國華定洲電廠一期2*600MW機組鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)汽包爐，其采用控制循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式，燃燒器擺動調溫。鍋爐蒸發(fā)量為2008t/h，主蒸汽溫度為540℃，主蒸汽壓力為17.47MPa。機組控制系統(tǒng)采用德國西門子公司的TELEPERM XP DCS

    一、PROFI

    PROFI為德國西門子公司在上世紀90年代后期研發(fā)的電站專用優(yōu)化控制軟件模塊，與傳統(tǒng)的PID調節(jié)不同，其為采用數(shù)學模型控制方式、解藕控制理論、抑制非線性振蕩的綜合方法以及帶有自學習控制的軟件模塊。PROFI通過準確建立機組動／靜態(tài)參數(shù)的數(shù)學模型，充分考慮影響被調量的擾動因素以及被控對象的動態(tài)特性，利用精確的前饋控制，將被調參數(shù)準確而快速地控制在設定值上。

    為了提高機組效率以及負荷響應速度，PROFI設計有新機組協(xié)調控制模塊、凝結水節(jié)流控制模塊、自學習溫度控制模塊、尖峰負荷運行模塊、帶預測的負荷裕度計算模塊和機組起動旁路控制模塊。在國華定洲電廠，僅使用了PROFI的新機組協(xié)調控制模塊和自學習溫度控制模塊（圖1)，以加強機組運行的穩(wěn)定性，提高熱效率，而其余4個模塊主要是提高機組對負荷變化的響應速度。

                

    PROFI以建立被控對象的數(shù)學模型為基礎，通過狀態(tài)觀測、模糊控制等控制算法和策略得出對常規(guī)控制回路的修正值，并將修正值直接作用于DCS模擬量調節(jié)輸出中，起到優(yōu)化調節(jié)效果的作用。當PROFI切除時，控制回路就復歸到原模擬量調節(jié)回路。PROFI在專用的計算機內(nèi)運行，其所需的過程實時參數(shù)由DCS提供，計算結果通過硬接線或通訊總線送入DCS，并疊加于調節(jié)回路的輸出中。由于軟件計算建立在過程對象的數(shù)學模型基礎上，所以運算量很大。采用這種相對獨立的結構方式可以使優(yōu)化控制系統(tǒng)中軟件部分的計算不占用DCS的資源，保證了DCS的實時性。
   
    新機組協(xié)調控制模塊是通過利用機組的蓄能達到機組快速響應負荷變化的目的，其在常規(guī)控制基礎上利用在550MW負荷下負荷變動20一60MW，經(jīng)過燃料量5％一10％階躍擾動試驗和汽輪機調節(jié)閥開度3％一5％階躍擾動試驗建立鍋爐和汽輪機模型，在PROFI內(nèi)部進行預估和解藕計算，從而極大地提高控制品質，并且避免執(zhí)行機構的頻繁動作。
   
    自學習溫度控制模塊利用狀態(tài)觀測器等控制算法，解決了普通的串級汽溫控制回路對于大慣性滯后對象參數(shù)控制的延遲問題，有效地提高了各種工況下過（再）熱蒸汽溫度的控制品質。軟件的自學習回路可對已建立的被控對象數(shù)學模型進行動態(tài)修正，從而提高了軟件的可用性。

    二、PROFI的控制策略

    2.1 PROFI新機組協(xié)調控制
    
    PROFI新機組協(xié)調控制與傳統(tǒng)協(xié)調控制系統(tǒng)（UCC）功能基本相同，但PROFI新機組協(xié)調控制充分考慮了機組的蓄能，根據(jù)試驗得出鍋爐、汽輪機數(shù)學模型，使用預估法對蒸汽壓力設定值進行修正。在充分利用機組蓄能的基礎上，使機組負荷變化速率顯著提高，從而解決了機組對電網(wǎng)負荷變化要求響應過慢的問題。新機組協(xié)調控制策略將鍋爐、汽輪機作為一個整體控制對象，增強了整個機組控制回路的穩(wěn)定性。當機組負荷指令發(fā)生變化或出現(xiàn)擾動時，機組控制系統(tǒng)能在很短的時間內(nèi)使機組運行恢復到穩(wěn)定工況。
   
