燃气蒸汽联合循环机组的模糊自适应PID控制.pdf

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1、华北电力大学（北京）硕士学位论文燃气-蒸汽联合循环机组的模糊自适应PID控制姓名：伊俊业申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：刘吉臻20070101摘要本文分析了燃气一蒸汽联合循J 不(G T C C)技术当前在国内外的发展现状，以及G T C C 的主要特点和各部件的特性和结构特点。然后将整个联合循环系统划分成燃气轮机装置、余热锅炉和蒸汽轮机几个单元，通过建立各单元的性能控制模型，实现了G T C C 的系统建模。针对联合循环系统的时变性和非线性，本论文提出了一种模糊自适应控制策略，即根据偏差以及偏差的变化率通过模糊推理在线调整P I D 参数。本控制策略的关键在于模糊推理系统

2、的实现。因此本文给出了一种利用粒子群优化算法自动生成控制规则库的方法。在此基础上，本文将模糊自适应P I D 控制策略应用于燃气一蒸汽联合循环机组，并进行了在不同工况点和频率扰动下的仿真研究。研究表明，这种新的控制策略是有效的。关键词：燃气一蒸汽联合循环；P I D 控制；模糊自适应控制：粒子群优化算法A B S T R A C TT h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h eg a st u r b i n ec o m b i n e d c y c l e(

3、G T C C)s y s t e m，a n dp r e s e n t st h ep r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eG T C Cs y s t e ma n dt h ec o n s t r u c t i o n so fi t sp r i m a r yc o m p o n e n t s T h e nu t i l i z i n gt h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o nf r o ms y s t e me n g i n e e r i n g，t h i

4、 sp a p e rd i v i d e st h eG T C Cs y s t e mi n t o3u n i t s，i e，g a st u r b i n e，h e a tr e c o v e r ys t e a mg e n e r a t o ra n d s t e a mt u r b i n e，a n db u i l d st h em o d e l so ft h e s eu n i t s C o n s i d e r i n gt h et i m e-v a r i a n c ea n dn o n l i n e a r i t yc h

5、a r a c t e r i s t i c so ft h eg a st u r b i n ec o m b i n e d c y c l eg o v e r n i n gs y s t e m，t h i sp a p e rp r o p o s e saf u z z ya d a p t i v eP 1 Dc o n t r o ls t r a t e g y T h eP I Dp a r a m e t e r so ft h eg a st u r b i n ec o m b i n e d c y c l ea r et u n e do n l i n e

6、u s i n gaf u z z yi n f e r e n c es y s t e mb a s e do ne r r o ra n di t sd e r i v a t i v e S i n c et h ek e yo ft h i sc o n t r o ls t r a t e g yi st h ei m p l e m e n t a t i o no ff u z z yi n f e r e n c es y s t e m，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wa u t o m a t i cr u l eg e n e

7、r a t i o nm e t h o du s i n gt h eP a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o n(P S O)，a l g o r i t h m T h i sn e wc o n t r o ls t r a t e g yi sa p p l i e dt ot h eg a st u r b i n ec o m b i n e d c y c l em o d e lS U b j e c tt od i s t u r b a n c e sa td i f f e r e n to p e r a t i n

8、gp o i n t s S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sc o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v e Y iJ u n y e(C o n t r o lT h e o r yA n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g)D i r e c t e db yP r o f L i uJ i z h e nK e y w o r d s：G T C C，P I Dc o n t r o l，F u z z ya d a p t i v

9、 ec o n t r o l，P S Oa l g o r i t h m声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃气一蒸汽联合循环机组的模糊自适应P I D 控制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：l 窒堡兰日期：匕生!：岁关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用

10、学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：4 皇塑多多导师签名华北电力人学硕十学位论文1 1：引言第一章绪论1 1 1 发展燃气一蒸汽联合循环技术必要性在发电行业，燃气一蒸汽联合循环发电技术是世界上较先进的发电技术之一。它凭借其污染小、热效率高、调峰性能好、建设周期短、投资省等优点，日益受到人们的青睐。据统计，1 9

11、 9 8 年度欧洲2 1 个国家的电网装机容量的增量中，8 1 的份额系采用燃烧天然气的燃气轮机及其联合循环机组。相比之下，国内的燃气一蒸汽联合循环机组发电的发展相对滞后。我国的电力工业急需燃气轮机及其联合循环的现实是肯定的，因为到目前为止我国缺电的局面还没有根本缓解，经济发达的东南沿海地区电力供需矛盾仍然比较突出，全国总体缺电容量大约为1 0 左右【6】，而且许多地区电网的峰谷差相当大，急需启动快、调峰特性好、建设周期短的燃气轮机及其联合循环来适应建设发展的需要，特别是某些沿海开放地区更是如此，因此近年来，在这些地区陆续引进了一大批燃气轮机及其联合循环，截至2 0 0 2 年，深圳市燃气轮机

