智能控制在除氧器温度自动控制中的应用.doc
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1、 题 目:智能控制在除氧器温度自动控制中的应用 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名:日 期:指导教师签名:日 期:使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论
2、文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名:日 期:学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:日期:年
3、月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期:年 月 日 导师签名:日期:年 月 日 智能控制在除氧器温度自动控制中的应用智能控制在除氧器温度自动控制中的应用 摘要摘要 除氧器是将溶解在水中的有害气体尤其是水中的溶解氧从水中除去,以免这些有害气体进入锅炉系统造成热力设备腐蚀,从而影响锅炉
4、系统的正常运作,所以除氧器在热力发电厂中起到了很重要的作用。为了保证除氧器能达到很好的除氧效果,就需要采用先进的控制方法,应用自动化控制技术来控制除氧器。本论文以发电厂的除氧器为控制对象,采用 PID、模糊控制、模糊 PID 控制技术设计了除氧器温度控制系统。本论文研究的重点是放在二个方面:第一,设计和实现适用于除氧器温度控制的控制规律及控制算法。具体研究了热力除氧器的特点、结构和运行特性,根据除氧器系统参数的变化特性,设计除氧器温度控制系统;第二,使用 MATLAB 的模糊工具箱结合 SIMULINK 对控制系统进行仿真,比较了 PID 控制、模糊控制及模糊 PID 控制的仿真结果。本论文工
5、作注重理论与工程实际的结合,并在此研制过程中取得了比较全面的资料和数据,为类似的除氧器温度控制研究打下了良好的基础。关键词关键词:除氧器;温度控制;PID 控制;模糊控制;模糊 PID 控制 The Study of Temperature Control System of Deaerator Based on IntelligentControl Abstract Deaerator plays an important role in thermodynamic power plants since it can remove the harmful gas,especially oxy
6、gen,from the water before it enters the boiler and erodes thethermodynamic equipments.In order to accomplish the good effect,people design the autocontrol system of deaerator which based on the advanced control method.According to the circumstances of deaerator of Power Plant.I design the control sy
7、stem based on PID、fuzzy control、Fuzzy-PID Control Multi-modal on this paper.Two points are focused on this paper.Firstly,the temperature control algorithm and control laws of the deaerator system are designed and realized.I study the characteristic,configuration and characteristic of running of deae
8、rator system.A design method of the controller is presented based on the deaerator of Power Plant.Secondly,Simulation of temperature control system is also performed to study the performance of fuzzy control by MATLAB,simulation result of fuzzy controller compare to PID controller and Fuzzy-PID Cont
9、rol.The research work is closely connected to the practical application,during the research,I have got the general data and information which can be used by the study of other deaerator.Key words:Deaerator;Temperature Control;PID Control;Fuzzy Control;Fuzzy-PID Control 目目 录录 摘要.IV Abstract.V 第一章 引言.