    國華定洲電廠機組DCS協(xié)調控制以鍋爐跟蹤方式為基礎，即鍋爐通過調節(jié)給煤機轉速控制主蒸汽壓力，汽輪機通過調節(jié)閥控制負荷。由于鍋爐具有較大的慣性，為了保證主蒸汽壓力的控制品質，該控制系統(tǒng)采用了較強的前饋環(huán)節(jié)，燃料量波動較為頻繁，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。燃料量的頻繁波動，對主（再熱）蒸汽溫度、爐膛負壓等控制系統(tǒng)也造成了較大的干擾。 
    
    DCS協(xié)調控制如圖2所示，原設計的機爐協(xié)調控制由簡單的前饋控制器實現(xiàn)，蒸汽壓力和負荷控制器均采用常規(guī)PID控制器，難于滿足既要保持良好控制品質，又要防止執(zhí)行機構頻繁動作的要求。新機組協(xié)調控制是在常規(guī)控制基礎上經(jīng)過試驗建立鍋爐和汽輪機數(shù)學模型，對主蒸汽壓力和機組負荷進行解藕，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性。在此基礎上，對主蒸汽壓力行預估控制，可充分利用鍋爐蓄能，提高機組對負荷變化的響應速度，保證了主蒸汽壓力的穩(wěn)定性（圖3）
             



               
   
    2.2 帶狀態(tài)觀測器的PROFI自學習溫度控制

    傳統(tǒng)的溫度調節(jié)方式是采用串級調節(jié)，其中輔調節(jié)器控制噴水量，主調節(jié)器控制蒸汽溫度（圖4）。由于隨著設備逐漸老化，會使得控制對象的參數(shù)值逐漸偏離設定值。對此，PROFI設計了自學習溫度控制（圖5）
             
                                  
               
                                      
   
    PROFI中，主調節(jié)器采用比例調節(jié)特性及擾動前饋，以增強蒸汽溫度控制的穩(wěn)定性；通過使用狀態(tài)觀測器實現(xiàn)對過熱器和再熱器的高階慣性特性的補償，以使蒸汽溫度快速、精確地控制在設定值上；通過非線性濾波減少噪聲信號并抑制振蕩；在噴水控制回路中采用自學習回路，使控制回路克服了由汽輪機調節(jié)閥開度曲線的非線性帶來的影響。

    三、PROFI運行效果

    3.l 一次調頻試驗
   
    負荷變化率6%，主蒸汽溫度、壓力及汽包水位的響應曲線見圖6、圖7、圖8。
 

                             
   
    由圖6、圖7、圖8可見，在一次調頻試驗過程中，功率響應迅速；主蒸汽壓力變化最大為0.24MPa，波動范圍非常小；主蒸汽溫度變化范圍超過設定值（540℃），最高至543.3℃，最低至536.9℃；汽包水位波動范圍在38～-31 mm 。

    3.2 負荷變化試驗
    
    負荷變化50MW和90MW（變化率為4%)，主蒸汽溫度、壓力的響應曲線見圖9、圖10。
                
                     
 
                 
    
    由圖9、圖10可見，主蒸汽壓力偏差最大為0.2MPa，主蒸汽溫度超過設定值（540℃），最高至542.6℃，最低至537.5℃。

    3.3 過熱和再熱蒸汽溫度擾動試驗
    
    過熱和再熱蒸汽溫度變化為士5℃，主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度定值擾動試驗曲線見圖11、圖12。

                    

                  

     由圖11、圖12可見，主（再熱）蒸汽溫度能夠較快地達到目標設定值，動態(tài)偏差非常小，最大偏離目標值為0.92℃。

    3.4穩(wěn)定性試驗
    
    為了在機組自動發(fā)電控制（AGC）功能投人后能夠適應電網(wǎng)負荷頻繁變化，并保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，在PROFI投入后，對機組進行了穩(wěn)定性試驗。負荷變化50MW（變化率為4%)，鋸齒波擾動機組負荷，主蒸汽溫度、壓力及汽包水位的響應曲線見圖13、圖14、圖15。
                          

                       
               
    四、PROFI評估
    
    國華定洲電廠2號機組PROFI評估試驗數(shù)據(jù)見表1。

               
   
    由表1可見，在各種試驗工況下，機組功率實際變化速率滿足參與電網(wǎng)AGC方式運行的要求，除降負荷時再熱蒸汽溫度偏低以及偏差稍大外（噴水閥已經(jīng)全關），機組其它主要參數(shù)控制過程平穩(wěn)，動態(tài)偏差數(shù)值均遠小于其允許偏差。機組負荷指令變化時，機組功率響應的初始慣性較小（40s)，機組的實際負荷變化率非常高，蒸汽壓力和溫度控制偏差非常小。