基于广义预测控制的直流锅炉燃烧系统的研究与应用

摘要

随着供电需求逐渐加大，目前，中国火电厂的小机组锅炉正逐渐被亚临界、超临界甚至超超临界的大容量锅炉取代。2002年，中国就“厂网分离、竞价上网”模式的改革，电厂必须在保障运行安全的前提下，尽量降低发电成本才能有效的参与竞争。另一方面，中国乃至世界都出现了严重的能源危机，环境问题也日益严重。因此，提高锅炉燃烧系统的热效率，优化燃烧，降低发电成本，节约能源，同时减少污染物的排放是目前中国电厂发展的重要研究课题，也是目前很多学者的研究目标。
　　本文以某电厂600MW机组的大容量直流锅炉为研究对象，对该锅炉的燃烧系统进行了分析研究，锅炉中煤粉的燃烧过程十分复杂，并存在着大时滞、非线性等问题，影响燃烧过程的因素也非常多，因此，要建立锅炉燃烧系统的数学模型十分困难。本文依据电厂锅炉燃烧系统要完成的三项基本任务选取了送风量、给煤量、引风量（引风机的转速）作为被控变量，来控制锅炉燃烧的主蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛负压的变化，搭建一个多输入多输出的数学模型作为被控对象来实现对锅炉燃烧系统的研究。建模过程中，为了防止原始数据中某些数量级较小但表征被控对象特性的数据被忽略，通过计算原始数据的数学期望和方差值对数据进行了归一化处理，再用归一化后的数据代替原始数据建立数学模型。为了验证所建模型的准确性，采用另一组数据输入给模型，通过模型输出和真实输出进行对比，证明了所建模型可以代替锅炉燃烧系统作为被控对象进行研究。此外，根据燃烧迟滞的特性，对所建模型进行进一步优化，添加时滞项并做近似处理，辨识结果表明，优化后的模型更加精确，更具有锅炉燃烧系统的特征。
　　本文采用广义预测控制算法设计控制器代替传统的PID控制器对锅炉燃烧系统进行优化控制，预测控制产生于工业过程控制中，对被控对象模型的要求不是很高，因此弥补了由于模型不够精确导致控制效果不准确的缺陷，同时，广义预测控制滚动优化和反馈校正的特点使其有较强的鲁棒性和抗干扰能力。鉴于广义预测控制算法的显示算法需要求解丢番图，有大量的矩阵求逆的运算，容易造成工作量大，工作时间长的问题，本文采用了广义预测控制的隐式算法，不需要求解丢番图，而是利用输入输出数据直接辨识控制率的参数，减少计算量同时节省时间，仿真结果显示，隐式广义预测控制算法对锅炉燃烧控制系统有很好的控制效果，可以提高锅炉燃烧的经济性，同时维持炉膛压力的稳定，并将炉膛负压维持在允许的范围内。

目录

1 绪论

1.1研究的背景及意义

1.2 电厂锅炉燃烧系统的研究现状

1.3 预测控制的研究现状

1.4 关键问题提炼及提出创新点

1.5 本文主要内容及章节安排

2 直流锅炉燃烧控制系统

2.1 直流锅炉结构及燃烧物理过程

2.2 燃烧控制系统的动态特性

2.3 锅炉燃烧控制系统的基本任务

2.4 本文控制方案确定

2.5 本章小结

3 锅炉燃烧过程的建模和辨识

3.1 系统建模概述

3.2 最小二乘法

3.3 锅炉燃烧系统模型建立

3.4 锅炉燃烧系统模型的辨识与改进

3.5 本章小结

4 广义预测控制算法

4.1 广义预测控制的原理

4.2 丢番图的解法

4.3 隐式广义预测控制算法

4.4 广义预测控制的特性

4.5 本章小结

5 直流锅炉燃烧系统预测控制仿真

5.1 锅炉燃烧系统预测控制方案

5.2 控制结果仿真及应用

5.3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文情况