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PROFI功能與效益分析
摘要：PROFI作為西門子公司的電廠設備優(yōu)化軟件，能與各種控制系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，通過內部設置的算法，達到優(yōu)化機組運行，節(jié)省成本，延長設備運行年齡的作用，本文主要從PROFI主要功能，結構原理和電廠效益方面分析PROFI軟件能為火力發(fā)電企業(yè)生產運行帶來何種益處，對于利用PROFI進行控制優(yōu)化的發(fā)電企業(yè)有著非常強的借鑒意義。
主題詞：PROFI，PROFI機組控制，經濟運行模塊
1PROFI功能描述
PROFI可以用于市場上的任何控制系統(tǒng)：
2 PROFI工作原理
2．1PROFI機組控制的工作原理
（1）控制通道
PROFI模塊“機組控制”是一種機爐協(xié)調控制的策略。該機組協(xié)調控制的“支柱”為“控制通道”?？刂仆ǖ捞幱诓僮鲉T進行目標值設定和機組幾種主要運行方式切換干預（如啟動方式、滑壓方式等）的界面最頂層區(qū)域。控制通道包含著一個相對簡單的疊加邏輯回路，使PROFI機組控制模塊產生的校正信號疊加到原來過程控制系統(tǒng)的設定值指令中。如果需要的話，控制通道的運行狀態(tài)可以很容易地在控制室終端上通過一幅或多幅畫面進行顯示，當然也可以設置控制通道運行在原先過程控制的背后，這樣就不用改變原來操作員已經習慣的機組控制監(jiān)控方式。
CP581模件通過控制系統(tǒng)接口接收機組運行的一些重要測量信號（如溫度、流量、壓力及執(zhí)行器閥位等）和主控制回路的實際整定參數(shù)，這種處于CP581模件和過程控制系統(tǒng)之間的接口是通過硬接線方式或總線通訊方式來實現(xiàn)的。位于CP581中的PROFI的控制軟件采集到上述信息，用于觀測機組的動態(tài)特性，然后計算出設定值的動態(tài)校正值。該校正值又被送回到過程控制系統(tǒng)，在那里與原先的設定值進行疊加。
這種以線性化方式直接將PROFI高級控制軟件包所發(fā)出的校正信號直接疊加在原過程控制系統(tǒng)負荷設定值回路最頂端的結構，防止了對下一級控制回路設定值的相互影響，這樣對機組穩(wěn)定、便捷地控制起到了強有力的支持。
采用這種控制通道的更大優(yōu)點是當CP581模件停運時，僅是將“疊加”在設定值回路中的PROFI控制的校正信號切除掉，而原先過程控制系統(tǒng)的負荷設定值回路沒有變化。
采用這種PROFI控制結構的設計，可以達到如下兩個目標：
·穩(wěn)定整個機組特別是鍋爐的運行；
·穩(wěn)健地優(yōu)化和改善機組的瞬態(tài)響應性能。
采用前饋控制結構可以達到上述目的，例如PROFI機組控制的主要特征之一是基于機組機爐協(xié)調控制主回路，該基礎設定值信號是通過數(shù)學運算回路產生的，并且作為主控制回路設定值控制的前饋。
在PROFI控制模塊中包含著一整套各種各樣的控制手段，經驗證對電廠機組的實際運行帶來了很大的效益。這些手段包括基于數(shù)學模型的控制方式、解耦控制理論、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等。
通過上述手段，PROFI高級控制模塊形成的動態(tài)設定值校正信號使機組能夠迅速地按預定的變負荷曲線斜率達到新的負荷目標值（即使在機組參與電網頻率控制的情況下）。
經過控制通道形成了機組負荷設定值指令，通過該指令又形成了各主要控制子系統(tǒng)（如給水控制、燃料控制及風量控制等）的控制設定值，不同子控制系統(tǒng)的設定值之間的時間遲延環(huán)節(jié)及動態(tài)響應特性環(huán)節(jié)也予以了考慮。
通過對控制通道的合適的調試過程，即使CP581模件沒有安裝，機組負荷設定值控制回路也可以進行正常地操作和運行。
