新型均衡燃燒控制系統的設計及應用研究

沈炯，顧峻，呂震中，談英姿，李益國
東南大學動力系，江蘇省南京市210096 1　引言
傳統的燃燒控制系統（TCCS）的主要任務是保證進入鍋爐爐膛的燃料總量與機組所需的燃料量相符。但這並不能確保燃料能平均分配至鍋爐的每個燃燒器。正因燃料分配的非均衡性造成了燃燒的不穩定、爐膛火焰中心的偏移以及水冷壁的結焦^［¹^］。傳統的燃燒控制系統的設計思想是將鍋爐作為一個整體予以控制，因此對每個燃燒器的調節能力較薄弱。目前，主要存在著2個亟待解決的問題限制了燃燒控制系統提高其對單個燃燒器控制的能力：①如何測量分配至每個燃燒器的燃料量；②如何控制送至每個燃燒器的燃料量。燃煤發電機組均衡燃燒的定義為^［²^］：
（1）若鍋爐以四角切圓方式進行燃燒，流經同層的每個燃燒器的煤粉量相等。
（2）根據運行工況，總的煤粉量以最優的比例分配給各層燃燒器。
能夠滿足上述要求的燃燒控制系統稱為均衡燃燒控制系統（BCCS）。本文詳細討論了熱風送粉鍋爐BCCS的設計及實現過程中必須解決的理論及關鍵技術問題。
2　均衡燃燒控制系統的整體設計
2．1　煤粉量的測量
煤粉流量（PCF）通常是用給粉機的轉速間接表示的，然而，由於PCF和給粉機的轉速之間是非線性關係，而且受煤粉的細度等因素的影響，相同的轉速並不一定代表相同的PCF，因此轉速並不能真實地反映實際的PCF。BCCS採用熱平衡法來測量PCF^［²^］。
2．2　BCCS的執行機構
在TCCS中，廣泛採用滑差離合器來調節給粉機的轉速。這種控制方法效率低，機械特性太軟，運行過程中滑差離合器經常被煤粉堵塞。BCCS採用給粉變頻調速技術，很好地解決了以上的問題。從控制系統的冗餘角度出發，BCCS並不直接通過計算機來控制變頻器，而是用操作器將每台變頻器和計算機連接起來。這樣，在計算機異常的情況下，運行人員仍然能夠用操作器控制每台變頻器。操作器的核心是一個數字信號處理器（DSP）。它同時與計算機和變頻器進行通訊。PCF信號的計算以及隨後所述的PCF信號的去雜訊演算法、故障檢測演算法也是在DSP中執行的。
2．3　主汽壓力控制迴路中PCF信號的導入
如前所述，準確的PCF信號是單個燃燒器煤粉流量調節的關鍵，並且它還將改變主汽壓力控制迴路的結構。將所獲得各單個燃燒器中的煤粉流量相加，即可得到進入爐膛的總煤粉流量。TCCS是一個串級系統，熱量信號間接地代表了燃料量的變化，它處於內迴路中，這樣的結構使得大部分燃料量的擾動能夠在影響主汽壓力之前，在內迴路中予以消除^［³^］。應當指出，採用熱量信號實際上是在無法得到準確燃料量的前提下的一種折衷方案。由於在BCCS中已經能夠得到準確的煤粉流量，它可以更為提前地反映煤粉流量的擾動，所以PCF信號不僅完全可以代替熱量信號，而且由於系統中採用了多個PCF信號（視機組容量而定），其信息量遠比一個熱量信號豐富得多。圖1為某200 MW機組BCCS的結構簡圖。

3　基於小波分析的信號處理
3．1　離散小波變換
小波分析是一種新型的信號分析方法，它的基本出發點與傳統的傅里葉分析類似，即用特定函數的組合來逼近任意函數。傅里葉分析是將信號分解為不同頻率的正弦、餘弦波，而小波分析是先對母小波進行平移和尺度變化，再用其組合來逼近任意函數。小波分析的精髓是可以按照不同的尺度或解析度對信號進行處理，因而小波分析具有變時域－頻域窗。如果以較大的窗口觀察信號，得到是其整體特性，若以較小的窗口觀察信號，可以獲得其細節特性。為了有效地對信號進行處理，任一種信號的分析方法應具有信號綜合能力。在離散域內，採用小波進行信號的綜合方法就是反離散小波變換（IDWT）_［₄_，₅_］。它定義為：

