论文题目：火电汽轮机转子应力控制问题研究
摘要：汽轮机在火力发电和核能发电设备中是主要设备之一,汽轮机的性能和整个汽轮机的系统调节都能够对整个机组的安全经济运行起着至关重要的作用。而汽轮机的转子又是整个汽轮机机组最重要的部件之一,汽轮机转子的寿命直接关系到整个机组的寿命,汽轮机转子是运行部件中的核心部件,所以对汽轮机转子进行研究是非常有必要且非常重要的。以往对汽轮机转子的分析都是通过简单的理论模型进行分析,或者是通过二维的有限元模型进行分析,这些方法的分析结果误差相对较大,在该背景下,通过对以往的模型进行分析和改进,建立了能够非常接近实际转子的三维有限元分析模型,使得分析结果更精确,本文做了汽轮机转子的启动模型启动优化应力控制等相关内容。论文的主要研究工作为:（1）以国产某300MW汽轮机为研究对象,依据其实际工况中的运行导则,设计了带有约束条件的300MW汽轮机转子的冷态启动数学模型,经过后续对该模型的使用,明确了该数学模型的可用性。（2）基于某国产300MW汽轮机转子的实际工作状态,使用ANSYS有限元分析软件对该转子进行三维建模,根据转子材料的物理属性进行边界条件的设定,最后通过实际工况的启动数据对该模型进行验证分析。（3）所用的t1、t2、t3、t4、t5、t6代表该阶段的启动时间,并建立了一个最优函数,目标函数表示最短的启动时间。优化结果是在实际约束条件下进行的。建立了15种冷起动工况,利用ANSYS软件对转子应力场进行了分析。基于15种启动方案的有限元分析结果,采用BP神经网络和两种支持向量机建立了启动时间和转子表面最大热应力的预测模型。（4）为了研究汽轮机转子的应力控制问题,对汽轮机转子的启动时间进行优化,并且通过三维有限元模型进行验证,找到启动时间及启动规则与转子的应力之间的关系,利用ANSYS对转子的温度和应力进行了计算和分析,实验结果表明,在最大应力可接受范围内,利用ANSYS对启动参数进行了验证。在对汽轮机启动时间优化的过程中使得汽轮机转子应力在合理范围之内启动时间大大缩短,提高了机组启动的效率。（5）对汽轮机转子的温度场和应力场进行建模,使用系统辨识方法拟合出输入输出数据的传递函数模型,同时将传递函数模型离散化,使用输入数据进行验证,验证模型合理后,将模型转为状态空间模型的形式,使用MPC模型预测控制算法对汽轮机转子的应力控制问题进行研究。首先对温度模型进行辨识,精度为99.73%,然后对应力模型进行辨识,应力模型的精度为98.2%。然后对传递函数进行离散化,并将数据输入离散后的传递函数中,验证系统辨识的准确性。在对传递函数进行准确验证后,将传递函数转化为动态矩阵控制模型,然后设计应力反馈控制器,实现了转子模型的应力预测控制（MPC）,同时,分别比较了添加控制器前后系统和控制器的输出响应。最后,验证了控制模型的合理性。本文建立的三维有限元模型大大提高了仿真计算精度,结合数学模型及温度场、应力场的函数模型以及模型预测控制算法对汽轮机转子的应力控制问题进行研究,在新的应力控制思路下最终的控制效果比传统的控制效果更好。
关键词：汽轮机;应力控制;启动优化;有限元分析;转子应力
学科专业：控制科学与工程
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 文章的研究内容及结构安排
第二章 汽轮机的工作过程及启动模型的建立
2.1 汽轮机的冷态启动及并网过程
2.2 汽轮机的停机过程及防护
2.3 汽轮机应力产生过程
2.4 汽轮机启动过程的数学模型
2.5 本章小结
第三章 300MW汽轮机启动优化研究
3.1 冷态启动过程的数学模型
3.2 有限元计算
3.2.1 转子模型及有限元分析
3.2.2 确定边界条件
3.3 汽轮机转子应力计算
3.4 汽轮机转子冷态启动优化
3.4.1 冷态启动样本数据
3.4.2 比较实验1:BP神经网络与laplace核函数支持向量机
3.4.3 比较实验2:RBF支持向量机
3.5 基于粒子群优化算法的启动优化
3.6 验证应力结果
3.7 本章小结
第四章 基于MPC的汽轮机转子应力控制
4.1 温度模型的建立
4.1.1 温度模型的离散化
4.1.2 温度模型验证
4.2 应力模型的建立
4.2.1 应力模型的系统辨识
4.2.2 应力输出系统的状态空间方程
4.3 应力控制
4.3.1 汽轮机的转速控制
4.3.2 汽轮机并网挂载负荷监控
4.3.3 应力-转速反馈模型预测控制
4.4 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 论文总结
5.2 研究展望
参考文献
致谢