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0 概述 镇海发电厂装机容量为2×125MW燃油机组和4×200MW燃煤机组。其中4号机组为200MW燃煤机组，锅炉是东方锅炉厂生产的DG670/140-8型超高压、一次中间再热、自然循环汽包式锅炉；四角布置4组直流式燃烧器，1、3号角对冲，2、4号角相切在炉膛中心形成假想切圆负压燃烧。制粉系统为中间储仓式制粉系统，配有2台DGT-380/720钢球磨煤机，送、引风机各2台。汽轮机是北京重型电机厂生产的超高压、一次中间再热三缸三排汽、凝汽式N200-130/535/535型汽轮机。调速系统为机械液压式调速系统，增、减负荷通过操作集控室里的同步器操作器实现。发电机为北京重型电机厂生产的QFQS-200-2型电机，采用水氢氢冷却方式。控制系统采用TF-900模拟组装式仪表。
由于TF-900模拟组装式仪表工艺水平差，故障率高，再加上本体设备及热力系统可控性差，造成自动投入率和利用率低，调节品质差，难以实现机组协调控制。随着科技进步，一次控制设备不断改造和完善，实现了应用工业控制计算机IPC，采用人工智能为特点的模糊控制技术对原汽包水位、主蒸汽温度、再热蒸汽温度及送风、引风等控制系统的改造，提高了自动调节品质和投入率，取得了较好的效果。为此，针对国产200MW机组当前运行的实际情况，提出实现机炉协调控制系统的控制方案。
1 控制思想与策略 协调控制系统(CCS)是把锅炉及汽轮机作为一个单元机组整体进行综合控制时所用的控制系统，具有较完整的联锁和保护等控制。它不仅要求单元机组能较快地响应电网负荷变化，而且要求单元机组本身的安全、经济及稳定运行，保证在不同控制方式间的切换是无扰动的，以适应机炉本身在不同工作状态下对控制系统的不同要求。因此，CCS是一个多变量控制系统，各控制参数间存在相互耦合作用，在控制时必须进行解耦。由于电厂锅炉、汽轮机对象本体较复杂，很难通过试验求得正确的传递函数，因而无法在理论上对CCS各控制参数进行正确的解耦计算，只有在工程调试中依靠经验和扰动试验进行解耦和整定，不仅麻烦，且较难取得满意的效果。可从CCS主要控制参数的控制回路分析，寻找解决的方法。
CCS主要控制参数是主蒸汽压力和机组功率，对应的主要控制回路是主蒸汽压力控制回路(锅炉主控)和功率控制回路(汽轮机主控)。主蒸汽压力控制回路是根据控制偏差来控制各给粉机或给煤机转速，达到控制燃料量的目的，使主蒸汽压力与设定值保持一致。该过程经历了给粉机或给煤机、磨煤机控制及炉膛燃烧等过程，再去影响主蒸汽压力。试验表明，对于储仓式制粉系统，一般需30～50s(大小随负荷而定)；对于直吹式制粉系统，需120～180s，迟延时间较大，响应过程相对较长，是一个慢速控制回路。功率控制回路根据控制偏差，通过汽轮机同步器直接控制调速汽门，或通过DEH直接控制调速汽门，是一个随动控制系统，响应快，属快速控制回路。这2个控制回路间调节速度不匹配，使主蒸汽压力控制无法跟随功率控制，造成机炉间的能量失衡，引起主蒸汽压力波动较大。若2个控制回路调节速度相匹配，则锅炉侧的热量变化就能迅速跟随汽轮机侧的能量变化，不会引起主蒸汽压力较大波动。因此，可采取相应措施，使CCS在动态工况下，主蒸汽压力控制回路的调节速度加快，同时在满足AGC运行要求的前提下，让功率控制回路的调节速度相对放慢一点，使二者的调节速度匹配。
提高CCS主蒸汽压力的调节速度是技术关键。为此，针对4号机组运行和设备实际情况，提出新的控制策略，即锅炉侧主蒸汽压力控制采用直接能量平衡控制方式和Fuzzy-PID复合控制规律，进一步提高主蒸汽压力控制回路的调节速度；汽轮机侧功率控制采用Fuzzy-PI复合控制规律和控制输出转换成可调宽的脉冲去控制汽轮机同步器，减小汽轮机同步器的惯性，提高其可控性。在稳态工况下，2个控制回路分别独立调节；动态工况下，在功率设定回路上设置迟延模块和主蒸汽压力控制回路引入负荷指令微分前馈回路，在保证负荷起始响应速度的前提下，通过合理匹配和整定迟延模块的迟延时间、负荷指令微分前馈回路的微分强度和时间、锅炉蓄热的关系，经能量偏差修正，使CCS在动态工况下增减的煤量与外界负荷需求量相匹配。
