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燃煤鍋爐、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的熱工自動(dòng)控制對(duì)象具有非常強(qiáng)的非線性和擾動(dòng)性，鍋爐燃料、風(fēng)量和給水等參數(shù)作為系統(tǒng)輸入，機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力和主汽溫度等作為系統(tǒng)輸出，構(gòu)成了多輸入和多輸出的復(fù)雜控制系統(tǒng)。600MW等級(jí)及以上容量的機(jī)組，大約有110個(gè)模擬量調(diào)節(jié)回路，用以平衡控制系統(tǒng)輸入和輸出之間的偏差，維持熱力系統(tǒng)壓力、溫度、流量等各種參數(shù)運(yùn)行在設(shè)計(jì)規(guī)定的正常范圍內(nèi)。在電網(wǎng)和機(jī)組負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)過程中，鍋爐和汽輪機(jī)各自對(duì)負(fù)荷變化的反應(yīng)存在著差別，鍋爐滯后于汽輪機(jī)，滯后時(shí)間以分鐘計(jì)，鍋爐制粉、燃燒和主汽溫度更為明顯，被歸類為“大滯后”被控對(duì)象。所以，應(yīng)用了機(jī)爐協(xié)調(diào)控制（Coordinated Control System-CCS）力圖縮短鍋爐的滯后時(shí)間，在控制方面也采取了“反饋+前饋”的策略?？擅鎸?duì)無法建模的非線性、隨機(jī)發(fā)生的強(qiáng)擾動(dòng)，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的確應(yīng)對(duì)乏術(shù)，CCS也缺少全過程控制機(jī)爐運(yùn)行工況的能力，并且隨著機(jī)組容量增大參數(shù)變高矛盾也越來越突出。多年來，國(guó)內(nèi)、外在燃煤電廠機(jī)爐燃燒和主汽溫度調(diào)節(jié)方面也見到過采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、模糊控制（Fuzzy Control）等方法嘗試改進(jìn)調(diào)節(jié)品質(zhì)，但真正用于電廠商業(yè)運(yùn)行這些方案還有很長(zhǎng)的路要走。而“鍋爐超前加速控制”（Boiler Input Rating- BIR）仍以傳統(tǒng)PID（Proportional Integral Differential，比例積分微分）和函數(shù)（Function）算法為主，采用了全新的控制理念和實(shí)用技術(shù)，比較好的解決了鍋爐反應(yīng)滯后的難題，保障了APS的成功應(yīng)用。

一、 BIR趨勢(shì)曲線分析

圖1是運(yùn)行機(jī)組BIR趨勢(shì)記錄曲線，從中可以讀出許多技術(shù)內(nèi)涵。

1.仔細(xì)比較“目標(biāo)功率”和“實(shí)發(fā)負(fù)荷”兩條曲線的變化斜率拐點(diǎn)時(shí)刻，實(shí)發(fā)負(fù)荷的變化曲線幾乎和目標(biāo)功率信號(hào)同步，看不出有明顯滯后現(xiàn)象。這表明，鍋爐的反應(yīng)已經(jīng)足夠快速。

2.功率給定信號(hào)或者由人工手動(dòng)給定或者AGC給定，圖1的功率目標(biāo)給定（MW SET）曲線來自電網(wǎng)AGC信號(hào)，無論升、降，幅度大小基本上都是階躍變化的波形。

3.機(jī)爐主控器中設(shè)定的目標(biāo)功率（MW DEM）則是按照一定斜率升、降。

4.機(jī)組升、降負(fù)荷都有BIR信號(hào)產(chǎn)生，變化方向相反，升負(fù)荷時(shí)BIR信號(hào)為正值，降負(fù)荷時(shí)BIR信號(hào)為負(fù)值。BIR幅度跟隨功率給定的階躍高度變化，功率給定的階躍幅度高，BIR的幅度隨之變高，反之變低。BIR信號(hào)作用的起始時(shí)刻和幅度是實(shí)現(xiàn)鍋爐加速的關(guān)鍵，圖1上BIR參數(shù)整定得恰到好處。

5.功率給定的階躍幅度越高，BIR的作用時(shí)間（寬度）也越長(zhǎng)，反之變短，BIR持續(xù)寬度幾乎與目標(biāo)功率升降爬坡時(shí)間相同。不過，動(dòng)態(tài)負(fù)荷下，BIR波形接近于矩形波，而目標(biāo)功率波形為斜波，實(shí)際作用在各個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)回路中的BIR信號(hào)應(yīng)該是前強(qiáng)后弱，強(qiáng)化負(fù)荷變化初期的加速能力，體現(xiàn)在曲線上就是機(jī)組實(shí)發(fā)負(fù)荷與目標(biāo)功率變化曲線幾乎相同。