12、及其联合循环的总装机容量已经超过2 0 0 0 M W；海南省的总装机容量已接近6 0 0 M W；广东省则接近于8 0 0 M W；上海市已达5 2 0 M W；浙江省正在建总量为7 0 0 M W 的燃烧重油的燃气一蒸汽联合循环电站；江苏省或浙江省则拟与外资联合建立一座2 4 0 0 M W 的燃烧液化天然气的燃气一蒸汽联合循环电站。此外，在上海和南京等地区还正在与外商谈判进一步引进这些发电设备的事项，其总装机容量将不小于1 0 0 0 M W。截止2 0 0 2 年，我国燃机和联合循环发电的总装机容量约为7 2 G W，约占全国总装机容量的2 4 1 3 5 l。目前，华东地区投产的燃气

13、轮机机组已有十多台。这些事实说明：我国的电力工业对燃气轮机及其联合循环是大有需求的。随着材料和冷却技术的发展，目前燃气轮机初温已可达到1 3 7 0 1 5 0 0，排气温度约为4 5 0 6 0 0，大量的热能随高温燃气排入大气。而对蒸汽动力循环来说，由于材料耐温耐压程度的限制，汽轮机进汽温度一般只有5 4 0 C 5 6 0，循环放热平均温度却很低，一般为3 0 3 8，如果把燃气轮机循环和蒸汽轮机循环联合起来组成燃气一蒸汽联合循环，则有较高的平均吸热温度和较低的平均放热温度，循环热效率将进一步提高。我国电力以火电为主，在总装机容量中，火电占7 5 1在年发电量中，火电占8 0。火电以燃煤

14、为主，其中烧煤粉的中低参数小容量机组占很大比例，平均供电能耗高(4 2 7 9(K w 铀)，供电效率低(2 8 8)，尤其是中小功率燃煤机组，普遍存在效率低下、污染严重等问题(小火电的煤耗是大火电的2 倍以上，而污染物排放量达2 0 倍以上1。对于燃煤电站同时存在提高供电效率和解决污染问题。提高供电效率的主要方式之一是：主蒸汽参数向亚临界、超临界甚至超超华北电力人学硕十学位论文临界方向发展I”。亚临界参数电站供电效率为3 8 左右，超临界参数电站供电效率为4 0 左右，超超临界参数电站供电效率也不超过4 6【2 3 J。可见采用超临界蒸汽参数以提高电站效率的效果是有限的，提高幅度不大，而初期

15、投资却增加不少，运行维护也比较困难。另一条提高电站效率的方法是采用燃气一蒸汽联合循环，供电效率远远超过燃煤汽轮机电站，达4 5 6 0。与此同时，我国由于大气污染每年造成的经济损失近百亿元。采用联合循环后，无粉尘，N O。、S 0 2 和C 0 2 都很少，污染物排放问题解决得彻底。同时还可用于电站的调峰、燃煤旧电站的改造以及热电联供系统(C H P)等。在燃气一蒸汽联合循环中，与目前燃煤电站具有竞争力的、使用洁净煤燃烧技术的、最有发展前途的联合循环型式是整体煤气化联合循环(I O C C)和增压流化床联合循环(P F B C-c c)印J。1 1 2 燃气一蒸汽联合循环发电的主要优点(1)电

16、厂的整体循环效率高常规燃煤电厂由于其循环及设备的限制，其热效率己经很难有突破性的提高。目前超临界的6 0 0 M W 火电机组，其供电效率约为4 0 左右。而燃气一蒸汽联合循环发电效率达5 8-6 0，它把天然气的资源利用率整整提高了5 0 1 4 2 1。(2)对环境污染极小燃气一蒸汽联合循环采用油或天然气为燃料，燃烧效率高，令火电厂最头疼的S 0 2 排放没有了，N O。，C O 排放量降到几个至几十个m l m 3 水平，燃气轮机噪声可作隔声处理，距机组l m 处可降至8 0 d B，1 0 0 m 处为6 0 d B。(3)在同等条件下，单位投资低目前，大功率燃气轮机电站和联合循环电站