2 控制原理
2.1 直接能量平衡控制原理
主蒸汽压力控制回路采用直接能量平衡控制方式代替主蒸汽压力控制偏差，不仅能及时反映汽轮机的能量需求变化，而且也能及时反映锅炉的热量变化，并根据能量需求变化情况，控制燃料和空气控制系统，改变相应的燃料量和空气量，满足外界负荷变化要求。另外，采用放热量信号与能量需求信号平衡，使燃烧控制器同时兼有燃料控制和机前压力控制功能，并加速控制回路的调节速度，防止和消除在负荷变化过程中机前压力超调和不稳定的影响，比通常采用的独立的压力控制器更快地恢复机前压力，同时消除因供给能量的任何变化(煤量和煤种的变化)所引起的主蒸汽压力和负荷的扰动，取消了常规采用BTU校正煤量的方法，使控制回路进一步简化。由此可见，直接能量平衡方式是一种反应迅速而又稳定的方式，使锅炉燃料输入与汽轮机能量需求相匹配，且不会产生机前压力的超调或振荡及负荷波动。另外，为克服机组在响应外界负荷过程中调速汽门动作对主蒸汽压力产生的影响，进一步加速主蒸汽压力控制 回路的调节速度，确保主蒸汽压力和稳定，在直接能量平衡公式中引入调速汽门开度微分前馈信号，对直接能量平衡公式进行修正。
式中 P1——一级压力；
PT——主蒸汽压力；
PTs——主蒸汽压力设定值；
PD——汽包压力；
KD——汽包压力微分强度系数；
KPT——主蒸汽压力微分强度系数；
KP1——一级压力微分强度系数。
式(1)中，(P1/PT)PTs为能量需求信号，P1 KD(dPD/dt)为热量信号。当外界负荷需求增加，调速汽门开启过程中，KP1(dP1/dt)为正值，则KPT(dPT/dt)-KP1(dP1/dt)为负值，加大对外界负荷响应所需的能量需求值，加速增加燃料量，提高机组满足外界负荷所需的热量；当外界负荷减小，调速汽门关闭过程中，KP1(dP1/dt)为负值，KPT(dPT/dt)为正值，则KPT(dPT/dt)-KP1(dP1/dt)为正值，加速减小锅炉所需的热量值，迅速减小燃料量，使其与外界负荷所需能量相匹配。因此，引入调速汽门开度的微分前馈信号，能大大加速改变锅炉侧的燃料量，使锅炉侧的热量值迅速与汽轮机侧所需的能量相匹配，满足外界负荷需求，同时确保主蒸汽压力稳定。
2.2 模糊控制原理
常规的二维模糊控制器是以误差和误差变化速率作为输入变量，一般认为这种控制器具有Fuzzy 比例-微分控制作用，而缺少Fuzzy积分作用。这样的模糊控制系统的动态性能较好，而稳态性能不能令人满意。在线性理论中，积分控制作用能消除控制的稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快，而比例积分作用既能获得较高的稳态精度，又具有较快的动态响应。因此，把PID(PI)控制策略引入Fuzzy控制器，构成Fuzzy-PID(PI)复合控制，优势互补，得到了较理想的控制效果，进一步提高了自动调节品质。这种复合控制策略是在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内转换成PID(PI)控制，二者间切换采用跟踪技术实现无扰动切换。
模糊控制器采用在全论域范围内带自调因子的模糊控制器，其目的是：一方面为实现模糊规则的自寻优控制；另一方面，尽量简化寻优过程，减少模糊控制规则和对计算机的内存占用。为此，设计了在全论域范围内带自调因子的模糊控制器，其模糊量化控制规则论域选取如下：
设误差E、误差变化C及控制量u的论域为：
［E］=［C］=［u］=［-N,…,-2,-1,0,1,2,…，N］
则在全论域范围内带自调整因子的模糊控制规律可表示为：
a=1/N(as-ao)｜E｜ ao
U=±[aE (1-a)C] (2)
