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摘要： 从超临界机组控制工程的特殊性即从系统规模庞大、要求快速控制和快速保护，闭环系统的可控性和工程实际出发，指出分散控制系统（DCS）必须具有闭环控制的快速性，是一个很重要的技术特性。并以此为基点，研究了超临界机组控制策略问题。文章介绍了基于机组负荷指令的协调控制方法，以及有成功使用经验的动态加速信号；对于超临界机组非常重要的蒸汽控制策略，分折了可能的作法，推荐使用预测控制方法。上述方法，在国外工程中均有使用经验。
关键词： 超临界机组；控制策略；可控性；协调控制；预测控制；汽机；锅炉
目前，我国超临界参数、1000W级火力发电机组新建工程已经展开，这种先进的大型机组对分散控制系统(DCS)提出了严格要求。本文将讨论超临界机组1000MWDCS的技术要求及控制策略问题。
1 大型超临界机组控制工程的特殊性
大型超临界机组对DCS提出了严格的要求，此类要求来源于大型超临界机组控制工程的特殊性。
1.1 系统规模庞大
以目前投产的2×900MW机组为例，由相关资料可知：
(1) 单元机组侧的监视、控制的输入输出点数约为10000点。
(2) 公共工艺系统侧监视、控制的总点数约为4000点。
依照目前的设计要求，公共工艺侧的全部状态变量应传送至单元机组侧的DCS。因此，单元机组侧DCS监视、控制的过程变量达14000点以上，这已成为工业大系统。1000MW超临界机组控制工程也已属于工业大系统控制工程的范畴。
1.2 快速控制、快速保护
(1) 汽机—锅炉必须进行协调控制，要求DCS实现快速控制、快速保护。这是多年来实践证实的认识。
(2) 1000MW超临界机组普遍采用直流锅炉、直吹式送粉工艺，又因采用超临界参数，进一步提出了快速控制的要求。在工业大系统的背景下，实现可靠的快速控制，已成为1000MW超临界机组控制工程的一个核心技术问题。
(3) 现代控制理论揭示了控制系统中的一个重要概念——可控性(Controllability)。闭环控制系统的可控性本质上以控制周期来衡量。实时性好即控制周期（T0）短，可控性好；反之，控制周期长，实时性和可控性即差，直接的结果就是控制精度差。
(4) 从实际工程考虑，控制系统总是在各种扰动的环境下工作，扰动后的过渡过程短，是系统稳定性的标志性参数。当受控过程一定，且采用优化的比例积分(PI)调节参数后，扰动过后的过渡过程将仅与控制周期相关。以汽机为受控对象，扰动之后过渡过程（T）与控制周期（T0）之间的量化关系如下
1) 单回路调节方案：TW=6×T0
2) 串级PI调节方案：TW0=2.4×T0
TW1=6×（TW0+T1）=14.4T0+6T1
式中，TW为闭环工作周期；TW0为串级回路、内环闭环的工作周期；TW1为串级回路、外环闭环的工作周期；T1为模拟量输入用时；T0为控制器的控制周期，即为输入信号用时、控制运算用时、输出信号用时的总和。
在4∶ 1衰减准则下，3倍的闭环工作周期后，阶跃扰动将衰减至初期值的0.0156，这可认为已达到稳态。由此可知，对汽机受控对象而言，阶跃扰动后的过渡过程T与控制器的控制周期（T0）呈现简单的线性关系。上述关系虽然是对特定对象给出的，但不难确信具有一般意义。
由此可知，T0短则过渡过程短，系统稳定；T0长则过渡过程长，系统表现欠稳定。由于闭环系统总是处在外部、内部扰动的环境下工作，T0过长，则闭环系统总是处于过渡过程中，将呈现不稳定状态，这不是期望得到的结果。由此可知，短的控制周期是必需追求的目标。这对于超临界大型机组控制系统至关重要。
1.3 可靠性
(1) 软件的可靠性问题更为突出。近30年来，集成电路工艺，印刷线路板的设计、制造、装配工艺、检查手段，已有极大进步。但设计思想不同、设计中的取舍准则和强调的重点不同、软件缺陷等，这一系列的“软”问题显露出来了。又由于软硬件的结合日益紧密，软件规模日益扩大，使该问题更为突出，应引起注意。
2) 关于冗余问题。“冗余”仍然是提高可靠性的有效手段。然而对于实际工程，冗余技术的重点不在于冗余的多重性，而在于系统自身的固有可靠性，以及故障判别及切换准则的正确性。即应关注：
1) 故障判别的准则是什么，故障判别的完备性如何；
2) 切换部件或系统是惟一的，其可靠性至关重要，它是保证正确切换的最终关键环节；
