PDF《循环流化床动态特性及控制规律研究》

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621 U 学号:U

060223 U 东南大学硕士学位论文循环流化床动态特性及控制规律研究 研究生姓名:U 石岩U导师姓名:U 向文国 副教授 申请学位级别U 硕士U学科专业名称 U 动力机械及工程 论文提交日期U

2009 年4月U论文答辩日期 2009年4月17日学位授予单位U 东南大学U学位授予日期 2009年月日答辩委员会主席U 张靖周 教授 评阅人张靖周 教授 程力副教授

2009 年4月Dynamic Modeling and Control Study of a Circulating Fluidized Bed Boiler A Dissertation Submitted to Southeast University For the Academic Degree of Master of Engineering BY Shi Yan Supervised by Associate Professor Xiang Wen-Guo School of Energy and Environment Southeast University April

2009 东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果.

尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得东南大学或其它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. 研究生签名: 日期: 东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文.本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致.除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可 以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容.论文的公布(包括刊登)授权东南大学研 究生院办理. 研究生签名: 导师签名: 日期: 摘要 I 摘要循环流化床(CFB)煤燃烧作为一项洁净煤发电技术,由于具有燃料适应性广、燃烧效率高、 高效脱硫等独特优点而得到了广泛的应用.但是,循环流化床锅炉是一个时变、大滞后、多变量耦 合的复杂系统,工作机理还未被充分掌握,缺少准确的动态模型,很多常规锅炉控制方法很难达到 理想的控制效果,流化床锅炉自动控制已成为其运行过程中主要问题.借助计算机仿真技术,建立 循环流化床锅炉仿真模型,用于分析流化床动态特性、研究流化床自动控制存在的问题具有重要意 义. 论文在分析循环流化床锅炉燃烧系统机理及现有的研究成果基础上,建立了流化床流体动力学 模型、燃烧模型和传热模型;

根据流化床流动特性将炉体分为密相区和稀相区,并推导出密相区和 稀相区质量、能量平衡方程;

利用徐州贾汪电厂 440t/h 流化床锅炉设计参数及现场运行数据,设定 模型稳态数据;

依据各子模型和物性参数计算关系式,建立了简易的循环流化床整体动态模型. 论文选用 MATLAB 软件完成模型, 并对循环流化床锅炉动态特性进行仿真, 仿真结果表明所建 的模型能正确反映循环流化床锅炉的实际过程和运行特性.在循环流化床整体动态模型基础上,抓 住影响床温和主蒸汽压力的重要因素,建立床温和主蒸汽压力简化模型,用于循环流化床主控系统 的控制规律研究. 由于循环流化床锅炉燃烧系统时变特性,常规 PID 控制器难以达到理想的控制效果.本文设计 一种基于模糊控制理论的自适应整定 PID 参数算法,并对算法的结构、实现及工作方式作了详细介 绍.采用模糊自整定 PID 算法对流化床床温和主蒸汽压力系统进行控制仿真,系统性能比 PID 控制 有很好的改善,超调量和调节时间都大大减小.运行负荷降低 30%时,PID 控制器控制品质较差, 而采用模糊自整定 PID 控制器,由于 PID 参数在线进行自整定,控制效果比较理想,适合循环流化 床在变负荷运行工况下进行控制. 关键词: 循环流化床锅炉;

动态特性;

模糊自适应 PID 控制 ABSTRACT II ABSTRACT Circulating fluidized bed combustion (CFB) has already become a competitive technology of clean coal combustion in power plants in China. It has been widely used for the power generation because of its wide adaptability to fuels, high combustion efficiency and high sulfur capture efficiency. But because the CFB boiler is a complex system with time-variation, strong delay and multivariable coupling, it'

s hard to build up a precise mathematic model, and some conventional methods which are well operated on pulverized coal boilers can not yield ideal results in a CFB. The automatic control of a CFB has become an obstacle for its commercial operation. This dissertation focused on modeling and advanced process control method of CFB by means of computer simulation. In this paper, the mathematical model of a CFB combustion system based on energy equation and the existing research achievements was build up. The dynamic model includes the fluid dynamics model, the fluidized bed combustion model and the heat transfer model. The CFB was divided into two zones: a dense phase zone and a dilute phase zone and the mass balance equation and energy balance equation of the two zones were deduced respectively. The model parameters were set using design data and the real-time operation data of a 440t / h CFB boiler from Jiawang Power Plant, Xuzhou, China. The overall dynamic model of the CFB was based on the sub-models described above and thermodynamic property equations. MATLAB software was used to simulate the dynamic performance of the CFB boiler. The results show that the model is capable of predicting the performance of the CFB boiler. According to the simulation results of the CFB, the model was simplified and the dynamic models of live steam pressure and bed temperature were set up, which were used to design the control strategy of the CFB. A fuzzy control strategy based self-tuning PID was proposed to control of the bed temperature and the main steam pressure of the CFB. The structure, evaluation and principle of the pattern recognition based self-tuning PID controller were introduced in detail. The simulation results show that the self-tuning PID controller has a better adjustability to the changing of the controlled process than the PID controller, especially when the operating load step reaches 30%. Key words: Circulating Fluidized Fed;

Dynamic Behavior;

Fuzzy-PID 目录 III 目录 摘要…I ABSTRACT…II 目录…III

第一章 绪论.1 1.1 选题工程背景

1 1.

