火电机组过热汽温优化控制方法及仿真研究

论文总字数：30898字

摘 要

在火电机组中，过热汽温是一个很重要的被控量，保持过热汽温在一定范围内对于机组热经济性和安全性有重要的意义。

在材料允许的情况下尽量提高过热汽温有利于提高整个火电机组的热经济性，而过高的过热汽温可能烧坏过热器，造成危险，所以过热汽温是电厂一个很重要的经济与安全指标。但是过热汽温是一个有大时滞、大惯性、难控制的高阶控制对象，目前电厂对于过热汽温的控制一般采用串级PID控制系统，虽然PID控制器能够很好地消除稳态偏差，但是在具有大惯性的控制对象面前，往往其控制效果不能尽如人意。所以寻找优化火电机组的过热汽温控制方法，有助于更好地控制过热汽温，使其具有很好的鲁棒性以及尽量小的超调量和上升时间，对于提高火电机组热经济性和安全性是一项有重要现实意义的工作。

针对以上问题，对于带有大延滞控制对象的串级PID系统的改进方法，主要包括两个部分，首先是分别使用Smith预估控制策略改进控制系统，另外一部分是使用遗传算法优化PID参数，仿真实验结果显示经过遗传算法优化的PID控制器比原来的控制器有更好的控制效果。

关键词：过热汽温，大惯性，Smith预估器，遗传算法

ABSTRACT

In thermal power units, superheated steam temperature is a very important controlled quantity. Maintaining superheated steam temperature in a certain range is of great significance to thermal economy and safety of units.

Increasing the superheated steam temperature as much as possible in the case of material permissibility is conducive to improving the thermal economy of the whole thermal power unit, and excessive superheated steam temperature may burn the superheater and cause danger, so superheated steam temperature is a very important economic and safety index of power plant. However, superheated steam temperature is a high-order control object with large time delay, large inertia and difficult to control. At present, cascade PID control system is generally used for superheated steam temperature control in power plants. Although the PID controller can eliminate steady-state deviation well, its control effect is often unsatisfactory in front of the control object with large inertia. Therefore, to find an optimal control method of superheated steam temperature of thermal power units is helpful to better control superheated steam temperature, make it have good robustness, and minimize overshoot and rise time. It is of great practical significance to improve thermal economy and safety of thermal power units.

To solve the above problems, there are two main parts to improve the cascade PID system with large delay. First, Smith predictive control strategy is used to improve the control system, and the other part is to optimize the PID parameters by genetic algorithm. The simulation results show that the PID controller optimized by genetic algorithm has better control effect than the original controller.

Key words: superheated steam temperature, Great inertia, Smith predictor, genetic algorithm

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 大惯性对象控制方法 1

1.2.1 串级系统 1

1.2.2 Smith预估控制 3

1.3 控制器参数优化方法 3

第二章 应用遗传算法优化PID 控制系统 6

2.1 遗传算法简介 6

2.1.1 基本遗传算法 7

2.1.2 改进遗传算法 10

2.2 基于遗传算法的PID 控制器参数优化 11

2.2.1 优化指标的选取与适应度函数的设计 11

2.2.2 基于遗传算法的PID 控制器参数优化步骤 12

2.3仿真研究 13

第三章 过热气温Smith预估控制方法 19

3.1 Smith预估控制原理 19

3.2 过热气温Smith预估控制系统设计 19

3.2.1一阶模型的获取 21

3.2.2 二阶模型的获取 22

3.3 过热气温Smith预估控制仿真 23

3.3.1 被控对象模型 23

3.3.2 参数优化及仿真结果 24

3.3.3 结果分析 27

第四章 结论 33

参考文献 34

致 谢 35

1. 绪论

1.1 引言

在火电机组中，过热汽温作为热力系统的重要参数，对过热汽温的控制十分重要，因为其控制品质的优劣关乎整个电厂的安全，过热汽温过高或过低的都会影响机组的热经济性，所以过热汽温控制系统是火电机组最重要的控制系统之一。目前，火力发电机组是电网中承担基本负荷以及调峰的主要力量，因此对过热汽温控制系统提出了较高的要求。过热蒸汽温度自动控制系统的主要任务是维持高温过热器出口蒸汽温度，即保持主蒸汽温度在规定范围内，并使其管壁温度不超过规定的工作温度，从而达到保护过热器的目的，以确保机组运行的安全性与经济性。^[1] 过热器由若干组弯曲的管道组成，是整个机组温度最高的部件，过高的汽温使得过热器存在较大的安全隐患，因为正常工作时，金属管道处于其极限温度下，只要超温，金属强度必定下降，超温超过一定时间则会导致爆管，对电厂里的财产和人员造成威胁。当过热蒸汽进入汽轮机后，汽轮机靠近进汽管道的部件，比如前几级叶片、汽阀等会直接承受高温冲击，减少这些部件的寿命，甚至损坏部件。如果过热汽温太低，进入汽轮机做功时，做功焓降太小，导致热力系统的做功量降低，热效率降低，热经济性也降低，除此之外还有安全问题，太低的过热汽温到达汽轮机末几级叶片时，其湿度上升，冲击末几级叶片，造成危险。过热汽温快速上升或下降也会造成危险，快速变化的过热汽温进入汽轮机后，引起汽轮机转子与汽缸的膨胀幅度不同，进而发生剧烈振动，甚至碰撞，引发事故。

过热汽温是一个具有大延迟、大惯性、难控制的高阶控制对象。另外过热汽温控制还存在非线性，时变性等特点。因此简单的单回路控制很难满足控制要求，需要研究合适的自动控制策略，使其控制性能符合工程要求。

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