10、1 1.1 锅炉除氧概述.1 1.2 除氧器控制系统的研究现状.1 1.2.1 国外状况.1 1.2.2 国内状况.2 1.3 本课题的来源及任务.3 第二章 热力除氧器及其温度控制系统结构与原理.4 2.1 除氧器介绍.4 2.1.1 除氧器的结构.5 2.1.2 除氧器的工作原理.5 2.1.3 除氧器的分类.6 2.2 热力除氧系统介绍.7 2.2.1 水中气体的溶解特性.7 2.2.2 除氧的根本途径.8 2.2.3 热力除氧的特点.8 2.3 热力除氧器实验建模.8 2.4 热力除氧器温度控制方案设计.10 2.4.1 系统设计思路.10 2.4.2 控制方案的确立.10 第三章 P
11、ID 控制系统设计.12 3.1 引言.12 3.2 PID 控制的原理和特点.12 3.3 控制器的构成.13 第四章 模糊控制系统设计.14 4.1 模糊控制理论概述.14 4.1.1 引言.14 4.1.2 模糊控制特点.15 4.1.3 模糊控制在应用中的基本思想.16 4.1.4 模糊控制的基本原理.17 4.1.5 模糊控制系统的组成.17 4.2 模糊控制器的设计.18 4.2.1 模糊控制器的设计方法.18 4.2.2 模糊控制器的结构设计.19 4.2.3 模糊控制规则设计.20 4.2.4 精确量的模糊化.22 4.2.5 模糊推理.24 4.2.6 模糊量去模糊化.25
12、4.2.7 模糊查询表的建立.26 4.3 模糊 PID 控制.28 4.3.1 引言.28 4.3.2 模糊 PID 控制概述.28 4.3.3 模糊 PID 开关切换控制.29 第五章 控制系统仿真研究.30 5.1 仿真软件简介.30 5.2 控制系统仿真.30 第六章 总结.35 参 考 文 献.36 致 谢.38 第一章第一章 引言引言 1.1 锅炉除氧概述锅炉除氧概述 在火力电厂锅炉给水处理工艺过程中,除氧是一个非常关键的环节。氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀性物质,给水中的氧应当迅速得到清除,否则它会腐蚀锅炉的给水系统和部件,腐蚀产物氧化铁会进入锅炉内,沉积或附着在锅炉管壁和受热面上
13、,形成传热不良的铁垢,而且腐蚀会造成管道内壁出现点坑,造成阻力系数增大。管道腐蚀严重时,甚至会发生管道爆炸事故。另外,在热交换器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行,降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的,尤其是氧气,它将直接威胁设备的安全运行。因此,如何减缓或消除锅炉中的氧腐蚀已逐渐成为水处理技术的一项热门课题。国家规定蒸发量大于等于 2t/h 的蒸汽锅炉和水温大于等于 95的热水锅炉都必需除氧。锅炉给水(补水)常用的除氧方法有热力除氧、真空除氧、解析除氧、化学除氧等。火力电厂给水除氧一般采用热力除氧的方法。即用蒸汽加热给水,提高水的温度,使水面上蒸汽的分压力逐步增加,而溶解气
14、体的分压力渐渐降低,溶解于水中的气体就不断逸出,当水被加热至应压力下的饱和温度,液面上的蒸汽的分压力几乎等于全压力,其它气体的分压力趋近于零,于是溶解于水中的气体就从水中全部逸出而除去。为保证除氧效果,热力除氧必须具备两个条件:必须把水加热到除氧器压力对应的饱和温度;必须及时排出水中分离逸出的气体。第一个条件不具备,气体不能全部从水中分离出来;第二个条件不具备时,已分离出来的气体会重新回到水中。由此可见,对除氧器的温度进行控制是很必要的。1.2 除氧器控制系统的研究现状除氧器控制系统的研究现状 由于除氧器在工业过程中起着重要作用,关系着锅炉系统的安全运行,所以人们用了许多办法来对除氧器进行控制
