurate mathematical model in multivariable high-dimensional complex systems by using PID algorithm. At the same time, the structure and parameter of industrial process and environment have uncertainty, nonlinear and time-varying, This paper will try using prediction control model to achieve optimal control.

This paper use the data from power plant, fit the equation of the object characteristic. This paper will also use traditional PID control、improved PID control and forecast control to model. At the same time, this paper will compare and analyze the response curve of AGC in different model.

Key: gas-steam combined cycle，forecast control，gas turbine

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………………Ⅱ

1. 绪论 ……………………………………………………………………………1
   1. 课题背景及意义 ………………………………………………………………………1
   2. 课题研究现状 ………………………………………………………………………2
   3. 本文工作 ……………………………………………………………………………5
2. 燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统的对象参数拟合 ……………………6
   1. 工程实验安排 ………………………………………………………………………6
   2. 对象参数拟合方法简介 ……………………………………………………………6
   3. 燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统模型 ……………………………………7
      1. 110MW工作点对象参数拟 ………………………………………………7
      2. 145MW工作点对象参数拟 ………………………………………………9
      3. 158MW工作点对象参数拟 ………………………………………………10
   4. 本章小结 ……………………………………………………………………………11
      1. 燃料阀门开度对实发功率对象参数汇总 …………………………………11
      2. 本节所做工作 ………………………………………………………………11
      3. 燃机燃料指令对机组负荷模型分析 ………………………………………12
3. 使用传统控制方法对燃气轮机负荷控制 ……………………………………13
   1. 传统控制方法介绍 …………………………………………………………………13
   2. 目前燃气负荷控制策略和改进的燃机负荷控制策略简介 ……………………13
      1. 传统 PID 控制原理 ………………………………………………………13
      2. 改进 PID 控制原理 ………………………………………………………16
   3. SIMULINK 建模说明及参数选择 ………………………………………………16
      1. 建模说明 ……………………………………………………………………16
      2. 传统 PID 控制的 SIMULINK 建模 ……………………………………17
      3. 改进 PID 控制的 SIMULINK 建模 ……………………………………17
   4. 一次调频指令变化时两种 PID 控制算法的响应 ………………………………18
   5. 两种 PID 控制算法的比较分析 …………………………………………………21
      1. 110MW 工作点处实发功率变化及燃料阀门开度变化 ………………22
      2. 145MW 工作点处实发功率变化及燃料阀门开度变化 ………………23
      3. 158MW 工作点处实发功率变化及燃料阀门开度变化 ………………25
   6. 小结 ………………………………………………………………………………26
4. 燃气轮机单变量预测控制系统的研究与仿真比较 ………………………27
   1. 预测控制简介 ……………………………………………………………………27
   2. 使用动态矩阵控制（DMC）建模原理及步骤 ………………………………27
      1. 建模说明 ………………………………………………………………27
      2. 预测模型建立 …………………………………………………………28
      3. 滚动优化 ………………………………………………………………29
      4. 参数选择 ………………………………………………………………30
   3. 一次调频指令变化时要预测控制算法的响应 ………………………………31
   4. AGC 指令下预测控制模型的响应及与改进PID控制比较 ………………33
      1. 110MW 工作点预测控制模型的响应曲线 …………………………33
      2. 145MW 工作点预测控制模型的响应曲线 …………………………34
      3. 158MW 工作点预测控制模型的响应曲线 …………………………34
   5. 小结 ……………………………………………………………………………35
5. 总结与展望 ………………………………………………………………36
   1. 总结 ……………………………………………………………………………36
   2. 未来工作展望 …………………………………………………………………36

致谢 ……………………………………………………………………………………………38

参考文献（References） ……………………………………………………………………………39

第一章 绪论

• 1. 课题背景及意义

自从第二次工业革命之后，人类进入了“电气时代”，社会电气化致使各个生产行业对电能的需求均大大增加，促使了锅炉、汽轮机和发电机制造技术的完善以及输变电技术的改进，随着人们生活品质的提高以及对于科学技术进步的渴求，也造成了越来越大的能源需要，20世纪30年代以后，火力发电技术发展最为迅速，到现在为止，火力发电已经历经了一百多年的发展和完善，相较于其他发电技术，火力发电更被熟知，故而可以预见火电厂在目前以至将来一段比较长的时间内仍将是全球最主要的发电厂类型。

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