船用增壓鍋爐燃燒系統(tǒng)非線性控制技術(shù)研究.pdf

1、增壓鍋爐是船舶蒸汽動(dòng)力裝置的主要設(shè)備，它為船舶運(yùn)行及日常生活提供所需的動(dòng)力、電力和熱能。增壓鍋爐的動(dòng)態(tài)性能直接影響船舶蒸汽動(dòng)力的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，開展增壓鍋爐控制系統(tǒng)研究具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。
　　變工況風(fēng)油優(yōu)化匹配控制一直是增壓鍋爐控制的難題，也是影響蒸汽動(dòng)力裝置工作平穩(wěn)性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的主要因素，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)通常采用PID控制策略，在變工況時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣流量快速跟蹤燃油流量的變化，保證風(fēng)油比始終控制在理想的范圍內(nèi)，導(dǎo)

2、致燃燒狀態(tài)惡化。主蒸汽壓力的穩(wěn)定控制是汽輪機(jī)平穩(wěn)、可靠運(yùn)行的根本保障，主蒸汽壓力控制系統(tǒng)是典型的非線性、大延遲、多參數(shù)及強(qiáng)耦合系統(tǒng)，將主蒸汽壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性、單變量系統(tǒng)，且忽略參數(shù)之間的耦合作用開發(fā)的控制系統(tǒng)，無(wú)法滿足主蒸汽壓力在變負(fù)荷過(guò)程中快速性和平穩(wěn)性的要求，為此，本文做了如下研究工作：
　　1）考慮增壓燃燒對(duì)鍋爐容積熱負(fù)荷的影響，計(jì)算爐膛對(duì)流換熱量，集成到能量守恒中，并采用КВ76熱力計(jì)算方法計(jì)算爐膛出口煙氣溫度，解決

3、了忽略增壓燃燒及對(duì)流換熱造成的模型計(jì)算精度低的問(wèn)題。針對(duì)渦輪增壓機(jī)組中壓氣機(jī)、煙氣渦輪和輔助汽輪機(jī)采用不同工質(zhì)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，分別修正進(jìn)入透平的氣體組分，適應(yīng)建模需要。為解決透平機(jī)械在不同工況下不同運(yùn)行特性的問(wèn)題，將實(shí)驗(yàn)特性曲線插值嵌入到仿真模型運(yùn)行曲線中，使仿真模型逼近真實(shí)渦輪增壓機(jī)組運(yùn)行特性，提高模型計(jì)算精度。
　　2）渦輪增壓機(jī)組主要負(fù)責(zé)為鍋爐提供在全工況范圍內(nèi)高效、穩(wěn)定和可靠工作所需要的增壓空氣，它由煙氣渦輪和輔助汽輪機(jī)共同驅(qū)

4、動(dòng)，渦輪增壓機(jī)組相對(duì)于增壓鍋爐工況變化存在較大的慣性和滯后性，且在部分負(fù)荷和高工況時(shí)煙氣能量不足以推動(dòng)渦輪增壓機(jī)組產(chǎn)生足夠的增壓空氣滿足合理的風(fēng)油比需要，必須依靠輔助汽輪機(jī)提供必要的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)渦輪增壓機(jī)組，其控制難點(diǎn)在于增壓鍋爐、煙氣渦輪和輔助汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)控制。針對(duì)渦輪增壓機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)為連續(xù)動(dòng)態(tài)和離散事件相互作用的混雜行為特征，提出基于協(xié)同約束弧Petri網(wǎng)理論的控制方法，建立基于層次結(jié)構(gòu)協(xié)同約束弧Petri網(wǎng)的渦輪增壓機(jī)組控制模型

5、，解決了空氣流量調(diào)節(jié)滯后，惡化爐膛燃燒的難題。
　　3）增壓鍋爐主蒸汽壓力受燃油流量和主蒸汽流量共同影響，從燃油燃燒到主蒸汽壓力響應(yīng)過(guò)程存在較大的時(shí)間滯后，且具有較強(qiáng)的非線性，主蒸汽流量對(duì)主蒸汽壓力的影響則具有快速性。其控制難點(diǎn)在于調(diào)節(jié)燃油流量迅速補(bǔ)償主蒸汽流量波動(dòng)對(duì)主蒸汽壓力產(chǎn)生的變化，維持主蒸汽壓力穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。針對(duì)單獨(dú)利用燃油量對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的預(yù)測(cè)精度低，從而影響控制效果的問(wèn)題，將Hammerstein模型擴(kuò)

6、展為雙輸入Hammerstein模型，將燃油流量和主蒸汽流量集成到輸入變量中，建立歸一化雙輸入Hammerstein模型，解決了系統(tǒng)非線性、多變量耦合以及變工況下參數(shù)時(shí)變等特性降低辨識(shí)精度的問(wèn)題。對(duì)雙輸入 Hammerstein模型進(jìn)一步優(yōu)化，建立主蒸汽壓力Laguerre-Fuzzy Hammerstein辨識(shí)模型，解決了系統(tǒng)強(qiáng)非線性、大滯后、多變量耦合、不確定性及參數(shù)時(shí)變等特性產(chǎn)生的主蒸汽壓力辨識(shí)精度低的難題，從而提高預(yù)測(cè)控制器控制

7、品質(zhì)。
　　4）增壓鍋爐燃燒控制系統(tǒng)包括燃油流量調(diào)節(jié)回路和空氣流量調(diào)節(jié)回路，如何保證兩控制回路協(xié)調(diào)運(yùn)行是燃燒控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文采用串級(jí)控制方式，空氣流量調(diào)節(jié)回路采用基于新型 Petri網(wǎng)的切換控制策略，燃油流量調(diào)節(jié)回路分別采用基于歸一化雙輸入Hammerstein模型和Laguerre-Fuzzy Hammerstein模型的非線性預(yù)測(cè)控制算法。將控制策略基于仿真模型進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明本文所提的增壓鍋爐燃燒控制策略能夠在全