摘要：在指出了单元火电机组中锅炉主蒸汽流量对象非线性动态特性产生的原因的基础上，分析了汽轮机压力反馈控制对锅炉主蒸汽流量对象非线性动态特性的线性化作用。进一步的研究表明，这种线性化作用的效果与PI调节器的参数有着密切的联系，PI调节器的调节能力越强，线性化的作用也越强。在大范围变工况情况下，采用汽压反馈调节时锅炉主蒸汽流量特性具有良好的全局性能一致性。这对用线性系统理论分析火电机组机炉特性和设计单元火电机组控制系统具有重要的指导意义。 关键词：汽轮机发电机组；非线性系统；非线性测度

1引言

大型火电单元机组由锅炉、汽轮机和发电机共同适应电网负荷的要求，共同保证机组的稳定运行，它是一个复合对象，受控过程是一个多输入、多输出的过程，在输入和输出之间存在着相互关联和耦合。在认定锅炉系统正常燃烧和正常给水前提下，机组可简化为一个具有双输入双输出的被控对象，机组的输出功率和机前压力为被控对象，调节汽门开度和燃料量为控制量。由于非线性系统设计理论上十分繁琐，应用比较困难，目前单元机组控制系统的设计中一般均采用小偏差线性化方法将对象近似成线性对象后再进行控制系统的设计。对于在小范围内工作的非线性对象，实践证明这是成功的；然而当机组在大范围内工作时，小偏差线性化模型的参数明显地随工作点的不同而变化，这样针对某个工作点设计的控制器在其他工作点就不能正常工作。本文首先分析了汽轮机采用压力控制对机组主汽流量特性的线性化作用，然后采用“非线性测度分析”方法，对其线性化的效果进行了量化分析。表明利用汽压反馈的这一特点设计控制系统，避免采用繁琐非线性系统设计理论，可以采用相对简单实用的线性化理论，进行大范围线性化设计，从而使得系统在相对比较大的工况变化范围内，获得一致的控制品质。

2锅炉主蒸汽流量对象的非线性特性

2.1 汽轮发电机组的工作过程

图1 汽轮机组被控对象示意图Fig.1 The diagram of boiler-turbine system
锅炉及汽轮发电机组的被控对象流程，是一个热交换和热流量转化为电功率的过程，它可以分为①炉膛燃烧室，②汽包，③蒸汽过热器，④中间再热器，⑤汽量调节阀，⑥汽轮发电机等六部分，其中②③④⑤的特性具有明显的非线性^[4,5]。高压缸调节阀是连接锅炉和汽轮机的界面，通过高压缸调节阀，控制汽轮机的进汽量。由于锅炉蓄热能力有限和热惯性大，高压缸调节阀开度和主蒸汽压力相互关联，调节阀开度引起了主蒸汽压力和主蒸汽流量的非线性。在单元机组中，一级和二级2个过热器的特性是基本相似的，过热器中的流量特性与其汽压特性密切相关，过热器蒸汽出口和入口的汽压降与其流通阻力和蒸汽流量的平方成正比，流量特性是非线性的。中间再热器的流量特性，可以理解为与过热器相似，但是由于汽轮机中压缸调节阀通常全开，中间再热器汽压变化不大，所以其流量变化不大。在锅炉汽包中，饱和蒸汽和饱和水的焓值不同，随压力变化有差别，这种特性引起了锅炉蓄热系数随蒸汽压力波动而变化，使整个汽包蒸汽发生系统具有非线性特性，但当汽包压力>2Mpa时饱和蒸汽和饱和水的比热随压力的变化趋于平缓，非线性作用较小。下面给出汽轮机组对象的传递框图^[1,2]：
图2 汽轮机组被控对象的传递框图Fig.2 The block-diagram of boiler-turbine system

2.2 调节阀引起的锅炉对象特性的非线性

汽轮机的主蒸汽量变动受高压缸调节阀的开度变动和主蒸汽压力变动的影响：        （1）由（1）可见，汽轮机的主汽流量与汽轮机调门开度和机前压力的乘积成正比，这是锅炉对象特性的主要非线性之一，当机组处于不同的负荷时，机组调门开度不同，从而同样大小的主汽压力波动引起的主汽流量变化的大小是不同的，从而表现出较强的非线性。

2.3 过热器和中间再热器的非线性流量特性

过热器和中间再热器的流量特性是相似的，下面仅分析过热器的流量特性。考虑过热器的汽压特性，过热器蒸汽流量,进口压力为,出口压力为,过热器的进出口压力降近似为：        （2）其中，为过热器流通阻力系数。由（2）可见，过热器的压降与主汽流量的平方成正比。一般情况下，由于过热器的压降相对于锅炉的工作压力比较小，过热器的流通阻力系数也非常小，因此在系统分析时，可以忽略的影响。

3汽压反馈对锅炉主蒸汽流量特性的线性化作用

汽轮机跟随系统的汽轮发电机组常规系统[6]见图2，采用了中间再热器的汽轮机动态特性[3]、低阶锅炉蒸汽非线性模型[2]、低阶同步发电机模型和无穷大电网假设[3]。以300MW汽轮机组为例，额定功率为300MW，主汽压额定值为16.17Mpa。

3.1汽压反馈对锅炉主蒸汽流量特性的线性化作用

在加入汽压反馈时，锅炉汽轮机组的系统传递框图如下：
图4 汽轮机跟随锅炉机组系统传递框图Fig.4  The transfer block-diagram of steam turbine-boiler system
由于采用汽压反馈，汽轮机调节过程很快，汽轮机表现为恒压过程，主蒸汽压力变化很小。由于主蒸汽流量对象的非线性特性主要来源于锅炉汽包，不考虑过热器和中间再热器的影响，我们可以这样理解汽压反馈的线性化作用：，当采用汽压反馈时，认为，即

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