式中，0≤ao≤as≤1，a∈［ao,as］。上述控制规律的特点是调整因子a在ao、as间随误差绝对值｜E｜的大小呈线性变化，因N为量化等级，故a有N个可能的值。当取as=ao时，a=ao控制规则就变成U=±［aoE (1-ao)C］，表示只有一个调整因子的控制规则，±根据控制回路的控制方向来选择。不难看出，式(2)所描述的量化控制规则体现了按误差的大小自动调整误差对控制作用的权重，因为这种自动调整是在整个误差论域内进行的，所以称其为全论域范围内带有自调整因子的模糊量化控制规则。显然，这种自调整过程符合人在控制决策过程中的思维特点，具有优化特点，且非常容易通过工控机实现。
3 设计概况 由于当前国产200MW机组客观条件的限制，如最低稳燃负荷、主要辅机的可控性和最低出力的限制，一般只要求在150～200MW负荷间进行变负荷运行，且主蒸汽压力通常采用定压运行方式。另外，目前暂不考虑200MW机组参加电网调频和机组主要辅机发生故障时机组自动降负荷控制，因此在设计过程中与电厂商量后，省略了频率控制回路、RUNBACK控制回路，同时对负荷指令控制回路进行简化，取消了闭锁增、减负荷和迫升、迫降负荷功能。因此，4号机组的CCS只设计了主蒸汽压力控制回路(锅炉主控制回路)、功率控制回路(汽轮机主控制回路)，主蒸汽压力采用定压运行，其控制原理示于图1。
图1 CCS原理 CCS控制特点如下：(1)CCS是以锅炉跟随为基础，采用直接能量平衡控制方式和Fuzzy-PID(PI)复合控制策略构成的控制系统，即主蒸汽压力采用直接能量平衡控制方式和模糊控制器 PID控制器控制规律，功率采用模糊控制器 PI控制器控制规律。(2)主蒸汽压力控制回路采用直接能量平衡修正公式进行控制，引入了调门开度微分前馈，可及时反映汽轮机的能量需求和锅炉侧的热量变化。在加速对外界负荷响应速度的同时，又能确保主蒸汽压力的稳定。(发了用于串行口RS485的IO驱动程序(PDK)和模糊控制器、设定值速率限制、实际微分、死区、大值比较、限幅、脉冲输出控制器等7个用于控制的自定义模块(BDK)。同时，开发了多幅用户画面，满足机炉CCS的控制和用户操作要求。
5 现场改造 针对4号机组在运行过程中，汽轮机同步器机械部分引起打滑、自转和控制精度等问题，提出对汽轮机同步器机械部分进行改造。由哈尔滨汽轮机有限责任公司自动控制公司全权负责，保留KC505B直流减速伺服电机和电气原理基本不变，采用新型嵌齿式自动离合器代替原来的超越离合器，同步器行程位移传感器(L=35 mm)，具有行程零位行程开关，并带机械式直线行程指示机构。另外，在同步器上增加1个自动/手动切换开关，其它仍保留原状。
6 现场调试 CCS通过静态和动态调试及设定值、升降负荷扰动试验，成功地实现了CCS所设计的功能，在静态工况下，保证蒸汽压力在±0.1MPa范围内波动；在动态工况下，保证在±0.2MPa内波动，确保了主蒸汽压力和功率在不同负荷工况下的稳定。CCS在3%、5%负荷升、降速率下，机组升、降负荷扰动情况列于表1。
表1 CCS在3%、5%额定负荷升、降速率下，机组升、降负荷扰动情况
试 验 时 间 [td]负荷扰动情况 [td]响应迟延时间
/s [td]升降负荷速率
/% [td]实际升降负荷
速率/% [td]主蒸汽压力波动
范围/MPa [td]功率波动范围 [td]其它主参数
变化情况
7月15日
10：13：02 [td]负荷从195MW降到170MW [td]24 [td]3 [td]2.93 [td]设定值：12.94
最大值：13.11
最小值：12.80
波动范围： 0.17～
-0.14 [td]最低负荷：170.5 MW，
无过调 [td]与稳定运行时一样，无多大变化
7月15日
14：52：56 [td]负荷从170MW升到195MW [td]36 [td]3 [td]2.92 [td]设定值：12.94
最大值：13.02
最小值：12.81
波动范围： 0.08～
-0.13
[td]最大负荷：195 MW，无过调 [td]与稳定运行时一样，无多大变化
7月16日
09：18：41 [td]负荷从195MW降到175MW [td]30 [td]5 [td]4.75 [td]设定值：12.95
最大值：12.99
最小值：12.84
波动范围： 0.04～