17、交钥匙工程的比投资费用分别为$2 0 0 3 0 0 K W 和$5 0 0 一6 0 0 K W，而6 0 0 M W 的燃煤超临界参数机组的单位造价为$1 1 0 0 K W 4 2 1。(4)调峰性能好，启停快捷燃气轮机从启动到带满负荷运行，一般不到2 0 m i n，快速启动时更快。联合循环发电机组热态启动6 0 m i n，温态为9 0 r a i n，冷态为1 2 0 r a i n 可带满负荷。而汽轮发电机组启动至满负荷为：热态9 0 r a i n，温态1 8 0 m i n，冷态3 0 0 m i n 1”。按目前发展趋势来看，为了提高电网运行的机动性和安全性，用占电网总量1

18、 5-2 0 的燃气轮机作为应急备用电源或负荷调峰机组是完全必要的。(5)占地少联合循环电厂由于无需煤场，输煤装置，除灰系统，厂区占地面积比火电厂小得多。燃气轮机和余热锅炉都是户外布置，安装场地少。与同容量火电厂相比，联华北电力人学硕十学位论文合循环电厂占地面积只有火电厂的3 0 一4 0，建筑面积也只有火电厂的2 0 1 4 2 1。(6)耗水量少燃气轮机不需要大量冷却水，一般燃气轮机单循环只需火电厂：2 一1 0 的用水量，联合循环也只需同容量火电厂的1 1 左右1 4 2 1，这对于缺水地区建电厂尤为重要。(7)建厂周期短，且可分期投产由于燃气轮机在制造厂完成了最大量的可能装配后集装运往

19、现场，施工安装简便，建厂周期短。还可分单循环和联合循环两期建设，一般单循环只需5 6 个月就可商业运行，而联合循环一般一年内可发电运行。(8)自动化程度高，运行人员少由于联合循环电厂采用先进的集散式控制系统，控制人员可大大减少，一般只有同容量火电厂人员的2 0-2 5 1 4 2 1。总之，燃气一蒸汽联合循环是一种有显著优点的，有较大发展潜力的动力装置。随着世界性的电力体制改革，电力市场的建立，环保意识的增强，加快了联合循环发电的发展步伐。1 2 燃气一蒸汽联合循环主设备介绍1 2 1 燃气轮机结构及性能介绍目前，大中型燃气轮机的结构型式大致可以分为两大类，即工业型和航机改装型。工业型机组式按

20、照地面工作的要求设计的，它要求使用寿命长，能长期地安全运行，能有较高的效率，力求少用贵重合金材料以降低机组的造价。航机改装型机组则是把航空用的涡轮喷气式发动机，涡轮风扇式发动机、涡轮螺旋桨式发动机、涡轴式发动机等进行改装设计后，用于工业和船舶的机组，它的主要特点是：结构要比工业型轻巧、燃气初温高、机组效率高。相对于航机改装型机组来说，工业型机组的质量较重，尺寸也较大，使用寿命一般需要按1 0 万小时的要求来设计。目前，工业型机组已经完全排除了把压气机、燃烧室和燃气透平彼此分散布置，用管道相互连接的分散布置型结构模式，而改为压气机、燃烧室和燃气透平彼此直接联成一个整体的整体式结构型式。这种结构型

21、式与航空燃气轮机有些相像，因而它的结构也比较紧凑。质量较轻、尺寸也比较小，具有快速启动的特点。从燃气轮机自身的结构来说，可以有重型和轻型的区别。重型结构者零部件都较厚重，它采用滑动轴承，机组的设计寿命在1 0 万小时以上，其比质量一般为25 k g k w”；轻型结构者质量较轻，结构紧凑，所有材料都较好，一般采用滚动轴承，其比质量小于2 k g k w，其中以航机改装的燃气轮机为主体。前者多用于地面固3华北电力人学硕十学位论文定式的发电设备之中；后者常用于车、船等运输机械中。下列列表中给出了目前已经生产的燃气轮机及其联合循环的性能参数：表2-1 某些典型的燃气轮机发电机组的性能参数【7 1I

22、S O 基本功压比燃气初温供电效率单位售价公司名称机组型号f 美元盔M W()K W)G E 发电P G 9 2 3 1(E C)1 6 9 O1 4 23 4 9 31 8 3P G 9 3 3 1(F A)2 2 6 51 5 O1 2 8 83 5 6 61 8 8A B BG T l 3 E 21 6 4 31 5 01 2 6 03 5 7 12 1 0G T 2 62 4 0 03 0 03 7 7 92 0 4S i e m e n sV 6 4 3 A7 0 01 6 61 3 1 03 6 8 13 1 9(J w v)V 8 4 3 A1 7 0 01 6 61 3 1 0

