船用增压锅炉燃烧系统非线性控制技术研究

摘要

增压锅炉是船舶蒸汽动力装置的主要设备，它为船舶运行及日常生活提供所需的动力、电力和热能。增压锅炉的动态性能直接影响船舶蒸汽动力的安全、稳定运行，开展增压锅炉控制系统研究具有重要的理论和实用价值。
　　变工况风油优化匹配控制一直是增压锅炉控制的难题，也是影响蒸汽动力装置工作平稳性、经济性和排放性能的主要因素，传统的控制系统通常采用PID控制策略，在变工况时，无法实现空气流量快速跟踪燃油流量的变化，保证风油比始终控制在理想的范围内，导致燃烧状态恶化。主蒸汽压力的稳定控制是汽轮机平稳、可靠运行的根本保障，主蒸汽压力控制系统是典型的非线性、大延迟、多参数及强耦合系统，将主蒸汽压力控制系统简化为线性、单变量系统，且忽略参数之间的耦合作用开发的控制系统，无法满足主蒸汽压力在变负荷过程中快速性和平稳性的要求，为此，本文做了如下研究工作：
　　1）考虑增压燃烧对锅炉容积热负荷的影响，计算炉膛对流换热量，集成到能量守恒中，并采用КВ76热力计算方法计算炉膛出口烟气温度，解决了忽略增压燃烧及对流换热造成的模型计算精度低的问题。针对涡轮增压机组中压气机、烟气涡轮和辅助汽轮机采用不同工质驱动的问题，分别修正进入透平的气体组分，适应建模需要。为解决透平机械在不同工况下不同运行特性的问题，将实验特性曲线插值嵌入到仿真模型运行曲线中，使仿真模型逼近真实涡轮增压机组运行特性，提高模型计算精度。
　　2）涡轮增压机组主要负责为锅炉提供在全工况范围内高效、稳定和可靠工作所需要的增压空气，它由烟气涡轮和辅助汽轮机共同驱动，涡轮增压机组相对于增压锅炉工况变化存在较大的惯性和滞后性，且在部分负荷和高工况时烟气能量不足以推动涡轮增压机组产生足够的增压空气满足合理的风油比需要，必须依靠辅助汽轮机提供必要的动力驱动涡轮增压机组，其控制难点在于增压锅炉、烟气涡轮和辅助汽轮机的协调控制。针对涡轮增压机组运行过程中表现为连续动态和离散事件相互作用的混杂行为特征，提出基于协同约束弧Petri网理论的控制方法，建立基于层次结构协同约束弧Petri网的涡轮增压机组控制模型，解决了空气流量调节滞后，恶化炉膛燃烧的难题。
　　3）增压锅炉主蒸汽压力受燃油流量和主蒸汽流量共同影响，从燃油燃烧到主蒸汽压力响应过程存在较大的时间滞后，且具有较强的非线性，主蒸汽流量对主蒸汽压力的影响则具有快速性。其控制难点在于调节燃油流量迅速补偿主蒸汽流量波动对主蒸汽压力产生的变化，维持主蒸汽压力稳定在合理范围内。针对单独利用燃油量对主蒸汽压力进行预测时产生的预测精度低，从而影响控制效果的问题，将Hammerstein模型扩展为双输入Hammerstein模型，将燃油流量和主蒸汽流量集成到输入变量中，建立归一化双输入Hammerstein模型，解决了系统非线性、多变量耦合以及变工况下参数时变等特性降低辨识精度的问题。对双输入 Hammerstein模型进一步优化，建立主蒸汽压力Laguerre-Fuzzy Hammerstein辨识模型，解决了系统强非线性、大滞后、多变量耦合、不确定性及参数时变等特性产生的主蒸汽压力辨识精度低的难题，从而提高预测控制器控制品质。
　　4）增压锅炉燃烧控制系统包括燃油流量调节回路和空气流量调节回路，如何保证两控制回路协调运行是燃烧控制系统的关键。本文采用串级控制方式，空气流量调节回路采用基于新型 Petri网的切换控制策略，燃油流量调节回路分别采用基于归一化双输入Hammerstein模型和Laguerre-Fuzzy Hammerstein模型的非线性预测控制算法。将控制策略基于仿真模型进行了仿真分析，结果表明本文所提的增压锅炉燃烧控制策略能够在全工况内，迅速稳定主蒸汽压力，并保证了涡轮增压机组的功率平衡和系统安全性。在汽包水位和主蒸汽流量扰动的情况下，该控制策略能使系统各主要参数迅速稳定，证明控制策略的有效性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3增压锅炉燃烧控制技术难点分析

1.4本文的主要研究内容

第2章 增压锅炉仿真模型

2.1锅炉本体数学模型

2.2涡轮增压机组数学模型

2.3增压锅炉仿真模型及实验验证

2.4本章小结

第3章 涡轮增压机组混杂控制研究

3.1涡轮增压机组控制难点分析

3.2涡轮增压机组控制策略分析

3.3涡轮增压机组混杂控制模型建立

3.4仿真结果分析

3.5本章小结

第4章 主蒸汽压力非线性辨识方法研究

4.1主蒸汽压力实际控制策略分析

4.2基于TISO Hammerstein模型的主蒸汽压力辨识

4.3 基于NTS Hammerstein模型的主蒸汽压力辨识

4.4 基于Laguerre-Fuzzy Hammerstein模型的主蒸汽压力辨识

4.5本章小结

第5章 增压锅炉燃烧控制策略研究

5.1非线性预测控制算法实现

5.2 增压锅炉燃烧非线性控制策略

5.3 仿真结果分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