-0.11 [td]最低负荷：173.25MW，
过调1.75MW [td]与稳定运行时一样，无多大变化
7月16日
09：29：17 [td]负荷从175MW升到195MW [td]24 [td]5 [td]4.95 [td]设定值：12.95
最大值：13.09
最小值：12.92
波动范围： 0.14～
-0.30 [td]最大负荷：198.03MW，
过调3.03MW [td]与稳定运行时一样，无多大变化
7 存在的问题及建议
7.1 送风控制系统
4号机组因锅炉漏风严重，造成机组在高负荷运行工况下送风机容量不够。为确保锅炉安全，目前送风控制系统采取先保总风管风压，后保总风量，再进行氧量修正。因而，机组在高负荷工况下运行时，送风控制系统只能满足总风管风压控制要求，使总风管风压与设定值保持一致，而无法参与总风量和氧量调节，满足总风量和氧量的控制要求，造成总风量无法跟随燃料量的变化，影响主蒸汽压力的控制效果及CCS的投入率和利用率。建议：(1)机组大修时，进行对锅炉漏风处理和送风机扩容，减少锅炉漏风，提高机组运行经济效益，同时使送风机容量能满足机组在不同负荷工况下的控制要求；(2)送风控制系统采用分段控制，由送风机动叶控制总风管风压，二次风挡板控制总风量，或反之，同时2种方法都采用氧量校正总风量和设置可调空气剩余系数；(3)在送风机扩容的同时，对引风机也做相应的扩容，提高引风机调节裕量。
7.2 汽轮机同步器
因汽轮机没有改造，仍采用KC505B直流减速伺服电机。这种电机死区和惯性大，控制精度低，可调范围又小，易造成过调，且升、降过程中同步器特性相差较大，即回差大，每次动作情况各不相同， 不稳定，可控性很差，难以实现精确控制。另外，汽轮机液压系统的动力油压不稳定，有时会引起同步器打滑或卡涩，影响CCS的调节品质和利用率。建议：(1)采用纯电调DEH代替当前汽轮机同步器控制，同时通过液压系统的相应改造，消除因液压系统油压不稳定而引起的打滑或卡涩现象，大大提高了机组运行的可控性；(2)采用矢量马达代替当前的KC505B直流减速伺服电机，可相对减小死区和惯性，提高其控制精度，使汽轮机同步器的特性得到改善，但仍无法克服液压系统油压不稳定引起的同步器打滑或卡涩现象。
7.3 汽轮机调速汽门
汽轮机调速汽门无阀位反馈，不利于汽轮机调速汽门的平衡和稳定，影响功率控制精度，最好增加汽轮机调速汽门的位置反馈。根据目前机组实际情况，汽轮机调速汽门无法直接加装阀位变送器，只好从液压系统中简接加装1只阀位变送器，将动力油压转换成相应调速汽门开度，有利于调速汽门控制。
7.4 通信
目前CCS所有I/O信号都是从燃烧模糊控制系统中获取和输出。因2台工控机间通过串行口RS485通信，每台工控机的处理周期不同步，有时易出现故障，使信号丢失。另外，通过这种方式进行控制，延长了控制信号的处理时间和控制回路的处理时间，对控制速度造成一定的影响，不利于控制。燃烧模糊控制器出现故障和不稳定时，就容易造成CCS无法投运，影响其利用率。可把燃烧控制和协调控制采用同一的工控机进行控制，取消通信环节，消除因通信故障或2台工控机处理不同步引起的问题。
8 结论 从镇海发电厂4号机组试验和调试结果看，CCS采用直接能量平衡控制方式和Fuzzy-PID(PI)复合控制策略进行控制行之有效，达到了预期目的，成功地实现了机组在不同负荷升、降速率3%、5%和不同负荷工况下的控制要求，确保主蒸汽压力在±0.2MPa范围内波动，大大提高了CCS的调节品质，满足了CCS快速性和稳定性要求。若今后进一步提高机组一次设备的可控性，可进一步提高CCS的稳定性和利用率，为其它机组实现CCS提供经验。
参考文献
[1] 李士勇，夏承光.模糊控制和智能控制理论与应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990
[2] 直接能量平衡DEB-400说明.上海自动化仪表公司，1992
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