（2）機組協(xié)調控制
機組協(xié)調控制回路是通過控制機組的蒸汽壓力和發(fā)電機出力來協(xié)調機爐的運行。根據(jù)負荷指令的要求，使機組的出力迅速準確地達到新的負荷設定點上。
如上圖所示的機組負荷設定值形成回路（該形成回路的大部分已包含在控制通道中）是整個機組控制回路的關鍵部分，該負荷設定值回路根據(jù)自身形成的負荷設定值進行自我調節(jié)。機組控制回路形成的負荷指令是大部分機組控制重要子系統(tǒng)，如燃料回路、風量回路和給水控制回路設定值的主體，機組的負荷設定值可以是靜態(tài)的或動態(tài)的，機組的靜態(tài)設定值是由操作員手動設置或由控制回路中的一個預先設置的負荷函數(shù)所形成。而機組的動態(tài)設定值來自負荷調度中心或者來自電網一次調頻回路，通過控制通道進行負荷設定值控制（手動或自動方式）已在前面進行了描述。
在PROFI機組控制模塊中的計算和控制功能中，還充分考慮了鍋爐和汽水循環(huán)中的實際/預測能量和熱力狀況，理論上PROFI機組控制模塊已集成了機組不同功能區(qū)的主要控制功能。
各個主要控制子系統(tǒng)的邊緣值（即實際控制區(qū)域的最大/最小允許限制）被回送到機組控制回路，對其所形成的負荷指令加以限制，這樣就避免了機組負荷指令與機組運行的實際允許工況有太大的偏差，并保證了控制子回路的調節(jié)器能夠正常調節(jié)（如不會導致調節(jié)器積分飽和，不會引起聯(lián)鎖條件動作等）。由于機組控制回路一直使機組運行在機組動態(tài)特性曲線的較好一段工作區(qū)內，這樣就能使每個控制子回路長時間工作在各自的較佳控制區(qū)域，進而減少了機組運行過程中的很多問題，也減少了操作員對機組運行的干預次數(shù)。
PROFI機組控制模塊的一個重要特點是對機爐運行進行穩(wěn)健地協(xié)調控制，根據(jù)PROFI機組控制策略，機組出力由鍋爐控制，而主汽壓力由汽機控制。在下圖中可以看出，汽機控制回路和鍋爐主控回路調節(jié)器的入口偏差設定值均來自于由控制通道形成的前饋控制模塊。
傳統(tǒng)的機爐協(xié)調控制策略通常是讓汽機控制負荷而鍋爐控制主汽壓力（即鍋爐跟隨方式），或者是鍋爐維持鍋爐出力而汽機通過控制進入高缸的蒸汽壓力來維持機組出力（即汽機跟隨方式）。
鍋爐跟隨方式通常是首選運行方式，因為這樣可以利用機組的汽機－發(fā)電機部分對工況變化的快速和穩(wěn)健的響應性能，但是在鍋爐側通常會產生很多控制難題，這是因為鍋爐的動態(tài)響應速度很慢并且在響應負荷變化而改變燃料量時，造成主汽壓力控制很不穩(wěn)定。鍋爐側對各種擾動反應遲鈍，要想使系統(tǒng)擾動后達到新的穩(wěn)定工況需要很長的一段時間，這樣就經常導致機組運行處于變動工況，對汽溫的調節(jié)品質很差，當改變燃料量時，使鍋爐的特性很不穩(wěn)定，尤其在使用磨煤機等設備時，使機組在啟動階段和帶最低負荷運行階段，這一問題顯得尤為突出，所有這一系列問題對機組的運行成本有著較大的影響。
在汽機跟隨方式下，由于主汽壓力主要靠汽機來維持，鍋爐側僅需要控制好自身出力，故在此方式下，控制系統(tǒng)對鍋爐的要求并不苛刻。但是從整個機組的運行來看，機組對指令或擾動的響應性能還是常常受鍋爐的響應滯后所限制，這樣就造成了機組運行的不經濟甚至不能投入一次和二次調頻的功能。然而目前的電力市場對機組發(fā)電方式的靈活性提出了越來越高的要求，這樣就造成了采用汽機跟隨方式運行與提高電廠機組的市場競爭力兩者之間的矛盾。
采用PROFI協(xié)調控制策略就可以很好地解決上述兩方面的問題：
新型的協(xié)調控制策略將鍋爐、汽機作為一個整體控制對象來考慮，這樣使整個機組控制回路的內在穩(wěn)定性得到加強。當機組負荷指令發(fā)生變化或出現(xiàn)擾動時，機組控制能在很短的時間內使機組的運行恢復到穩(wěn)定工況。