6.目標(biāo)功率與功率給定相等時(shí)，進(jìn)入新的穩(wěn)定負(fù)荷狀態(tài)，BIR信號(hào)歸零。BIR只在動(dòng)態(tài)工況時(shí)起作用，運(yùn)行工況穩(wěn)定時(shí)BIR保持靜默。

7.BIR負(fù)荷斜率曲線是發(fā)往鍋爐制粉系統(tǒng)的信號(hào)，給出的是BIR的絕對(duì)值，所以不管機(jī)組負(fù)荷升降，BIR變化曲線都是正向的，只起調(diào)節(jié)速率的作用。

這段曲線雖然記錄的是機(jī)組負(fù)荷中段以上的變化趨勢(shì)，但在機(jī)組低負(fù)荷區(qū)間同樣適用，這為APS的應(yīng)用提供了有力支持，唯一的差別是機(jī)組低負(fù)荷時(shí)為確保鍋爐燃燒穩(wěn)定、符合鍋爐升溫升壓的技術(shù)規(guī)范，機(jī)組目標(biāo)功率變化率降至最低值。

二、 鍋爐超前加速

BIR控制策略，簡(jiǎn)單來說就是在機(jī)組負(fù)荷開始變化，上升或下降的初始時(shí)刻給出適當(dāng)?shù)奶崆傲?，?fù)荷變化過程中全面加速鍋爐燃燒、減溫和給水調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在新的負(fù)荷之前，適時(shí)降低調(diào)節(jié)強(qiáng)度，防止過調(diào)。BIR只能在CCS控制的CC（協(xié)調(diào)）方式下應(yīng)用，因此，我們也可以定義BIR為“機(jī)爐協(xié)調(diào)鍋爐超前加速”。

圖2是BIR最基本的控制思路。假定處在負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)組，功率目標(biāo)給定（MWD SET）突然階躍上升到新的目標(biāo)值，機(jī)組做出響應(yīng)開始變負(fù)荷，機(jī)組目標(biāo)功率（MWD）在變負(fù)荷區(qū)間，將按一定速率（MWD CHANGE RATE）從起點(diǎn)（CHANGE START）上升到終點(diǎn)（CHANGE FINISH）。機(jī)組目標(biāo)功率的斜率（MWD CHANGE RATE）與負(fù)荷的幅度（LOAD LEVEL）經(jīng)過特定的邏輯運(yùn)算，得出動(dòng)態(tài)過程調(diào)節(jié)的超前加速值（V≯ output）。

BIR的作用雖然是加速鍋爐出力變化，但最終調(diào)節(jié)的還是機(jī)組功率的反應(yīng)速率，所以鍋爐超前加速輸出（V≯ output）是以機(jī)組目標(biāo)功率（MWD）為信號(hào)源，通過邏輯運(yùn)算得出BIR輸出，作為前饋信號(hào)分別加到燃料、給水、風(fēng)量、主汽溫度等回路的調(diào)節(jié)指令上。各回路的 BIR 信號(hào)可根據(jù)機(jī)組負(fù)荷上升和下降單獨(dú)調(diào)節(jié)強(qiáng)度。由于要維持鍋爐富氧燃燒， BIR風(fēng)量控制信號(hào)總是增加的方向。這些 BIR參數(shù)以鍋爐運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)既按各自特性又能整體協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)加速鍋爐燃料、風(fēng)量、給水、減溫水等參數(shù)的變化，提高鍋爐對(duì)負(fù)荷變化速率的反應(yīng)效能。

圖4就是實(shí)現(xiàn)這種控制思路的邏輯原理，虛線框內(nèi)是BIR主控邏輯（Common logic for all BIR），微分器（D）的動(dòng)態(tài)參數(shù)按機(jī)組目標(biāo)功率（MWD）增、減變化方向前饋輸出，機(jī)組負(fù)荷變化率（Load change rate）經(jīng)負(fù)荷變化增益（Gain for load change width）函數(shù)修正運(yùn)算得出超前加速BIR主控值。圖4虛線框外是調(diào)節(jié)回路BIR信號(hào)生成邏輯，由升負(fù)荷（BIR for load increasing）和降負(fù)荷（BIR for load decreasing）兩部分組成。BIR主控值經(jīng)雙向限幅（≯≮）后再與BIR校正系數(shù)（BIR quantity）相乘輸入斜波發(fā)生器（V≯）。斜波發(fā)生器（V≯）設(shè)有兩種變化速率，BIR投入（Rate for BIR in）和BIR退出（Rate for BIR out），都是機(jī)組目標(biāo)功率（MWD）的函數(shù)。升負(fù)荷BIR與降負(fù)荷BIR代數(shù)相加輸出調(diào)節(jié)回路BIR，作為前饋信號(hào)分發(fā)至燃料（BIR Fuel Flow）、送風(fēng)（BIR Air Flow/AA）、給水（BIR Feed Water）、給煤/減溫（GD/BT）等控制回路，實(shí)現(xiàn)鍋爐調(diào)節(jié)的全面超前加速。

