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摘 要

本文对白城发电公司660 MW超临界空冷机组冷端系统进行了建模，研究了火电机组空冷系统凝汽器背压动态响应特性，同时利用自抗扰控制器对凝汽器背压进行控制。

采用移动边界法对直接空冷机组冷端系统空冷凝汽器的一根单管进行建模，得到与有限体积法相比响应速度快且精度几乎相同的低阶数学模型。同时管内流体都处于两相区，选择管内流体出口焓和两相区平均空隙率作为状态变量，使得在计算质量守恒方程时所产生的误差较小，模型精准度得到提高，且不用求解隐式超越方程，使得模型响应速度加快。通过观测凝汽器背压动态响应曲线，验证了此模型的快速性和可靠性。采用自抗扰控制器对所建模型背压进行控制。与 PID控制器相比，自抗扰控制器增加了安排过渡过程、非线性跟踪微分器、非线性组合部件、扩张状态观测器以及扰动补偿部分，具有良好的控制效果，使得凝汽器背压可以更快更好的调节。

关键词：直接空冷系统，空冷凝汽器，移动边界法，仿真模型，自抗扰控制

Abstract

This paper presents Baicheng company 660 MW supercritical units air cooling system’s model and the dynamic response curve of condenser’s back pressure in air cooling system of thermal power unit. At the same time, auto disturbance rejection controller is used to control the back pressure of condenser.

By using moving boundary method to model a single pipe of direct-air cooling units’ air cooling system, a low order mathematical model with fast response and almost the same precision as the finite volume method is obtained. The fluid is in the two-phase region in the whole pipe, choosing the mean void fraction and the outlet enthalpy at the same time can result in small mass conservation errors which improve the precision of the model and avoid solving an implicit transcendental equation which can accelerate simulation speed. The simulation results prove that the model has good rapidity and reliability. By using auto disturbance rejection controller(ADRC), the back pressure of condenser is controlled. Compared with PID controller, ADRC overcomes the difficulty that differential signals is easy to be coved by noise and using integral of errors as feedback has side effect and the problem that original error is not reasonable. At the same time, using nonlinear combination instead of linear combination to control can achieve many intelligent control which has good control effects. In the condition, the regulation of condenser back pressure can be faster and better.

Key words：Direct air-cooling system; Air-cooled condenser; Moving boundary method; Simulation model; Auto disturbance rejection control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 火电机组直接空冷系统建模与控制研究现状 2

1.2.1 国内外直接空冷机组冷端系统建模研究现状 2

1.2.2 国内外直接空冷机组冷端系统控制研究现状 3

1.3 本文完成的主要工作及内容安排 3

第2章 火电机组直接空冷系统动态特性分析 5

2.1 火电机组直接空冷系统的基本结构及工作流程 5

2.1.1 空冷凝汽器 5

2.1.2 风机系统 6

2.2 火电机组直接空冷凝汽器的机理建模 6

2.2.1 基本假设及模块划分 6

2.2.2 单管数学模型控制方程 7

2.2.3 管道压降计算 10

2.3 火电机组直接空冷系统仿真研究 12

2.3.1 风机转速对凝汽器背压的影响 13

2.3.2 环境温度对凝汽器背压的影响 14

2.4 本章小结 15

第3章 火电机组直接空冷系统背压控制 16

3.1 自抗扰控制技术的原理及方法 16

3.1.1 自抗扰控制器安排过渡过程 16

3.1.2 自抗扰控制器非线性跟踪微分器 17

3.1.3 自抗扰控制器非线性组合部件 18

3.1.4 自抗扰控制器扩张状态观测器 19

3.2 火电机组直接空冷凝汽器背压自抗扰控制 21

3.2.1 自抗扰控制器设计与仿真 21

3.2.2 与PID控制器比较 25

3.3 本章小结 28

第4章 结论与展望 29

附 录 30

参考文献 39

致 谢 40

绪论

课题研究背景及意义

目前，我国采用的发电方式主要有火力发电，水力发电。除此之外，像对风能，太阳能，地热能，核能等新型能源的利用也在日益增加。即便如此，火力发电仍是我国电力系统获取电力最主要最普遍的方式，它在我国的能源结构中至关重要，同时也是不可被取代的。火电机组通过提高锅炉、汽轮机等设备的运行效率，可以大幅提高机组运行经济性，因此火电机组在节约能源，降低能耗上有着很大的空间。对于采用空冷的机组，冷端系统作为其重要的辅助系统，运行状况对于机组整体的安全性，经济性至关重要^[1]。因此，研究火电机组冷端系统的优化控制，是电厂节约能源、降低能耗、提高机组经济指标的重要方法。

直接空冷系统由空冷凝汽器、水环式真空泵、低压变频器、变频轴流冷却空冷风机群、凝结水泵、疏水泵箱等组成。汽轮机低压缸排出来的乏汽进入空冷凝汽器管道，直接与空气进行换热。蒸汽热量被冷却空气带走后，蒸汽发生相变凝结成冷凝水，继而被送回到热力系统中继续循环。其中，直接空冷系统的冷却空气大部分情况下由变频轴流风机以机械通风的方式提供。

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