23、3 8 0 05 0 1 G2 3 5 21 9 21 4 2 73 9 O O1 8 0西屋7 0 1 G2 3 6 71 5 61 3 4 93 6 7 71 8 7惠普F T 82 5 4 22 0 31 1 2 13 8 1 33 6 2公司名称机组型号l S O 基本功供电效率所配燃气轮机单位售价率M w()情况“美元K W)G E 发电S 1 0 9 F A3 4 8 55 4 8M S 9 0 0 1 F A2 5 5S 2 0 9 F A7 0 0 85 5 1M S 9 0 0 1 F AA B BK A l 3 E 2 12 4 4 25 3 O一台1 3 E 2，三2 8

24、 2压蒸汽轮机K A l 3 E 2 37 3 7 35 3 43 台1 3 E 2 三压2 5 5蒸汽轮机K A 2 6 13 6 1 55 6 9一台G T 2 62 6 2S i e m e n sD U D I 9 4 22 3 5 05 1 9一台V 9 4 22 5 5(K W U)1 2 2 余热锅炉的特点众所周知，在联合循环中，余热锅炉回收燃气轮机排气余热，产生蒸汽推动汽轮机发电。与常规电站锅炉相比较，余热锅炉没有燃料输送，煤粉制备和燃烧设备，4华北 乜力人学硕f。学位论文仅有汽水系统。余热锅炉的汽水系统电站锅炉基本相似，通常是由汽包，省煤器，蒸发器，过热器以及集箱等换热管簇和

25、容器等组成的，构成了由水变过热蒸汽的三个阶段，即水的加热，饱和水的蒸发，饱和蒸汽的过热。在有再热的蒸汽循环中则可以加设再热器。中温、大流量工质是余热锅炉一个显著的热力特点。随着燃气轮机技术的发展，用于联合循环余热锅炉热源载体的进口烟气温度越来越高(5 0 0 6 1 0 C)。流量越来越大n 2 0 6 0 0 k g s)，烟气与蒸汽的质量比在4 1 0 之间，而普通锅炉只为1 1 2。同时，燃气轮机排气是完全发展的紊流，流速和温度都很不均匀，在余热锅炉进口截面上，烟气流速变化有时为士4 0 0，温度不均匀度达士5 5“。余热锅炉中烟气大流量、高流速和高紊流度的气动热力特点对传热是有利的，但

26、也会引起一些其他问题，如烟道挡板和传热构件的振动，烟气偏流和传热不均，烟道及挡板等热部件的磨损，热变形等。因此，为了使余热锅炉进口流场均匀和保证达到预定的设计性能，有时需要加装整流装置，并进行烟道流动模化试验，以检验燃气分布的均匀性，噪声和振动等情况，完善结构设计。但当燃气轮机轴向排气时，情况就有利得多。因为余热锅炉内的换热过程属于低温换热范畴，辐射换热效应可以忽略。它几乎全部依靠对流换热的作用。在技术经济条件合理的情况下，就必须尽可能地减小排烟温度，即提高余热锅炉的当量效率1 1 1 l。1 2 3 联合循环汽轮机的特点联合循环中的汽轮机也不同于常规的汽轮机。对于普通电站汽轮机蒸汽循环来说，

27、采用抽气回热循环来加热锅炉给水，可有效地提高蒸汽循环效率。但对联合循环来说，这样做并不能提高叩。，有的反而使r。下降。因此，在联合循环的蒸汽轮机系统中一般均取消了回热抽气。汽轮机排气凝结为水后，送入余热锅炉，给水的预热是用烟气的能量加热的，因而，在联合循环中由汽轮机的低压缸排向凝汽器的蒸汽流量要比常规的汽轮机多。通常，在常规的汽轮机中，排向凝汽器的蒸汽流只有主蒸汽流量的7 0 左右1 1 2】，而在联合循环的双压或三压式的蒸汽循环系统中，排向凝汽器的蒸汽流量却可能要比主蒸汽流量大3 0 左右【1 2】。因而相同容量的机组在相同背压下，末级叶片的长度和凝汽器面积都比常规机组高一个等级。这就要求精