三、 BIR主控邏輯

BIR應(yīng)用的首要條件是機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須工作在CC方式，參照BIR主控邏輯的原理圖5。BIR信號(hào)由兩部分組成，一路是機(jī)組目標(biāo)功率（MW DEM）經(jīng)過微分器（D）形成 “負(fù)荷動(dòng)態(tài)超前”信號(hào)經(jīng)切換器（TR）到乘法器的輸入端X1。微分器的特性是輸出值反映輸入值的變化量，持續(xù)寬度取決于微分器設(shè)定的微分時(shí)間，給定微分時(shí)間越長(zhǎng)微分作用越強(qiáng)，微分幅度由設(shè)定的微分增益確定。另一路由機(jī)爐協(xié)調(diào)主控器功率目標(biāo)給定（MW SET）值減去經(jīng)外給定斜波發(fā)生器（V≯）處理后的機(jī)組目標(biāo)功率（MW DEM），其偏差值通過BIR校正函數(shù)（FX）轉(zhuǎn)換成MW DEM的“動(dòng)態(tài)校正系數(shù)”，再經(jīng)±50的雙向限幅（≯≮）后輸入到乘法器（×）的X2端，是決定BIR最終作用寬度與幅度的重要因素。X1與X2的乘積即為BIR的主控指令。

圖5 BIR主控邏輯原理圖

外給定斜波發(fā)生器帶有外給定值投、切控制邏輯，外給定斜波發(fā)生器的通行字TP=“0”時(shí)，輸出等于輸入X（MW DEM）乘以外部給定斜率RI（上升斜率）或RD（下降斜率）。MW DEM與MW SET的偏差小于±1時(shí)，表示機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定無變化，TP=“1”，斜波發(fā)生器轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)，輸出等于輸入。機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)態(tài)下，MW SET若發(fā)生變化且穩(wěn)定到一個(gè)新的給定值，與MW DEM的偏差就會(huì)突然增大，因?yàn)镸W SET新的設(shè)定值可以階躍變化，而MW DEM（已經(jīng)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制目標(biāo)功率給定邏輯斜波運(yùn)算）是按照規(guī)定斜率變化的，在MW SET變化到新設(shè)定值的瞬間，MW DEM仍基本保持在原值，斜波發(fā)生器的TP= “0”，外部給定斜率開始起作用，這里的斜率無論上升還是下降都在0%，等于說斜波發(fā)生器輸出始終跟隨著MW DEM變化。隨著MW DEM按照斜率升降，MW SET與MW DEM的偏差Δ也由最大趨近到零，函數(shù)按照?qǐng)D5的趨勢(shì)變化。當(dāng)MW SET與MW DEM的偏差Δ＜±1時(shí)，為防止BIR參數(shù)的臨界波動(dòng)，斜波發(fā)生器的通行字TP延遲1秒鐘后才從“0”變?yōu)椤?”，BIR功能也同時(shí)被終止。

BIR針對(duì)不同控制對(duì)象特性采取不同的輸出控制方式。

1.具有輸出限幅的升（LD（H）0～100％）、降（LD（L）0～－100％）輸出指令分別向鍋爐燃燒、風(fēng)量、過熱減溫、再熱減溫、磨煤機(jī)一次風(fēng)等調(diào)節(jié)回路發(fā)出控制信號(hào)。

2.輸出不限幅的升（LD（H2））和降（LD（L2））控制指令發(fā)送給磨煤機(jī)旋風(fēng)分離器、鍋爐燃盡風(fēng)（SOFA）、火下風(fēng)等回路。

