基于动态前馈的锅炉超前加速控制策略研究与应用

葛 朋，柳春晖，李 明，李志伟

（1.国家能源集团双辽发电有限公司，吉林双辽 136400；2.东北电力大学，吉林吉林 132012）

燃煤机组在协调控制方式下运行时，当负荷指令发生变化时，发电机组的实际功率响应较快，但锅炉设备改变热负荷需要经历燃料量变化、制粉、燃烧、热交换等物理过程，相对于负荷指令变化存在较大滞后，而且各系统间耦合严重[1-2]。在动态过程中，主汽压、汽温和给水控制系统会存在一定的波动。同时，现阶段全国各电厂煤源不固定，且厂内混配难度较大，锅炉燃料常年偏离设计煤种对燃烧控制造成不利影响[3]。在当前机组必须投入AGC 方式运行的背景下，满足电网调度的负荷要求仍是协调控制系统的主要目标。所以在设计协调控制系统时，几乎均采用以锅炉跟随为基础的控制方式。而锅炉的燃烧系统延迟和惯性较大，因此提高锅炉控制的动态响应速度在现阶段的实际工程中仍具有重要意义[4-6]。

1 BIR控制的工作原理

BIR 控制策略就是机组负荷开始变化时，在上升或下降的初始时刻给出适当的提前控制量；负荷变化过程中，全面加速锅炉燃烧和给水调节；稳定在新的负荷工况之前，适时降低调节强度，防止过调[7]。BIR 控制只能在协调控制方式下应用，因此BIR 控制也可定义为“机炉协调锅炉超前加速控制”。BIR的设计原理如图1 所示。

图1 BIR的设计原理

如图1所示，机组目标负荷变化时，锅炉主控指令（Boiler Demand,BD）开始变化，以一定速率投入到燃料、送风、给水等系统内，BIR 控制信号随着负荷目标值和实际负荷之间的偏差产生，在机组出力即将到达目标值时，BIR 信号以一定的速率迅速切除[8]。当机组出力达到目标值时，BIR控制信号归0。BIR控制只在动态调节时起作用，在稳态时不对系统产生任何影响，作用的时间由锅炉实际的预期响应时间决定。

BIR 控制信号一般附加到各子系统的前馈值上，使各子系统迅速动作。目的是合理、准确地利用前馈控制技术，控制锅炉输入变化量，尽可能抵消扰动所需要的控制量，使调节器始终处于小偏差调节状态；同时尽可能减少反馈控制量，避免引起系统的不稳定或过度积分[9-10]。需要注意的是，由于锅炉各子系统的延迟特性不同，因此BIR的生成程序在各子系统的作用方式应具有可调整的参数。

BIR控制一般通过在DCS的协调控制系统中增加BIR 控制逻辑实现，不对锅炉设备以及其他硬件进行任何改造，仅利用控制策略加快锅炉动态响应以适应不同工况，缩短锅炉负荷、压力和温度反应时间，使之与汽轮机工作更加协调，从而改善机组的控制品质，是一种经济性较好的技术策略。早在1989年，BIR 控制已应用在700 MW 直吹式制粉燃煤超临界直流锅炉上，参与电网AGC控制，机组在35%～100%的负荷区间运行时每分钟的负荷变化率能够稳定在4%。

2 基于动态前馈的BIR控制策略

基于动态前馈的BIR 策略主要是根据机组负荷指令计算BIR 控制作用的投入、切除时间和投入、切除速率，通过控制参数和辅助逻辑实现BIR 控制作用的幅值与时序的修正，BIR 信号生成逻辑构架如图2 所示。

图2 BIR信号生成逻辑构架

超前滞后模块（leadlag）的传递函数为：

其中，K为增益，T1为超前时间，T2为滞后时间，将所有的leadlag 模块（模块1、模块2和模块3）中T1设置为0。为了便于分析，将K设置为1。此时G(s)为一阶惯性环节的传递函数，即：

式中，1-G(s)为实际微分环节的传递函数，具有超前特性，模块2和模块3 构成负荷指令的二阶微分信号，该信号与一阶微分信号加权求和作为BIR 控制信号的投入速率。BIR 控制作用投入时刻的速率可由二阶微分部分设置，过渡过程的变化速率可由一阶微分部分设置，切除时刻与切除速率由一阶微分和二阶微分加权计算得出。加法模块7（Σ）中有比例增益设置，可以调整BIR 信号的幅值和一阶、二阶微分作用的权重。在模块4的上游程序中，负荷指令目标值与当前负荷指令的偏差除以负荷变化率，即为从当前负荷指令达到目标负荷所需的时间。因为负荷指令有增、减两个过程，而时间从物理意义上不能为负值，所以比例模块8（K）设置值为-1，再与自身代数值高选，即为取绝对值功能，也可直接使用绝对值模块。函数发生器模块4(f(x))为一个带有死区的函数，其主要作用是准确控制二阶微分作用投切，以改变BIR 控制信号的投入、切除时间，f(x)的描述点如表1 所示。