28、心地设计联合循环中蒸汽轮机的低压缸和凝汽器，以增大其通流能力和换热面积。1 3 燃气一蒸汽联合循环机组控制技术发展及研究现状5华北电力人学硕十学位论文1 3 1 控制系统硬件平台的发展早期的燃气轮机控制器是采用测量元件直接控制燃气轮机执行机构的直接作用式，至3 0 年代已发展为相当完善的机械液压型控制结构，其控制策略均采用P I型。随着电力系统发展对自动化水平要求的提高，出现了机组的成组调节与控制等方式，伴随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调节和控制方案，微机调节器调节规律由P I D 型发展到众多P I D 改进型，其硬件发展经历了单片机、S T D总线式工业控制机、P L C 可

29、编程控制器、工业P C 以及现在流行的D C S 分散控制系统和F C S 现场总线控制系统等微机系列的应用过程，其中S T D 总线式工业控制机、P L C 可编程控制器及D C S 系统为现在的主流产品【2 2 1，具有高可靠性和计算快速、多任务及编程通用化的特点，能够实现复杂的控制任务。高性能控制平台为先进、复杂的控制策略开发研究和实际应用提供了硬件支持。1 3 2 控制策略的应用研究早期的自动控制系统因热力发电机组单机容量小，且多使用单一汽轮机，对控制系统要求不高，所以非常简单，只要求对给水，汽温，汽压和汽机的转速作简单控制。这些控制系统大多分散在锅炉汽机车间就地安装，主要靠人工加常规

30、仪表，整个电厂的机炉电是分散控制的。随着现代科学技术的发展，发电机组已由中温，中压，中小容量发展到今天的大容量，高参数的单元机组1 3 9 1，由单一汽轮机转向燃机一汽机联合循环。大型的发电机组要求由更高的可靠性和自动化水平，否则它的事故将给电网造成巨大的损失。为了提高燃机，汽机和锅炉的运行效率，降低能耗，确保安全生产，改善劳动环境，利用计算机的可靠性，快速性，准确性和多种特殊功能，代替常规仪表实现燃机，汽机和锅炉的控制是发展的必然趋势。在工业生产过程控制发展中，P I D 控制是历史最久，生命力最强的控制方式，在工业发达国家中，9 0 以上的控制回路采用的P I D 控制器。我国的工业生产过

31、程中，P I D 控制器更是有着举足轻重的重要地位1 6 1。他原理简单，使用方便，适应性和鲁棒性都比较好，结合适当的整定方法，可以使控制参数得到良好的调节和整定，从而达到较好的控制品质指标。而随着计算机技术的发展，计算机可以提供诸如数字滤波，积分分离P I D，选择性P I D，自寻优P I D，P I D 参数在自整定及模糊控制等许多常规仪表和人工操作难以实现或无法实现的功能【“，对提高燃机，汽机，和锅炉的热效率，节省能源，减少污染将起到极为重要的作用。常规的控制理论分为“古典控制论”与“现代控制论”。前者产生于4 0 年代，是以传递函数为基础，研究单输入一单输入，线性定常系统的控制问题。

32、后者产生于6 0 年代。是以状态分析为基础，研究多输入一多输入，非线性时变系统的控制问题【1 9】。6华北电力人学硕十学位论文智能控制则产生于7 0 年代，它是一多学科的交叉。一般认为，智能控制是人工智能，运筹学和自动控制的交叉。他的主要功能特点包括：学习功能，适应功能和组织功能，智能功能主要包括：神经网络控制，专家控制，学习控制，和分层递阶控制I 射。目前人们的主要精力进行模糊控制和神经网络的研究。1 4 本文的主要任务回顾燃气轮机和联合循环机组的控制原理及控制策略的发展与现状发现：(1)在控制策略方面，智能控制与常规P I D 控制相结合实现智能P I D 控制是当前燃气轮机控制策略的重要

33、发展方向。(2)在硬件方面，可编程控制计算机(P C C)Y g 基础组成的数子控制平台代表着未来燃气轮机硬件平台的发展方向。对于像燃气轮机，汽轮机和余热锅炉这样具有非线性、时变性的被控对象而言，智能控制技术中的模糊逻辑控制将是首选方案。但模糊控制也有其缺点，主要是模糊规则难以确定。因此本文提出利用P S O 算法生成模糊控制器的控制规则对P I D参数进行在线调整以构成模糊自适应P I D 控$t J(F A P I D)，并结合当前联合循环电站的最新进展，对F A P I D 的可实现性进行分析。因此本文的主要任务是：(1)建立联合循环机组的数学模型，并用M A T L A B 搭建成仿真