鍋爐控制回路的負荷設定值基于模塊化的前饋環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)中考慮了鍋爐自身的響應特性（S型曲線），這樣在調節(jié)中使機組的熱應力變化最小。
在汽機控制回路中的壓力控制使主汽壓力的調節(jié)變得非常迅速和穩(wěn)健，該控制回路的壓力設定值也是基于控制通道的前饋計算（該設定值是負荷目標指令的函數(shù)）。
在首先計算出機組的內存能量儲存特別是蒸汽壓力儲存后，控制模塊才開始計算前饋設定值。只有當估算的機組蓄熱不足于工況的變化要求時，才需要對燃料設定值進行改變，這種控制的結果可使鍋爐能夠很平穩(wěn)地運行，并能提高爐膛內燃料的燃盡率。
由于整個控制系統(tǒng)穩(wěn)健性的提高，使得機組的各個控制回路都能長時間地處于穩(wěn)定控制狀態(tài)，這樣使機組儀控維護成本和工作量大大降低。（因為機組運行過程中執(zhí)行器和閥門磨損較?。?/span>
由于控制對象存在遲滯，死區(qū)或遲延現(xiàn)象，造成了控制子回路的控制對象通常顯示非線性特性，這種非線性特性造成控制回路進行振蕩性地來回調節(jié)。這對機組運行產生連續(xù)性地擾動，并使得執(zhí)行器和閥門經常性地磨損。在常規(guī)調節(jié)方式下，這種振蕩很難克服，而在PROFI控制策略中應用了非線性補償技術能夠較好克服這種反復性的調節(jié)振蕩現(xiàn)象，并且在控制回路中采用了一種帶有非線性傳遞函數(shù)的自學習回路來滿足回路奈魁斯特（Nyquist）穩(wěn)定性判據(jù)。而且如上所述的穩(wěn)健的機組控制能夠成功地在線支持這些非線性穩(wěn)定性技術。這些手段首先保持鍋爐平滑運行，尤其是使蒸汽溫度參數(shù)靠近其限值區(qū)域內。
PROFI機組控制模塊可以工作在機組壓力－負荷運行方式的所有工況中：
定壓方式
滑壓方式
當機組負荷接近MCR時帶固定壓力的滑壓方式,這樣PROFI控制模塊可以安裝在任何類型的鍋爐或汽機的電廠中。
在PROFI機組控制中還包括如下一些控制功能并且同樣在CP581模件中得以實現(xiàn)。
（3）汽包爐的滑壓控制
汽包爐的運行特征體現(xiàn)在汽包內的壓力和溫度在機組的所有運行負荷工況下都保持恒定，這樣使得機組的運行具有較好的可控性進而避免了損壞。大多數(shù)汽包爐都運行在定壓方式，即過熱器出口主蒸汽壓力維持恒定，結果使得汽機調門開度與機組負荷近似呈比例關系。然而這種運行方式導致了機組在低于MCR運行時，產生了太大的節(jié)流損失。
·自動熱值校正回路
在機組運行中，一定的機組負荷對應需要鍋爐燃燒的燃燒量并不是恒定不變的，影響燃料量的一個重要品質因素是燃料的熱值，尤其是對煤燃燒來說。此外還有一些因素有時會影響著燃料在鍋爐燃燒的發(fā)熱量。如燃料中的水分、燃燒性能、混燃運行等…
PROFI機組控制模塊中提供了一種對熱變值變化進行自動校正的功能，當熱值發(fā)生變化時，該模塊能夠自動地送出校正信號，用于改變給煤機的轉速。
在機組運行過程中，PROFI控制模塊時刻比較著鍋爐熱值出力和機組負荷設定值，兩者的偏差用于改變進入爐膛的風燃配比〔這同時也是對O2校正回路的支持），這種校正的主要好處是使風量控制維持在一段更好的控制區(qū)域內。使鍋爐在整個負荷工作區(qū)域內能夠高效地燃燒，并能夠延長鍋爐運行時間。
·自學蒸汽溫度控制回路
在電廠運行中，總是希望機組的主汽參數(shù)和再熱汽參數(shù)盡可能地高〔這樣可以提高汽機效率〕，并盡可能維持恒定〔可避免對機組的熱應力沖擊〕。控制品質差的汽溫控制系統(tǒng)往往導致機組運行時間縮短，維護成本高，可控性差，最終導致機組的市場競爭力降低。
噴水減溫控制的任務就是在所有的負荷點和變負荷時保持主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定，該控制系統(tǒng)的最重要功能是能夠對各種擾動具有很好的抑制能力。這是因為爐膛的燃燒工況波動〔如燃料變動〕和快速的熱傳遞變化是時刻都可能發(fā)生的，從控制人員的角度看還存在一些其它問題：如在過熱器和再熱器管路上提供的測點信號很少，控制對象是一個基于負荷參數(shù)的高階慣性環(huán)節(jié)，另外噴水閥和減溫器的非線性特性也必須加以考慮。在再熱汽溫度控制中，為了提高機組運行的經濟性，必須使進入再熱減溫器內的減溫水盡量地少。