3) 切换后的扰动总是存在的，如何平滑过渡，使扰动限制在允许的范围内。
实践证明：单部件、单系统的可靠性（包含硬件、软件）是任何系统可靠性的基础；切换部件往往也无法进一步冗余。因此，这种单部件的可靠性应格外引起重视。高可靠的单系统、准确完备的故障判别准则、简单可靠的切换逻辑，有益于总体可靠性的提高。
总之，大型超临界发电机组的控制系统是一类典型的大系统。在工业大系统的背景下，利用DCS实现高可靠性的快速控制、快速保护是重点和本质。
2 控制策略问题
对于大型超临界机组快速稳定控制的工程含义有2点：
(1) 要求机组负荷变化时，在控制系统的作用下，负荷跟踪变化快。
(2) 无论处于何种运行工况，受控工艺的参数应稳定在允许范围内。
DCS的控制周期(T0)要短和正确选择控制策略是实现快速、稳定控制的二大因素。
2.1 汽机－锅炉之间的协调控制
机组协调控制的主要目的是：
(1) 协调机－炉之间动态过程的速度差异，使得受控工艺参数稳定。
(2) 负荷需求变化时，锅炉系统能够快速地增、减机组的出力，平稳地满足电网需要。
如何选择锅炉侧的负荷需求信号，是实施协调控制的第一个问题。
2.1.1 直接能量平衡法
20世纪80年代，我国引进300MW机组制造技术时，也引入了“直接能量平衡法”的协调控制思想。其要点是：
(1) 取汽机调节级蒸汽压力信号p1，并以此信号为基础，演化运算后得到信号Y，并将Y送入锅炉控制系统，作为稳态负荷需求信号，使锅炉系统产生的蒸汽能满足汽机正在消耗的蒸汽。
(2) 为了克服信号p1固有的正反馈性质，出现了2种自p1演化为Y的方法，即
Y1=p1［1+k(pts-pt)］ （1）
Y2=p1·pts/pt （2）
式中，pt为机前蒸汽压力；pts为机前蒸汽压力设定值；k为常数，当k=1/pt时，式(1)与(2)相等，由此可知2式一致。
(3) 由于p1、pt全是机组状态变量，由式（1）或式（2）可知，只有先出现所需的p1、pt，才能生成信号Y1、Y2。因此，本质上这是一种锅炉负荷跟踪汽机负荷的“炉跟机”控制策略。此策略无法超越锅炉系统的迟延时间常数。
(4) 锅炉侧最大的迟延时间，由物理过程产生，即给煤—制粉—送粉—燃烧—热交换—蒸汽功率。
在实际生产中尽管可以利用锅炉蓄能（直流炉此值远低于汽包炉）以及磨煤机的蓄粉作用，适当地加速这一物理过程，但终究大局已定，无法根本改变。这是基于信号p1进行协调控制的本质弱点。
2.1.2 基于机组负荷指令信号的协调控制策略
(1) 机组发电负荷指令UD（Unit Demand），是最早出现的机组负荷需求信号，它不受锅炉系统诸环节的迟延影响。从时间上分析，信号UD比p1至少超前1个锅炉时间常数。UD不仅时间上有优势，而且不受机组各种扰动的影响，不存在p1的正反馈作用。但是，UD往往是一种阶跃信号，例如，从800MW提升到1000MW。此信号不能为锅炉系统所接受，因而需将UD处理后形成锅炉系统可接受的斜坡功率指令信号——MWD（MW
Demand），见图1。信号MWD的斜率，即是每分钟的出力变化率，由当前的机组设备状态决定。由于UD和MWD是预知信号，因此锅炉系统可以立即跟踪执行，无p1信号的滞后、迟延现象。
图1 UD信号与MWD信号
(2) 由信号UD产生的信号MWD，是锅炉稳态功率需求信号，具有开环、前馈控制的性质。在MWD的基础上再叠加协调偏差变量(即主蒸汽压力的偏差信号)，形成最终的锅炉功率输入指令信号BID（Boiler
Input Demand）。其关系可用式
(3)描述
BID=MWD+k(p0-ps)（3）
式中，p0为主蒸汽压力的设定值；ps为主蒸汽压力值；k为大于零的常数；BID为锅炉输入功率需求量；MWD为锅炉系统可接受的斜坡功率需求量。
(3) 实践证明，基于式(3)的协调控制策略，锅炉负荷变化迅速。这种控制策略已经成功地广泛用于国外超超临界1000MW机组的控制工程，并取得了良好的控制效果。
22 动态加速信号
(1) 为了进一步克服锅炉系统的大迟延特性，国外的大机组控制工程中，还需要使用动态加速信号（Signals of Boiler Input Rating）：①燃料加速信号；②给水加速信号；③送风加速信号；④主蒸汽温度加速信号；⑤再热蒸汽温度加速信号；⑥风箱挡板加速信号等。
(2) 加速信号是一类特殊的加强微分信号。机组工作在稳定负荷时，它不发生作用；机组工作于负荷变动工况时，它发生加速作用，可起到克服锅炉惰性的效果。