34、模型。(2)研究模糊自适应P I D 控制器及其设计方法。(3)利用P S 0 算法优化P I D 控制器的参数。(4)设计模糊自适应P I D 控制器，并利用P S O 算法优化模糊自适应P I D 控制器的控制规则。(5)针对不同工况点，对模糊自适应P I D 控制的动、静态特性与常规P I D 控制进行对比仿真研究。1 5 仿真环境的介绍1 5 1M A T L A B S I M U L I N KS I M U L I N K 是M A T L A B 系统提供的图形化的系统建模和仿真工具，可以实现对动态系统的建模、仿真和分析。它具有如下特点：(1)S I M U L I N K 提

35、供了丰富的系统模型库。一般在控制系统的分析和设计中遇到的典型环节大部分都可以在模型库中找到，因此可以很方便的实现仿真对象的建模。7华北电力人学硕十学侍论文(2)实现了可视化建模。用户可以很方便地利用S I M U L I N K 所提供的”L I N K”功能用鼠标在模型窗口中构建控制系统模型，使得复杂系统的输入变得简单、直观。，(3)利用S I M U L I N K 进行数字仿真非常简便。：它提供了多种数值算法，用户只需选择合适的算法和仿真参数(例如仿真时间、步长、精度等)，即可完成仿真。1 5 2M A T L A BF u z z yL o g i cT o o l b o x模糊逻辑

36、工具箱(F u z z yL o g i cT o o l b o x)是M A T L A B 提供的模糊推理系统设计工具。利用它所提供的功能，可以很方便地在M A T L A B 框架下设计、建立以及测试模糊推理系统。它具有如下特点：(1)具有友好的图形操作界面。用户可以简单快速地实现设计好的模糊逻辑推理系统，并进行计算、测试和修改工作。(2)可以和M A T L A B 的S I M U L I N K 仿真环境完美结合。在模糊逻辑工具箱中建立模糊推理系统后，可以在S I M U L I N K 仿真环境中对其进行仿真分析。结合S I M U L I N K 仿真工具，可以直观明了地观察

37、到所设计的模糊推理系统是否符合需要，还可以帮助分析和解决问题，指导系统的设计、修改以及完善。(3)供快速简单的实用化接口。通过模糊逻辑工具箱提供的C 语言编程接口，可以很容易地在独立的c 代码程序中使用模糊逻辑工具箱建立的模糊推理系统，而不需要M A T L A B 的仿真环境。这样使得用户可以在M A T L A B 环境中完成一个具体模糊系统的设计、建立、修改和测试等工作，然后通过编写独立于M A T L A B 环境的C 语言程序来调用这个模糊系统，进而可以方便地运用到实际的系统开发中去。这一点对于需要大量循环计算的仿真程序而言，尤其重要。1 6 本章小节本章主要介绍了燃气一蒸汽联合循环

38、技术在国内外的发展现状及其应用前景，以及联合循环机组的特点，还介绍了燃气一蒸汽联合循环发电的主要优点，如联合循环电厂的整体循环效率高、对环境污染极小、单位投资低、调峰性能好、启停快捷、耗水量少、建厂周期短且可分期投产等，并对联合循环系统的主要设备的结构和性能进行了介绍。在分析联合循环机组的控制系统及控制策略的基础上，提出本文的主要内容，并介绍了实现控制研究和仿真的软件平台，即M A T L A B 仿真软件。通过上面的介绍为下面建立数学模型以及控制器实现奠定了基础。在下面的章节中，将要介绍联合循环系统模型的建立过程以及模糊自适应P I D 控制器的设计过程。8华J 匕电力人学硕十学位论文第二章

39、联合循环模型联合循环机组主要由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机组成，本章着重从这三个方面建立联合循环机组的模型。2 1 联合循环电站系统简介余热锅炉型联合循环是目前最为常见的联合循环类型之一，也是本文研究的联合循环类型，它主要分为非补燃式余热锅炉型联合循环和补燃式余热锅炉型联合循环。非补燃式余热锅炉型联合循环实施方法就是在燃气轮机的后面安装一台余热锅炉，在其中利用燃气透平的排气余热去加热供向蒸汽轮机系统的给水，使之产生高温高压的水蒸气，进而送到蒸汽透平中去膨胀做功。显然，这样就能多发出一部分机械功，相应地必然可以提高燃料的化学能与机械功之间的转化效率。通常，相对于简单循环燃气轮机的热效率而言，联合