15、,在这方面国内外都做了许多研究工作,同时也取得了一些较好的效果。1.2.1 国外状况国外状况 加拿大的Chou,Q B等人在新型除氧器水位压力控制系统一文中提出了用控制策略和容错算法来控制除氧器水位和压力,这种新的控制方法并不是相互矛盾的控制方法,适用于不同的运行状态,很大程度地提高了系统性能,在系统受到严重干扰时降低了除氧器的噪声,提高了设备的可靠性和安全性 4。C.X.LU 和 R.D.Bell 等人发表了题为发电厂除氧器的策略控制的论文,该文中提出运用策略控制的方法来控制除氧器,通过仿真研究证明该方法对除氧器的启动和过渡过程控制效果良好 5。澳大利亚 Bell,Rodney等人在题为除氧
16、器建模与控制的论文中提出了适用于预测除氧器装置的瞬态状态的数学模型。该数学模型是基于能量和质量平衡方程,建立了除氧器、给水泵、吸水泵的模型。由于该模型是完全基于物理特性,所以很容易应用于不同尺寸的同类装置。并在该模型的基础上应用于不同的控制方法,对除氧器的水位进行了控制仿真。其结果表明很理想 6。美国 BenAbdennour,Adel 提出用高斯线性二次型(LQG/LTR)的鲁棒性控制器对实验增值反应堆(EBR-II)进行了控制,在这篇文章中提到了当运行条件改变,系统受到扰动,或发生故障时,传统的 PI 控制器是不能维持它的理想性能,并反过来会影响其它设备的性能,上述鲁棒性控制器能适应系统故
17、障,并能在一定范围内,模型的不确定性仍有较好的控制性能。该鲁棒性控制器具有以下几个优点:即使在运行条件发生很大的变化时,控制器仍有理想的控制性能。能适应可能发生的一些故障。通过选择加权系数,使一个变量比另一个变量起更大的控制作用。虽然国内外对锅炉以及除氧器的控制研究很多,也取得了一些成果,以上国内外的研究经验为我们的课题研究提供了宝贵的经验。本课题主要从除氧器的温度变化方面考虑,来控制除氧器,以达到除氧的目的 7。1.2.2 国内状况国内状况 东南大学吕剑虹等人采用模糊控制方法对电站除氧器水位和凝汽器水位进行控制,通过对国内 200MW 火电机组除氧器及凝汽器水位控制系统进行分析,他们采用模糊
18、控制技术对除氧器水位进行多变量控制,仿真了机组负荷变化,除氧器水位也发生相应阶跃变化响应的几种情况 8。郝吉廷和王莉在除氧器水位及溶氧的控制一文中,提出在原有的除氧器水温和水位的单回路调节系统中增加前馈控制回路,实现除氧器水温和水位控制的稳定和快速作用 9。曲延滨、潘毅等人发表的题为除氧系统模糊控制器的设计与实现的论文中,设计了基于模糊控制理论的多维模糊控制器来控制除氧器压力和水位,为了消除多台除氧器并联工作时相互间的影响,控制各除氧器平稳运行,结合人工控制经验设计了智能控制器,其控制效果达到了预期要求10。马海林、刘军还针对除氧器水位自动调节系统投入难的问题,定性分析其症结所在,提出在常规控
19、制系统的基础上采用协调控制策略进行控制,并将其运用在黄岛发电厂 125MW 和 210MW 火电机组上,取得了较为理想的效果 11。1.3 本课题的来源及任务本课题的来源及任务 本课题是针对发电厂的除氧器设计控制系统,发电厂除氧器的控制系统采用传统的PID 控制方法,当系统负荷变化较大时,实际运行结果很不理想,很难达到现场要求。现在只能靠操作工人的实际经验和习惯来操作。因此,须采取智能化控制技术对除氧器控制系统进行改造,其主要任务是在满足经济性、实用性、科学性的条件下设计一套稳定、可靠的热力除氧器的温度控制系统,使除氧器能达到良好的除氧效果。本课题主要工作如下:实际考察热电厂的现行状况并查阅相
20、关资料,分析研究除氧器的结构与运行特性,明确热力除氧器的温度控制系统的设计思路,选定控制方案。根据热力除氧器系统的特点及运行状况,设计 PID、模糊控制及模糊 PID 控制算法,运用 Matlab 对热力除氧器的温控系统进行仿真,分析仿真结果,确定模糊控制器的最佳参数。第二章第二章 热力除氧器及其温度控制系统结构与热力除氧器及其温度控制系统结构与原理原理 2.1 除氧器介绍除氧器介绍 在凝汽式发电厂中,水汽呈循环运行。如图 2.1 所示,锅炉产生的蒸汽经过汽轮机进入凝汽器,在这里被冷却成凝结水,此凝结水经泵送到低压加热器,加热后送入除氧器,在由给水泵将已除氧的水送到高压加热器后进入锅炉。除氧器