3．2　基於小波分析的去雜訊演算法
如前所述，利用小波分析可將信號分解為近似部分和細節部分。對於細節，即使將其省略也不會明顯影響信號的主要特性。故可設置閾值，即對小於特定閾值的小波係數，將其值設為0。再用經過上述處理的係數來還原信號。圖2是實際採集到的原始PCF信號，圖3是採用上述方法去雜訊后的PCF信號。可以看出，在去雜訊的同時並沒有使原始信號急劇變化的部分光滑化，而是仍保存了重要的細節部分，因此這種方法非常適於處理經過雜訊污染的信號。
3．3　基於小波分析的故障監測演算法
在BCCS中，PCF信號正確與否對相應的燃燒器運行有顯著影響。因感測器故障，給粉機堵粉或其他不明故障，計算所得的PCF信號會突然高於或低於實際的PCF，而使給粉機相應地減小或增大轉速，以保持PCF的設定值與反饋量之間新的平衡。
值得注意的是，PCF信號的故障一般都是暫時性的。當故障發生后，如果給粉機的轉速能夠保持不變，PCF信號一般都能在短時間內自動恢復正常。通過對運行數據的分析，發現PCF信號的故障均發生在其曲線的不連續點處，而大多數不連續點較為微小，用常規的方法無法發現。小波分析的優點是能夠任意選擇較長時間區域內的一段信號進行局部分析。因此，可用小波分析對PCF信號的故障進行檢測。圖4是一段原始的PCF信號及其小波分析結果，可以明顯地看出在2800s處有一個不連續點。控制系統一旦發現PCF信號的故障，相應操作站將發出報警並保持變頻器的輸出恆定。若故障的持續時間超過規定值或運行人員確認為永久性故障，操作站將切至手動控制狀態。

4　利用定量反饋理論設計給粉機控制器
4．1　基本原理
由於對象的不確定性或擾動的存在，會對控制相同的響應特性造成消極的影響，因此，反饋迴路在大多數控制系統中都是必須的。若能夠對被控對象的不確定性進行定量描述並給出相應的響應特性的指定範圍，就可以用QFT^［⁶^，⁷^］定量地計算出要滿足以上的性能指標，需要多大的負反饋量。對此QFT與其他魯棒設計理論有顯著差別，後者是無法定量地給出補償對象的不確定性或擾動所需的反饋量。QFT控制系統（如圖5所示）的設計過程如下：
（1）構造頻率響應模板。對於給定的具有不確定性的被控對象P（s）∈p，根據其特性及性能要求，選擇一系列的頻率點ω_i，i＝1，…，l，計算出在這些頻率下的各個選樣對象的P（jω_i），稱為對象模板；
（2）構造各個頻率之下邊界曲線。任取對象集合中的1個成員作為標稱。在所選定的每個頻率點，將穩定性指標和性能指標與對象模板結合，生成在上述標稱下的穩定性裕度和性能邊界。將上述邊界作交集，得到一個QFT邊界；
（3）設計QFT控制器。在尼科爾斯圖設計控制器K（s），滿足QFT邊界；
（4）設計前置濾波器。如果系統有跟蹤方面的要求，則需要設計一個前置濾波器，使系統滿足這方面的指標。

4．2　設計實例及應用
在採集大量運行數據的基礎上，通過系統辨識，得到某200 MW機組PCF和轉速信號之間的傳遞函數。考慮到給粉機特性的差異以及可能產生的特性漂移，可用對象集合P代表所有給粉機的傳遞函數。

系統要達到的性能指標為：對於所有的P（s），所設計的K（s）要使系統滿足以下要求：

（1）系統為一個穩定系統；

（2）相位域量為40度；
（3）外擾性能指標為：圖6為K（s）的尼科爾斯圖及QFT邊界。

所設計出的K（s）為

為戚墅堰電廠的一台200 MW機組負荷變化時的主蒸汽壓力的實際控制曲線。分別為機組負荷從188 MW增至200 MW和負荷從197MW減至183 MW時，主汽壓力的響應曲線。

5　結束語
BCCS首次將PCF信號作為反饋量引入主汽壓力的閉環控制系統，此系統已經在戚墅堰電廠的一台200 MW機組上投入運行，並取得了良好的控制效果。與採用TCCS的200 MW機組相比，在負荷變化率為10 MW／min時，BCCS主汽壓力的動態偏差小於0．2 MPa，而TCCS動態偏差為0．3 MPa至0．5 MPa，證明，BCCS優於TCCS。