2 循环流化床锅炉的发展现状和重要意义…2 1.2.1 国外循环流化床燃烧技术的发展现状.3 1.2.2 国内循环流化床燃烧技术的发展现状.3 1.3 循环流化床锅炉自动控制概述

3 1.3.1 循环流化床锅炉控制系统简介

3 1.3.2 循环流化床锅炉控制现状.4 1.4 研究对象概况.5 1.5 主要研究内容.7

第二章 循环流化床锅炉模型.8 2.1 循环流化床锅炉模型发展状况.8 2.2 循环流化床锅炉机理模型研究.9 2.2.1 循环流化床锅炉流体动力学模型

11 2.2.2 循环流化床锅炉内煤的燃烧模型

14 2.2.3 循环流化床锅炉的传热模型

17 2.2.3 循环流化床锅炉机理模型

19 2.3 循环流化床锅炉主汽压力控制模型

24 2.3.1 汽包内能量平衡.24 2.3.2 汽包内物质平衡.25 2.4 循环流化床锅炉模型的求解与验证

25 2.4.1 循环流化床锅炉模型的求解

25 2.4.2 循环流化床锅炉燃烧系统的动态特性.27 2.5 循环流化床锅炉燃烧系统的简化模型.29 2.5.1 床温模型

29 2.5.2 主蒸汽压力模型

30 2.6 本章小结.31

第三章 模糊自适应整定 PID 控制理论.32 3.1 PID 控制理论

32 3.1.1 PID 控制器简介.32 3.1.2 PID 控制器的参数整定.33 ABSTRACT IV 3.2 模糊控制理论.34 3.2.1 模糊控制系统的组成.34 3.2.2 模糊控制规则的获取.35 3.3 利用 MATLAB 构建模糊控制器与 PID 控制器仿真比较

36 3.4 模糊自适应整定 PID 控制

38 3.4.1 模糊自适应整定 PID 控制原理

38 3.4.2 PID 参数对系统性能分析.38 3.4.3 模糊控制规则调整 PID 参数原则.40 3.4.4 PID 参数专家整定知识的描述

41 3.4.5 输入输出变量的模糊化

41 3.4.6 PID 参数模糊校正规则.42 3.4.7 模糊自适应整定 PID 控制器设计

44 3.5 本章小结.44

第四章 模糊自适应整定 PID 在流化床锅炉控制中的应用

45 4.1 引言.45 4.2 仿真对象模型介绍.45 4.3 循环流化床锅炉床温控制仿真

45 4.3.1 利用传统的 PID 控制器控制床温

46 4.3.2 采用模糊自整定 PID 控制器进行控制仿真.47 4.3.3 负荷变化后的控制效果.48 4.4 循环流化床锅炉主蒸汽压力控制仿真

48 4.4.1 利用传统的 PID 控制器控制主蒸汽压力.49 4.4.2 采用模糊自整定 PID 控制器进行控制仿真.49 4.4.3 鲁棒性分析.49 4.5 本章小结.50

第五章 结论与展望.51 5.1 结论.51 5.2 展望.52 致谢

53 参考文献

54 攻读硕士学位期间发表论文目录…57

第一章 绪论

1

第一章 绪论 1.1 选题工程背景 能源是国民经济发展中的关键问题,我国是以煤为主要能源的国家,目前我国能源消耗中煤炭 占了大约三分之二的份额.2006 年,中国煤炭保有资源量

10345 亿吨,剩余探明可采储量约占世界 的13%,列世界第三位.已探明的石油、天然气资源储量相对不足,油页岩、煤层气等非常规化石 能源储量潜力较大.我国是世界上最大的煤生产与消耗国,煤在我国一次能源构成中占据着绝对主 要的地位.由于自然条件的限制和历史发展的原因,据预测,这种状况在相当长的时期内不会有实 质性的改变,下图 1-1 给出我国一次能源消费构成统计和预测P [1] P. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 1980年1990年2000年2030年 煤炭 石油 天然气 水能 核能 新能源 图1-1 中国一次能源消费构成统计和预测 我国煤炭的一个重要特点是高硫煤占相当比例, 含硫量大于 1%的高硫煤占 20%以上. 煤产量的 80%直接用于燃烧,全国燃煤发电的用煤量占燃煤总产量的 30%以上,20%以上的发电用煤是高硫 煤.能源消费以煤为主,环境压力加大,煤炭消费是造成煤烟型大气污染的主要原因,也是温室气 体排放的主要来源.相对落后的煤炭生产方式和消费方式,加大了环境保护的压力.这种状况持续 下去,将给生态环境带来更大的压力,下表 1.1 给出个燃料主要污染物之间的比较P [1] P. 表1.1 燃料为天然气、石油和煤的典型100MWe锅炉主要污染物比较(t/a) 污染物 粉尘 SOx NOx CO CHx 天然气

46 12

12080 / / 石油

73 52660

217000 8

67 煤炭

449 139250

20880 210

520 由于缺乏排放控制的有力措施,这些燃........