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)器回路控制噴水量，而主調節(jié)器回路控制著汽溫。如果經過調試優(yōu)化后，噴水控制回路是線性化調節(jié)〔接近比例調節(jié)〕并且調節(jié)速度迅速的話，那么主調節(jié)器回路〔汽溫調節(jié)回路〕的調節(jié)就能夠輕松地進行，不幸的是這種情況從來就沒有出現(xiàn)過。這是因為隨著時間的推移，鍋爐逐漸老化，現(xiàn)場設備運行環(huán)境也逐漸惡化，這就使控制對象的參數(shù)值逐漸偏離了調試期間的設定值。這樣就需要不斷的監(jiān)視溫度參數(shù)，不斷地維護噴水閥和執(zhí)行機構，并且隨時間的推移，機組的可控性越來越差。
PROFI高級的汽溫控制策略正是為了解決在鍋爐動態(tài)運行中的這些典型問題。
在PROFI模塊中采用了高效的計算算法，使控制回路對控制對象的調節(jié)不產生偏移,主調節(jié)回路采用比例調節(jié)特性〔及擾動前饋〕，這樣就使汽溫控制系統(tǒng)的內在穩(wěn)健性增強,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進行補償，這樣就使汽溫快速精確地控制在設定值上，幾乎沒有過調現(xiàn)象,通過非線性濾波環(huán)節(jié)減少了噪聲信號并抑制振蕩，這樣就減少了對執(zhí)行機構和閥門的磨損
在噴水控制回路中采用了一種自學習回路，這就使控制回路一直能夠克服調節(jié)閥開度曲線的非線性帶來的影響，因此能夠給用戶帶來長期的利益
自學習的溫度控制回路尤其在機組動態(tài)運行時體現(xiàn)出它的優(yōu)點，由于采用了PROFI機組控制模塊和自學習溫度控制系統(tǒng)，使得機組在參與一次調頻控制方面和高負荷變化值的運行成為可能。
2.2 PROFI凝結水節(jié)流控制工作原理
為了適應電網負荷快速變化的要求，采用連續(xù)的凝結水節(jié)流控制方法可以調節(jié)來自汽機低缸的抽汽量，這樣就可以使機組比采用該種控制手段前的機組出力提高了幾個百分點，簡單的模塊化結構的PROFI機組控制系統(tǒng)可以將凝結水流量的設定值控制回路揉合在其中。
凝結水流量的控制實際上就是使進入低加系統(tǒng)〔和除氧器〕的熱能參與進整個機組的負荷控制回路中，其主要手段就是控制通過低加系統(tǒng)的凝結水流量。
當機組負荷指令突變時，PROFI機組控模塊控制通過凝結水節(jié)流控制提供一份熱能，可以提高機組對負荷變化的快速響應性能，也就是說可以改善由于鍋爐側的響應遲延給整個機組帶來的影響。具體方法就是通過控制凝結水流量調節(jié)閥〔或變速凝泵轉速〕以減少來自凝汽器冷端進入低加的凝結水量，從而也控制了低缸抽汽進入低加的抽汽量，這部分抽汽可以在低缸中再做功，這樣就可以獲得更多的機組出力。經驗證：一般可以提高機組最大出力〔MCR〕的4～6個百分點。
由汽機凝汽器所產生的凝結水一般是儲存在凝結器熱井中或者存在凝結水補水箱中，由于機組在它運行中隨著給水泵的運行，除氧器的水位同時在不斷地降低，因此通過凝結水節(jié)流回路所獲得的熱能必然根據(jù)當時的凝結器或者除氧器的可控制能力加以限制。受控的熱能是由凝汽器溫度和除氧器溫度之間的溫差確定的。
凝結水節(jié)流控制策略可以提高機組對電網響應的控制范圍，由于凝結水節(jié)流控制的使用，可以使汽機調門的節(jié)流減少，這樣就可以使機組滿足了一次調頻和機組快速能量存儲的要求。進而降低了機組能量損失，大大地提高了機組的運行效率。