2.3 蒸汽和流体温度控制
(1) 带有启动分离器的直流锅炉，从锅炉启动到汽机通汽，一次过热器入口前的蒸汽温度控制，或旁路至分离器的流体温度控制，是一重要的调节控制内容。不仅有温度的定值控制，而且有温度变化的速率控制。一般说来，此温度自低于200℃始，依预定曲线升至370~400℃（依锅炉厂给定参数而定）。其曲线形状如图2所示。
图2 旁路流体温度控制
(2) 由于此处无喷水减温手段，因此被调变量只能是给水量、燃料量或其比值。给水量必须满足运行工艺的要求，因此它的动态响应虽然快，但是不可能大幅度变化，本质上仍然以调节燃料量为基本手段。于是形成了以燃料量为参数，校正水/燃比值，最终达到调节一次过热器入口蒸汽温度的目的。这种策略，由于中间物理过程多，迟延滞后大，给该回路的有效控制造成了困难。
(3) 理论上，此类大迟延环节的解决方法有：
1) 基于数学模型的控制策略。由现代控制理论告诉知，只要数学模型准确，原则上不存在设计控制策略有什么困难，各种观测器理论提供了解决问题的方法。然而提炼准确模型，是很困难的。况且不同厂家的锅炉会有差异，模型也将随之变化，这在工程中难以做到。
2) 近似模型法——各种预估控制方法。精确模型得不到，可以采用近似模型。各种预估模型仅要求对迟延有一概略的理解，这是针对特定问题的考虑，当然也是一种出路。
3) 基于工艺变量测量值的预测控制方法。
a) 令控制参数矢量为R=(r1，r2，…，rn )。这里当然简单一些，仅为给水量、燃料量等。
b) 扰动量为给水温度、燃料热值变化等。
c) 经过的物理过程为：给煤—制粉—送粉—燃烧—热交换—蒸汽温度。
可以得到蒸汽温度T的测量值，此值经历了滞后和迟延作用，因此其函数关系可表示为
T=f（R，τ，d）
这里控制变量为R，延迟参数为τ，扰动为d。测量值T包含了全部物理过程的信息，这是基于R值和测量值T能够进行预测控制的物理原因。
4) 预测控制方法概述。有多种多样的预测算法，依实际问题而定。基本作法如下：
1) 令当前时刻记为t0，过去的时间值记作：t-1，t-2，t-3，…，t-n。
2) 当然已知的2组测量序列值为：
R0，R-1，R-2，…，R-n （4）
T0，T-1，T-2，…，T-n （5）
3) 依选定的预测算法、已知的采样间隔值以及预测的时间间隔，优化选择n值，从而确定了要采用的数据个数。
4) 根据序列（4）、（5）的数据，按预定算法可以计算出时间Δt后的预测温度值，记作T·Δt；用此值作为反馈变量，提前了Δt，调节当前的水/燃比值或燃料量，达到超前控制，克服了大迟延难以解决的目的。总的控制逻辑如图3所示。
图3 温度预测控制回路
5) 开关合向“1”时，使用预测控制；开关合向“2”时，旁路该模块，不产生预测控制，即为常规PI调节回路。关于预测算法，可参阅数据滤波、参数拟合或系统辨识等相关理论。
6) 理论和实践均已证实，合理选择预测算法以及相应的参数n、采样间隔时间，可以预测5min之后的汽温。基于测量值进行温度预测的控制策略，在国外超临界大型机组控制工程中，已经得到成功使用，收到了良好的效果。
3 结束语
(1) 大型超临界机组控制工程中，必须更加重视控制作用的快速性。要求DCS具有更短的控制周期，采用动态响应快速的锅炉控制策略。这是与亚临界、汽包炉控制策略的重要区别。原则上可以这样认为适合超临界、直流炉机组控制工程的DCS和控制策略，可以适合于汽包炉、亚临界参数机组；反之则不成立。本质原因在于，超临界机组的工艺过程要求DCS具有更高的可控性和更短的控制周期。
(2) 在超临界机组控制策略的综合中，要重视如下环节：
1) 锅炉稳态负荷需求信号的选择，选择p1信号不够理想，UD和由此产生的MWD信号应当是更好的选择。
2) 在负荷变动工况下，如何加速锅炉侧的动态响应，特殊设计的强微分信号是一种较好的设计。这种思想已在工程中得到体现。
3) 对于具有大迟延特性的一次过热器入口蒸汽温度控制，应给予重视。基于观测值的预测控制策略以及各种预估器方法，在实际工程中是比较可行的选择，特别是前者，已有成功使用业绩。
4 参考文献
［1］ 刘 维.可控性和控制周期.自动化博览，2005,6(3).
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