21、是锅炉热力系统中除去给水中溶解氧,保证给水品质的重要设备。锅炉产生的蒸汽经过汽轮机后进入凝气器,在这里被冷却成在火力电厂锅炉给水处理工艺过程中,除氧是一个非常关键的一个环节。氧是给水系统和锅炉的主要腐蚀性物质,给水中的氧应当迅速得到清除,否则它会腐蚀锅炉的给水系统和部件,腐蚀产物氧化铁会进入锅炉内,沉积或附着在锅炉管壁和受热面上,形成传热不良的铁垢,而且腐蚀会造成管道内壁出现点坑,造成阻力系数增大。管道腐蚀严重时,甚至会发生管道爆炸事故。另外,在热交换器中若有气体聚集就会妨碍传热过程的进行,降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的,尤其是氧气,它将直接威胁设备的安全运行。国家规定蒸
22、发量大于等于 2t/h 的蒸汽锅炉和水温大于等于 95的热水锅炉都必需除氧。除氧器的主要作用是除去给水中的氧气,保证给水的品质。除氧器本身又是给水回热系统中的一个混合式加热器,同时高压加热器的疏水、化学补水及全厂各处水质合格的疏水、排气等均可通入除氧器汇总并加以利用,减少电厂的汽水损失。锅炉过热蒸汽原水补给水凝结水冷却水汽轮机发电机凝汽器凝结水泵冷却水泵低压加热器除氧器给水泵高压加热器水处理设备 图 2.1 发电厂水汽循环系统主要流程 2.1.1 除氧器的结构除氧器的结构 除氧设备主要由除氧塔头、除氧水箱两大件以及接管和外接件组成,其主要部件除氧器(除氧塔头)是由外壳、新型旋膜器(起膜管)、淋
23、水篦子、蓄热填料液汽网等部件组成。下面着重介绍除氧塔头的结构及原理。外壳:是由筒身和冲压椭圆形封头焊制成。中、小低压除氧器配有一对法兰联接上下部,供装配和检修时使用,高压除氧器留配有供检修的人孔。旋膜器组:由水室、汽室、旋膜管、凝结水接管、补充水接管和一次进汽接管组成.凝结水、化学补水、经旋膜器呈螺旋状按一定的角度喷出,形成水膜裙,并与一次加热蒸汽接管引进的加热蒸汽进行热交换,形成了一次除氧,给水经过淋水篦子与上升的二次加热蒸汽接触被加热到接近除氧器工作压力下的饱和温度(即低于饱和温度 2-3),并进行粗除氧,一般经此旋膜段可除去给水中含氧量的 90-95%左右。淋水篦子:是由数层交错排列的角
24、形钢制作组成,经旋膜段粗除氧的给水在这里进行二次分配,呈均匀淋雨状落到装在其下的液汽网上。蓄热填料液汽网:是由相互间隔的扁钢带及一个圆筒体,内装一定高度特制的不锈钢丝网组成,给水在这里与二次蒸汽充分接触,加热到饱和温度并进行深度除氧目的,低压大气式除氧器低于 10g/L、高压除氧器低于 5g/L(部颁标准分别为 15g/L、7g/L)。水箱除过氧的给水汇集到除氧器下部容器即水箱内,除氧水箱内装有最新科学设计的强力换热再沸腾装置,该装置具有强力换热、迅速提升水温、更深度除氧、减小水箱振动、降低口音等优点,提高了设备的使用寿命,保证了设备运行的安全可靠性。2.1.2 除氧器的工作原理除氧器的工作原
25、理 除氧器分有头型和无头型除氧器,一般锅炉选配有头型除氧器,但是大型机组1000t/h 以上采用无塔型除氧器。其除氧工作原理是:来自低压加热器的主凝结水(含补充水)经进水调节阀调节后,进入除氧器,与其他各路疏水在除氧器内混合,经旋膜多孔管喷出,形成裙状水膜,与由下而上的加热蒸汽进行混合式传热和传质,给水迅速达到工作压力下的饱和温度。此时,水中的大部份溶氧及其他气体基本上被解析出来,达到除氧的目的。从水中析出的溶氧及其他气体则不断地从除氧器顶部的排汽管随余汽排出器外。进入除氧器的高加疏水也将有一部分水闪蒸汽化作为加热汽源,所有的加热蒸汽在放出热量后被冷凝为凝结水,与除氧水混合后一起向下经出水口流
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