3.不做校正的變負(fù)荷前饋速率，發(fā)往鍋爐主汽壓力給定2和A～F給煤機(jī)給煤控制。

四、 BIR的應(yīng)用

1BIR超前加速控制回路

BIR主控邏輯向21個(gè)鍋爐調(diào)節(jié)回路（詳見表1、表2）發(fā)出超前加速信號(hào)后，各調(diào)節(jié)回路還需要根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和各自的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行二次運(yùn)算。從BIR信號(hào)分配可以看出，BIR具有全方位前饋控制的能力，影響鍋爐反應(yīng)滯后的燃燒、主汽/再熱汽溫度、制粉系統(tǒng)等都納入了BIR加速控制，甚至過燃風(fēng)、火下風(fēng)這些細(xì)節(jié)同樣受到關(guān)注，有效地提升了鍋爐對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的反應(yīng)速度。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用BIR的燃煤發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷中段以上大跨度連續(xù)負(fù)荷變化率（中間包括啟動(dòng)鍋爐制粉系統(tǒng)）超過國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)程規(guī)定的2%ECR/min。

2鍋爐燃料調(diào)節(jié)BIR

一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子，圖6的邏輯原理圖是鍋爐燃料調(diào)節(jié)的BIR指令信號(hào)（FIR FF），針對(duì)三種不同煤質(zhì)，一種是設(shè)計(jì)煤種，另外兩種是生產(chǎn)中經(jīng)常應(yīng)用的煤種，被設(shè)置成B和C煤種，可以通過DCS系統(tǒng)操作員站上的操作面板進(jìn)行選擇，確認(rèn)設(shè)計(jì)煤種、B煤種（COAL B SELSECT）或C煤種（COAL C SELSECT）來改變鍋爐燃燒熱值校正邏輯回路入爐煤的基準(zhǔn)熱值。根據(jù)機(jī)組技術(shù)規(guī)范，機(jī)組目標(biāo)功率（MW DEM）指令經(jīng)過相應(yīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成能體現(xiàn)鍋爐滑壓運(yùn)行（HYBRID PRESS MODE）和機(jī)組正常調(diào)節(jié)兩種特性的初始信號(hào)，利于BIR FF在鍋爐運(yùn)行中全工況應(yīng)用。其他調(diào)節(jié)回路BIR信號(hào)生成的總體框架與燃料調(diào)節(jié)回路基本一致，區(qū)別在于函數(shù)曲線不同。這是個(gè)典型的函數(shù)控制邏輯，在一個(gè)邏輯回路中有14個(gè)表述鍋爐特性和煤質(zhì)的函數(shù)模塊，圖中外置雙給定斜波發(fā)生器（V≯）的外部給定同樣采用了函數(shù)賦值，使BIR FF輸出更具針對(duì)性。

五、 結(jié)語(yǔ)

BIR具有三方面的技術(shù)特點(diǎn)，第一，控制的全面性，不同于某些設(shè)計(jì)，僅在個(gè)別調(diào)節(jié)回路中加入前饋信號(hào)，BIR一經(jīng)動(dòng)作立即全面發(fā)動(dòng)，鍋爐燃燒、減溫調(diào)節(jié)多至21個(gè)回路參與。第二，調(diào)節(jié)的針對(duì)性，每個(gè)調(diào)節(jié)回路設(shè)計(jì)有的放矢地調(diào)節(jié)控制對(duì)象，各自不同，但為實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)又都異曲同工。第三，數(shù)據(jù)的實(shí)踐性，大量應(yīng)用函數(shù)構(gòu)建控制策略框架，這些函數(shù)源于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過驗(yàn)證的試驗(yàn)結(jié)果。也正是這些實(shí)用性的特點(diǎn)，為發(fā)揮電廠多專業(yè)協(xié)作提供了有利條件。

鍋爐超前加速（Boiler Input Rating，BIR）控制在鍋爐設(shè)備硬件不做改變的前提下，利用熱工控制策略動(dòng)態(tài)加快鍋爐適應(yīng)不同運(yùn)行工況，充分應(yīng)用DCS的軟實(shí)力，縮短鍋爐出力、壓力和溫度反應(yīng)時(shí)間，與汽輪機(jī)工作更加協(xié)調(diào)，有助于火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組提高供電質(zhì)量，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)。國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家對(duì)BIR的應(yīng)用研究已經(jīng)做得非常深入和細(xì)致，既有理論指導(dǎo)，更有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，獲得廣泛應(yīng)用。

多年前，我國(guó)電廠DCS已經(jīng)是標(biāo)配的控制裝置，就硬件而論，早就躋身世界先進(jìn)行列，但在機(jī)組控制策略軟件以及釋放DCS功能方面還需花大力氣踏實(shí)研究奮起直追。