表1 二阶微分作用投切函数

在当前负荷指令接近负荷目标值时，BIR 控制的作用是切除二阶微分，便于迅速切除BIR 信号，起到时序修正作用。两个比例模块5（K）、6（K）为BIR信号的限制值增益，BIR 信号限制值一般为变负荷率的倍数，模块5（K）为正向增益，是该变负荷率下的加负荷方向的最大幅值；模块6（K）为负向增益，是该变负荷率下的减负荷方向的最大幅值。模块5（K）、6（K）的增益可以相同，也可以不同。BIR 信号在协调控制系统投入运行一段时间后开始生效。

3 试验与分析

将以上策略应用于某600 MW 机组，图3是对BIR控制参数调整后的试验情况。为保证安全对机组进行小范围扰动，机组目标值从600 MW 降至590 MW，稳定后升至600 MW。通过对曲线分析，机组的实际功率几乎和负荷指令保持一致，扰动出现时BIR 能迅速动作，并随负荷指令偏差逐渐缩小，最终为0，主汽压力变化控制不超过±0.2 MPa。BIR 信号产生初期，由于负荷指令变化，微分作用使BIR 控制投入时间缩短且投入速率增大，因工程实际的微分环节含有惯性，BIR 信号逐渐减弱。在负荷指令接近目标值时，二阶微分作用切为0，加快切除速率，最终BIR控制作用随一阶微分作用的逐渐减弱，缓慢下降为0，整体过程和曲线形状达到预期效果。

图3 中BIR 信号动态过程曲线和BIR 信号为0的直线所形成的面积，即为动态补偿量。假设BIR各参数调整合适，理论上这部分动态补偿量就是在锅炉变负荷时需要额外补充或释放掉的蓄能。

图3 BIR试验曲线

3.1 连续加负荷工况试验

图4 为某600 MW 机组以变负荷率6 MW/min的速率从400 MW 逐渐增加负荷至600 MW的过渡过程曲线。可以看出，虽然每次负荷变化目标值不同，但几次较大幅度的负荷目标值变化所产生BIR 信号的幅值相同。通过对图2 所示控制策略的分析，变负荷率与两个比例模块5（K）、6（K）的乘积有关，K的增益一般设置在3～8 左右，所以BIR 信号的动态幅值是由变负荷率决定，变负荷率越快，BIR 信号的动态幅值越大。而从图4 中还可以发现，BIR 信号的持续时间与负荷指令的变化时间有关，在负荷指令未达到新的负荷目标值之前，BIR 信号会持续。当负荷指令接近负荷目标值时，BIR 信号提前切除。减负荷工况下，BIR 负方向工作原理与正方向相同。

图4 锅炉连续加负荷试验曲线

3.2 调整变负荷率试验

对某600 MW 机组加负荷过程进行变负荷率调整试验，过渡过程曲线如图5 所示。锅炉负荷指令为从450 MW 逐渐加负荷至600 MW，3 次改变负荷目标值的过程中进行了变负荷速率的调整。初始变负荷率为3 MW/min，第一次加负荷过程中，首先将变负荷率设置为5 MW/min，升负荷过程中调整为7 MW/min。从BIR 信号的曲线可以看出，变负荷率变化的瞬间，BIR的幅值发生跃升，其目的是进一步补偿锅炉各子系统的动态前馈值，充分利用锅炉蓄能，在新的变负荷速率下提升主汽压和机组功率响应幅度。第二次加负荷过程中，初始速率为3 MW/min，升负荷过程中调整为7 MW/min，最终稳定在9 MW/min，BIR信号的幅值也对应产生了3次跃升。试验期间，升负荷率从7 MW/min 调整到9 MW/min 之前，人为在协调系统中按下了“保持”按钮，对升负荷过程进行干预试验，从曲线中可看出负荷指令此时刻停止攀升，BIR 控制信号瞬间复位并出现负向值，加负荷过程迅速终止。BIR 信号出现负值有效地防止稳态之后出现较大的过调，这是负荷指令微分产生的效果，实现将动态前馈指令拉回的作用。

图5 锅炉调整变负荷速率试验曲线

3.3 连续投入试验

对某660 MW 机组负荷进行连续变负荷试验，以9 MW/min的变化速率将机组负荷从300 MW 增加至600 MW 再减少至300 MW，其过渡过程曲线如图6 所示。

图6 某660 MW机组连续变负荷试验曲线

从曲线中可以看出，动态过程中负荷的最大超调量控制在±9 MW 以内，主汽压力最大超调量控制在±0.5 MPa 以内，主汽温度的最大动态偏差控制在±6 ℃以内，中间点温度最大动态偏差控制在±5 ℃以内。从图中BIR 控制作用的曲线可以看出，每一次负荷指令变化，BIR 信号虽持续时间和幅值不同，但对于给水指令和燃料主控指令优化加速明显。在负荷指令变化瞬间，给水和燃料指令均有不同幅度上升或下降，且汽压和汽温并未出现较大的波动，控制效果较为理想。