40、循环的热效率可以相应增高5 0 左右。其中蒸汽轮机功率与燃气轮机功率的比例关系大约为1 比2 0 3 0 左右。非补燃式余热锅炉型联合循环的主要优点是：(1)热功转化效率高。当燃用天然气并把燃气轮机的初温提高到1 2 0 0 C 一1 3 0 0 C 后，供电效率很容易做到5 0 以上，甚至6 0 以上；(2)基本投资费用低，结构简单，锅炉和厂房都很小；(3)运行可靠性高，现以能使运行可用率达到9 0 一9 5；(4)启动快捷。图2 1 不补燃余热锅炉型联合循环图图中：1，7 为发电机，2 为压缩机，3 为燃烧室，4 为燃气透平，5 为不补燃的余热锅炉，6 为蒸汽轮机透平，8 为凝汽器，9 为

41、高压加热器。补燃式余热锅炉型联合循环是指在余热锅炉中还需补充燃烧一定数量的燃料，9华北电力人学硕十学位论文这样就可以增大在余热锅炉中产生的蒸汽量，并能提高主蒸汽的热力参数，由此可以增大联合循环的单机功率。通常，在这种循环中，蒸汽轮机的功率可以是燃气轮机功率的3 4 倍。但是当燃气轮机初温超过9 0 0 后，补燃方式不仅不能改善联合循环的热效率，还会减小蒸汽轮机功率与燃气轮机功率的比例。目前，燃气轮机的初温己经很高，补燃方式只会使联会循环的热效率恶化，因而除了热电联产机组外，这种联会循环已经很少采用了。图2 2 联合循环电站控制简图图2 2 表明联合循环电站系统由燃气轮机和余热锅炉汽轮机组成，燃

42、气轮机的控制系统主要包括负荷转速控制系统、温度控制系统、加速度控制系统和压气机进口导叶控制系统，燃气轮机有2 个可调量：燃料流量w，和压气机进口导叶开度(I G V)燃料流量是由转速控制系统，温度控制系统和加速度控制系统通过低选器完成的。其中加速度控制系统实际上就是加速度限制系统，它限制了燃气轮机的升速过程，作用是在燃气轮机启动或甩负荷后，帮助转速控制系统将过渡过程的动态超速抑制在允许的范围内；温度控制系统实质上是温度限制系统，它通过限制燃气轮机燃料流量保证不会超温燃烧，保证燃气轮机的正常运行和使用寿命。为了使联合循环具有较高的效率，期望燃机排气温度应按己知的规律变化使其接近余热锅炉的设计进气

43、温度。这就要求通过调节压气机入口导叶I G V，使燃气轮机在变工况过程中，透平排气温度保持在最佳的设定点。因此，联合循环机组的工作方式应由下列环节形成：1)负荷调节：负荷基准按某速率较快响应，负荷控制器根据负荷给定快速增大和减少机组负荷输出，负荷控制是一个无差控制器，负荷控制器通过改变速度控制器的给定值从而改变燃料基准，达到调节机组燃料量的目的。2)转速控制：1 0华北电力人学硕。卜学位论文对于并网发电的燃气轮机，控制系统必须采取有差调节方式，以便对负荷进行调节。有差调节系统是1 个比例调节器，即调节器的输出正比于调节器的输入，而调节器的输入为速度基准与实际转速之间的偏差。在实际的并网运行中，

44、转速控制系统是调节燃气轮机输出功率的最基本的方式。通过调整转速基准(图2 4 中的S E TP O I N T)，调整转速基准与实际转速之间的偏差，从而改变输出的燃料基准值，从而达到调整负荷的目的。3)加速度控制：为了限制在某些特殊情况下，转子的角加速度不超过其给定值，以保证燃气轮机的机组安全，燃气轮机的加速度控制系统起到了非常重要的作用。同温度控制系统一样，加速度控制系统只起到限定作用，在正常情况下它不起作用，只有在燃气轮机突然甩负荷抑止动态超速或启动过程限制轮机的启动加速率，以减少热部件的热冲击时起作用。比例积分的结果产生加速度燃料基准。当实际加速度大于加速度的给定值时，积分的结果使燃料基

45、准降低，使燃料量减少，限制加速度的升高。4)温度控制：温度控制系统的主要作用是限制透平进口温度T 3，使之保持在一定的温度之下，以免对透平的进口叶片产生损害。由于排气温度T 4 是透平进口温度的一个具体的反映，即T 3 高，T 4 也升高；T 3 低，T 4 也降低。同时，由于T 3 过高，对其进行测量的困难很大。因此，温度控制系统并不直接对T 3 进行控制，而是对T 4 进行控制，从而间接实现对T 3 进行调节。温度控制在联合循环电站中占非常重要的作用。温度控制通常采用压气机入口导叶调节和通过调节燃料流量来调节温度，温度控制器是无差调节，通常压气机入口导叶调节要优先于燃料调节。压气机进口导叶

