增压锅炉发电机组变负荷燃烧控制规律研究

摘要

汽轮机在船舶动力中主要以推进汽轮机和发电汽轮机两种形式存在，是船舶航行为了实现在船舶运行过程中对于船舶燃烧系统和汽轮机之间的协调控制策略研究，本文建立在实际科研项目的基础上，根据各装置的工作原理，对增压锅炉燃烧系统和汽轮机之间的协调控制进行了控制策略的研究，开展了以下的研究工作:
　　首先，结合增压锅炉及其辅助设备的运行特点，对增压锅炉燃烧系统的工作机理进行深入研究。遵循质量守恒和能量守恒定律，对增压锅炉燃烧系统进行建模。对于燃烧系统回路、烟气回路、主汽轮机负载端分别进行模型的建立，为整体燃烧系统的控制奠定了基础。
　　其次，针对于燃烧系统输入端，即燃油、空气回路进行了控制方法研究。燃油端通过对各个回路进行PID控制得到了很好的动态特性，考虑到燃烧过程中的安全性，进行了对于燃油流量、燃油总管压力、燃油压差三回路的耦合控制，验证了燃油系统耦合过程的安全、可行性。通过对于烟气回路的PID控制得到了涡轮机组、辅汽轮机的动态特性曲线，验证了烟气回路的模型正确性，并在PID控制器的基础上提出了模糊控制，进一步改善了空气流量的动态性能。考虑到燃烧过程中的安全性，通过对于不同工况下空气、燃油比的调节，在燃烧系统负荷增加过程中预先对空气流量进行补偿，燃烧系统负荷降低过程中预先减少空气流量，防止增压锅炉在燃烧过程中出现冒黑烟、白烟的现象。根据这些现象提出了对固定空燃比的改进设计。并通过仿真验证了对空燃比优化后系统动态性能的改善情况。
　　然后，在主蒸汽回路输入端，即燃油、空气回路得到良好控制的前提下，对主蒸汽压力回路进行了PID控制，验证了模型的准确性，但是负载、工况发生变化的情况下，PID对于整体系统不能够很好的完成跟随调节。考虑到燃烧系统是一个复杂的、大滞后环节，提出了广义预测控制的控制策略。并通过离线辨识对广义预测控制进行了模型参数整定。完成控制器的设计，能够实现负载端变化情况下，对于主蒸汽压力更好的控制。
　　最后，本文考虑到船舶推进汽轮机在电站负荷突变时受到影响，针对这种情况作出协调控制策略。类比汽轮发电机组的数学模型给出推进汽轮机的数学模型，并对系统进行仿真分析。在保持两汽轮机蒸汽配比的情况下，通过控制主蒸汽压力的方法使推进汽轮机和电站汽轮机在电站负荷突变时能够协调控制，保证了船速的稳定。仿真结果表明，该控制策略能够在负载端产生符合扰动时很好得对推进汽轮机进行控制，具有很好的抗干扰性，并且燃烧系统在不同工况下工作，均可实现快速调节，该控制系统具有很好的抗干扰性和快速性。
　　本文针对船舶增压锅炉燃烧系统与电站的协调控制难点，设计了相关的控制器，实验结果表明这些控制方法都能够实现船舶增压锅炉燃烧系统与电站的协调控制，并在此基础上解决了考虑推进汽轮机情况下使船速保持稳定这一实际的船舶运行问题。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题的背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1增压锅炉特性研究现状

1．2．2增压锅炉燃烧控制方法的研究现状

1．3增压锅炉协调控制技术难点

1．4本文主要内容安排

第2章燃烧系统数学模型建立

2．1锅炉系统工作原理

2．1．1锅炉炉膛数学模型

2．1．2过热器数学模型

2．1．3经济器数学模型

2．2涡轮增压机组的数学模型

2．2．1涡轮增压机组数学模型

2．2．2功率平衡数学模型

2．2．3压气机模型

2．2．4涡轮模型

2．2．5辅助汽轮机模型

2．3燃油系统的数学模型

2．3．1燃油流量调节滑阀的数学模型

2．3．2燃油总管压力调节阀的数学模型

2．3．3燃油压差调节滑阀的数学模型

2．4主汽轮机模型

2．4．1级组流量数学模型

2．4．2级组功率数学模型

2．4．3螺旋桨推进特建模

2．5本章小结

第3章燃烧系统控制器设计

3．1燃油控制回路

3．1．1燃油系统单回路控制仿真

3．1．2燃油系统耦合控制回路仿真

3．2空气流量控制回路

3．2．1空气流量系统的PID控制仿真

3．2．2空气流量系统的模糊控制仿真控制仿真

3．3蒸汽动力系统的空气、燃油比控制

3．3．1变空燃比优化设计

3．3．2空、燃比变系数系统改进下的仿真

3．4本章小结

第4章变负荷扰动下燃烧系统主蒸汽压力控制策略研究

4．1主蒸汽压力调节回路分析

4．2主蒸汽压力系统仿真

4．2．1主蒸汽压力开环特性仿真

4．2．2主蒸汽压力PID控制仿真

4．3广义预测控制器设计

4．3．1广义预测控制基本原理介绍

4．3．2广义预测控制的预测模型设计

4．3．3控制器参数设计

4．4广义预测控制的仿真

4．5本章小结

第5章考虑推进汽轮机运行状态下燃烧系统的仿真分析

5．2电站汽轮机变负荷情况下仿真曲线分析

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