4 参数设置与应用

4.1 BIR控制信号的曲线

BIR 控制的任务是在锅炉动态过程中持续对锅炉各子系统的目标值加入前馈作用，加速各子系统被调量的变化[11-13]。BIR 控制信号包含上升速率和幅值等信息，其动态信号的大小是由3 个超前滞后模块（leadlag）1、2、3的惯性时间决定的，这3 个惯性时间的设置一般为10 s 级。需要对机组各工况下的参数进行观察总结，合理设置一阶惯性和二阶惯性时间的滞后时间。某660 MW 机组试运行期间曾进行了锅炉蓄能试验，在机组负荷480 MW 稳定运行的工况下，锅炉侧调节状态维持不变，汽轮机各调节阀的开度从约40%快速开到100%，机组的负荷可以增加9 MW 左右，并维持约100 s，粗略计算大约有1.36%的瞬态超量输出，这部分超量输出即为锅炉蓄热释放的作用。在锅炉加减负荷时，需要额外的补充或者释放掉该部分能量，此部分蓄热量是BIR 控制参数调整的重要依据。由于燃煤机组的协调控制系统是一个非线性、动态的过程，所以不同负荷段下机组的动态模型也是不同的，可以通过分段函数设置不同负荷区间的BIR 参数，以保证BIR的控制品质满足机组在高、中、低负荷工况下均能满足电网需求，具有自适应能力。

4.2 BIR控制信号的投入、切除时间

为了充分利用锅炉蓄热，提高机组负荷响应速度，机组在变负荷初期动态前馈一般不立即投入，但是直流锅炉较汽包锅炉蓄热能力小，且随着锅炉容量的增大，锅炉蓄热量与锅炉最大连续蒸发量的比值越来越小[14-16]，所以该文介绍的BIR控制信号在锅炉负荷指令变化初期即投入，以提升响应速度。另外，由于锅炉燃烧、传热是个大惯性过程，为了避免动态过程燃料指令由于积分作用积累较多，通过对带有死区的函数f(x)进行设置，可以提前切除动态前馈作用。通过以上方法对投入、切除时刻和投入、切除速率的合理分析与设置，使动态前馈量与机组负荷变化需求相适应，进而提高变负荷过程的动态响应过程精度。

4.3 BIR控制信号在各子系统的设置

由于燃料、风量、给水各子系统在锅炉工况变化时的响应特性不尽相同，送往各回路的BIR 信号可根据机组负荷变化时的响应特性，以锅炉运行数据为依据独立设计作用方式并调整控制参数。一般由于要维持锅炉富氧燃烧，BIR 信号送往风量控制系统的信号总是使其向增加的方向调整。BIR 信号送至给水系统的信号要经过二阶或三阶惯性环节再作为流量PID的前馈，目的是适当减缓响应速度与给煤控制同步，保持汽温稳定。BIR 信号送至给煤控制系统的信号要经过风量和水量的限制之后再送至给煤PID。锅炉负荷变化的动态过程中，解决燃料、给水、风量的匹配问题，提高锅炉负荷变化速率是最终目标，BIR 信号及其在不同系统作用方式可以动态实现不同系统之间的快慢调节。

5 结束语

该文介绍了BIR 控制作用的原理以及某600 MW机组的BIR 信号控制逻辑，对机组自身控制特点进行了深入分析研究，借鉴了同类型机组的经验，在消化吸收的基础上完成了设计。目前600 MW、1 000 MW 级机组的协调系统中，均可使用锅炉过程加速BIR 控制功能。文中介绍的方法具有较强的实用性，通过工程设计和现场试验，现场技术人员可利用此方法在协调控制系统中增加此项功能并不断完善和优化控制参数，以满足不同机组的需求。虽然现阶段控制系统外挂各类智能控制、优化算法等产品较多，但对于现场维护人员基本上还是属于黑箱控制，非专业技术人员无法直接进行调整和优化。文中介绍的BIR 信号组态方法简单，可调参数较少，便于热工维护人员理解和调整。如果参数设置得当，能大幅改善锅炉对负荷指令变化响应较慢的情况，提高机组AGC 响应的及时性。国外先进工业国家对BIR的应用研究已经发展得较为成熟，既有理论指导，又有现场实践。虽然国内各火力发电机组均采用DCS系统作为控制装置，且国产DCS系统也已达到世界先进水平，但是在机组控制策略以及进一步挖掘释放DCS 控制逻辑功能方面仍需深入研究。文中BIR 控制策略和思想不仅局限于锅炉控制，对工业控制领域中需要快、慢被控对象协同工作的控制系统也有一定的借鉴意义。