46、调节通过改变空气流量使燃机排气温度应按已知的规律变化使其接近余热锅炉的设计进气温度。从而保证联合循环具有较高的热效率。由上面分析，上面3 个控制系统都产生一个燃料基准，这3 个燃料基准命令经过最小值选择器进行选择后，最小的燃料基准命令进入燃料供给系统。从动态特性角度来看，燃气轮机与汽轮机有很多不同之处。一个明显的区别就燃气轮机需要较大比例的燃料流量来维持自持。5)余热锅炉和汽机系统：与常规锅炉汽机式火力机组相比，不补燃余热锅炉不能进行燃料调节，只能被动的依靠燃气轮机的排气所提供的热量转变成汽机的机械功，同时由于蒸汽轮机做功在联合循环机组功率输出中所占比例是较小(约2 0 一3 0)，因此蒸汽轮

47、机的控制较常规汽轮机的控制一般要简便的多，为了最大限度的利用燃气余热，联合循环机组中的蒸汽轮机只是按照适当的压力设计模式进行压力控制，而且一般较多的华北电力人宁硕卜学位论文采用滑压运行方式。蒸汽轮机的功率输出办不作主动的调节。2 2 燃气轮机电站模型由于燃气轮机是联合循环机组电站的最主要组成部分，也是联合循环机组建模与控制的核心部分。本节着重分析处于联合循环机组的燃气轮机的控制特性和系统模型。燃气轮机电站是以气体作为工质，把燃料燃烧时释放出来的热量转变为有用功的动力机械，它由压气机，燃烧室和透平等部件所组成。他的工作过程是：空气被压气机连续的吸入和压缩，压力升高，接着流入燃烧室，在其中与燃料混

48、合燃烧成为高温燃气，燃气在透平中膨胀做功，压力降低，最后排至大气。由于加热后的高温燃气做功能力显著提高，燃气在透平中的做功能力大于压气机消耗的功，因而使透平在带动压气机后有多余的功率来驱动负载。当负载为发电机时，就构成了燃气轮机电站。图2-3 是简单循环燃气轮机电站的示意图。图2 3 燃气轮机电站的工艺流程图本文选择了一个典型配置的燃气轮机电站作为研究对象，G E 公司生产的单轴燃气轮机M S 9 0 0 1 E，透平转速为3 0 0 0 r p m，额定功率1 0 6 7 M W，额定排气温度5 4 2，转子扭矩3 4 6 1 K G M。燃料为天然气。燃气轮机电站的模型包括：燃气轮机模块，

49、燃气轮机控制模块(速度负荷控制模块，加速度控制和温度控制模块)，燃料控制系统模块。本章所建立的燃机模型是一种单轴、简单循环的燃机模型。燃气轮机的速度控制器是其主要的控制手段，其输出与温度限制器、加速度限制器的输出进入燃料控制系统模块，得到实际燃料流量，然后被用来进一步计算燃气轮机的动态特性。它一方面被输入到排气温度计算模块用来计算排气温度。实际排气温度的变化与这些变量的改变相关：转子转速、燃料流量、环境温度。透平排气温度计算模块1 2华北电力人学硕：学位论文就根据这些变量来计算排放的燃气温度，这种方法是完全建立在燃气轮机入口导叶完全打开的假设上的。两个动态模块(辐射场和热电偶)延时并暂时消弱了

50、排气温度的信号，返回了实际排气温度的估计值。另一方面，它输入到代表压气机流量特性的模块中。进一步到透平的机械扭矩模块计算输出扭矩，再根据负荷扭矩和转子特性算出转子转速。同时根据输出扭矩和转子转速就可以获得燃气轮机的机械输出功率。图2 4 燃机模型及控制系统模型图下面分别对燃气轮机的模型模块进行说明：1 转速计算模块：转速计算模块根据实际转速、燃料流量、负荷扭矩等计算得到燃气轮机转子实际转速。实际燃料质量流量输入到代表压气机流量特性的模块中，然后进一步计算出透平的输出扭矩，再跟据负荷扭矩和转子特性算出转子转速。同时根据输出扭矩和转子转速就可以获得燃气轮机的机械输出功率。转速计算由下面两个公式来确