PROFI機組控制模時刻在預估鍋爐的實際蓄熱量〔通過蒸汽溫度、壓力等參數(shù)〕以及當時工況下機組凝結水節(jié)流可利用的熱能。這樣當機組負荷指令增加時，可以不用或較少地增加鍋爐燃料設定值，而通過利用上述預估的能量，就可以滿足了機組負荷指令的要求。
通過PROFI機組控制模塊計算出的對應于凝結水節(jié)流的能量指令以一個校正信號的形式傳送至凝結水流量調節(jié)回路，這樣也相應地調節(jié)著凝液器熱水井的水位。而除氧器水位設定值是由凝結水控制回路中的協(xié)調控制數(shù)學模型確定的，這樣也可以確定整個控制回路的實際能量的裕量，當凝汽器熱井水位或者凝補水水位或除氧器的實際水位接近其限制值時，那么對應的能量校正信號將降低甚至設置為0，這樣的話作用于凝結水節(jié)流控制回路的調節(jié)偏差和調節(jié)裕量將不再存在。
當水位偏差長時間地偏離相應的設定值時，控制回路將把實際除氧器水位自動地調節(jié)到其正常設定點上，其手段是通過平穩(wěn)地改變進入其中的熱能來進行修正的，這樣對機組的出力沒有任何影響。通過這種方法使得進入除氧器的凝結水總是處于預熱狀態(tài)而沒有效益損失。
此外，可以通過將除氧器加熱控制回路集成進凝結水節(jié)流控制回路中，還可以為機組獲得額外的能量儲備。
機組運行最佳方式是在汽機效率特性的允許下，使得汽機調門盡量足夠地打開，以減少節(jié)流損失。換句話說：在PROFI機組控制中，負荷的變化是通過改變凝結水流量控制閥來替代改變汽機調門的開度，以便汽機調門不會工作在其高效率的工作點之外，這樣就使機組運行獲得更高的效率并減少了機組發(fā)電損失。
此外，還可以通過增加過熱器的減溫水量來獲得額外的能量，雖然這種方法對于厚壁設備本身的熱應力控制不利，但可使機組從電力市場變動的電力條件中獲得更高效益。
3. PROFI高級控制策略的優(yōu)點
PROFI機組控制模塊為電廠機組控制提供了更加經濟和完善的高等控制方案。該模塊將安裝在電廠并被集成進過程控制系統(tǒng)（DCS)中。在機組變負荷過程中，PROFI機組控制模塊對機爐協(xié)調運行和平穩(wěn)控制提供了協(xié)調控制的方案。在負荷定值改變后，能夠使機組在最短的時間內根據(jù)設定的變負荷斜率迅速運行在新的負荷點上，通過使機組平滑穩(wěn)定的運行（尤其是提供平滑的燃料指令）減輕了機組運行中的波動，提高了機組壓力和溫度的參數(shù)品質，進而降低了機組的運行成本。此外由于機組運行控制能力的提高，擴大了機組的運行控制范圍并提高了機組的動態(tài)響應能力。通過提高機組運行穩(wěn)定性和動態(tài)響應能力，使電廠機組具有支持電網調頻功能成為可能（一次調頻和二次調頻）。此模塊已在許多電廠成功應用了好多年。
3.2 經濟運行模塊“PROFI凝結水節(jié)流控制”
該模塊提供整個的和更多的效益超過PROFI機組控制，這點可以通過估算得出：
·由于參與頻率控制和調峰提高了利潤
機組負荷變化時，電廠設備控制簡便，尤其減少了汽機調節(jié)閥的動作并實現(xiàn)磨煤機的平穩(wěn)控制
3.3電廠將獲得如下效益
·延長鍋爐運行時間
·保護機組壽命
·改進鍋爐性能
·改善鍋爐燃燒和煙氣排放工況
·提升響應速度
·更多的發(fā)出具備市場價格優(yōu)勢的電力
·使得機組可以接收來自負荷調度中心的AGC指令運行
·降低操作員對機組運行的干預
·減少機組啟動和設備變化次數(shù)
·自學習的SH/RH溫度控制
·增加系統(tǒng)的可靠性，提高經濟效益
4 總結
PROFI系統(tǒng)包括了硬件和軟件，硬件能與各種控制系統(tǒng)相互連接，軟件內置了各種優(yōu)化算法，能對控制系統(tǒng)的參數(shù)和運行進行控制，同時具有自學習的能力，能夠延長設備的使用壽命，提升響應速度，提高企業(yè)利潤，隨著電力系統(tǒng)對于可靠性要求的提高，競價上網改革的深入，PROFI將發(fā)揮更大的優(yōu)勢。
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