国华定洲电厂一期2*600MW机组锅炉为上海锅炉厂生产的亚临界参数汽包炉，其采用控制循环、一次中间再热、单炉膛、四角切圆燃烧方式，燃烧器摆动调温。锅炉蒸发量为2008t/h，主蒸汽温度为540℃，主蒸汽压力为17.47MPa。机组控制系统采用德国西门子公司的TELEPERM XP DCS

    一、PROFI

    PROFI为德国西门子公司在上世纪90年代后期研发的电站专用优化控制软件模块，与传统的PID调节不同，其为采用数学模型控制方式、解藕控制理论、抑制非线性振荡的综合方法以及带有自学习控制的软件模块。PROFI通过准确建立机组动／静态参数的数学模型，充分考虑影响被调量的扰动因素以及被控对象的动态特性，利用精确的前馈控制，将被调参数准确而快速地控制在设定值上。

    为了提高机组效率以及负荷响应速度，PROFI设计有新机组协调控制模块、凝结水节流控制模块、自学习温度控制模块、尖峰负荷运行模块、带预测的负荷裕度计算模块和机组起动旁路控制模块。在国华定洲电厂，仅使用了PROFI的新机组协调控制模块和自学习温度控制模块（图1)，以加强机组运行的稳定性，提高热效率，而其余4个模块主要是提高机组对负荷变化的响应速度。

                

    PROFI以建立被控对象的数学模型为基础，通过状态观测、模糊控制等控制算法和策略得出对常规控制回路的修正值，并将修正值直接作用于DCS模拟量调节输出中，起到优化调节效果的作用。当PROFI切除时，控制回路就复归到原模拟量调节回路。PROFI在专用的计算机内运行，其所需的过程实时参数由DCS提供，计算结果通过硬接线或通讯总线送入DCS，并叠加于调节回路的输出中。由于软件计算建立在过程对象的数学模型基础上，所以运算量很大。采用这种相对独立的结构方式可以使优化控制系统中软件部分的计算不占用DCS的资源，保证了DCS的实时性。
   
    新机组协调控制模块是通过利用机组的蓄能达到机组快速响应负荷变化的目的，其在常规控制基础上利用在550MW负荷下负荷变动20一60MW，经过燃料量5％一10％阶跃扰动试验和汽轮机调节阀开度3％一5％阶跃扰动试验建立锅炉和汽轮机模型，在PROFI内部进行预估和解藕计算，从而极大地提高控制品质，并且避免执行机构的频繁动作。
   
    自学习温度控制模块利用状态观测器等控制算法，解决了普通的串级汽温控制回路对于大惯性滞后对象参数控制的延迟问题，有效地提高了各种工况下过（再）热蒸汽温度的控制品质。软件的自学习回路可对已建立的被控对象数学模型进行动态修正，从而提高了软件的可用性。

    二、PROFI的控制策略

    2.1 PROFI新机组协调控制
    
    PROFI新机组协调控制与传统协调控制系统（UCC）功能基本相同，但PROFI新机组协调控制充分考虑了机组的蓄能，根据试验得出锅炉、汽轮机数学模型，使用预估法对蒸汽压力设定值进行修正。在充分利用机组蓄能的基础上，使机组负荷变化速率显著提高，从而解决了机组对电网负荷变化要求响应过慢的问题。新机组协调控制策略将锅炉、汽轮机作为一个整体控制对象，增强了整个机组控制回路的稳定性。当机组负荷指令发生变化或出现扰动时，机组控制系统能在很短的时间内使机组运行恢复到稳定工况。
   
    国华定洲电厂机组DCS协调控制以锅炉跟踪方式为基础，即锅炉通过调节给煤机转速控制主蒸汽压力，汽轮机通过调节阀控制负荷。由于锅炉具有较大的惯性，为了保证主蒸汽压力的控制品质，该控制系统采用了较强的前馈环节，燃料量波动较为频繁，系统稳定性较差。燃料量的频繁波动，对主（再热）蒸汽温度、炉膛负压等控制系统也造成了较大的干扰。 
    
    DCS协调控制如图2所示，原设计的机炉协调控制由简单的前馈控制器实现，蒸汽压力和负荷控制器均采用常规PID控制器，难于满足既要保持良好控制品质，又要防止执行机构频繁动作的要求。新机组协调控制是在常规控制基础上经过试验建立锅炉和汽轮机数学模型，对主蒸汽压力和机组负荷进行解藕，增强了控制系统的鲁棒性。在此基础上，对主蒸汽压力行预估控制，可充分利用锅炉蓄能，提高机组对负荷变化的响应速度，保证了主蒸汽压力的稳定性（图3）
             



               
   
    2.2 带状态观测器的PROFI自学习温度控制

    传统的温度调节方式是采用串级调节，其中辅调节器控制喷水量，主调节器控制蒸汽温度（图4）。由于随着设备逐渐老化，会使得控制对象的参数值逐渐偏离设定值。对此，PROFI设计了自学习温度控制（图5）
             
                                  
               
                                      
   
    PROFI中，主调节器采用比例调节特性及扰动前馈，以增强蒸汽温度控制的稳定性；通过使用状态观测器实现对过热器和再热器的高阶惯性特性的补偿，以使蒸汽温度快速、精确地控制在设定值上；通过非线性滤波减少噪声信号并抑制振荡；在喷水控制回路中采用自学习回路，使控制回路克服了由汽轮机调节阀开度曲线的非线性带来的影响。

    三、PROFI运行效果

    3.l 一次调频试验
   
    负荷变化率6%，主蒸汽温度、压力及汽包水位的响应曲线见图6、图7、图8。
 

                             
   
    由图6、图7、图8可见，在一次调频试验过程中，功率响应迅速；主蒸汽压力变化最大为0.24MPa，波动范围非常小；主蒸汽温度变化范围超过设定值（540℃），最高至543.3℃，最低至536.9℃；汽包水位波动范围在38～-31 mm 。

    3.2 负荷变化试验
    
    负荷变化50MW和90MW（变化率为4%)，主蒸汽温度、压力的响应曲线见图9、图10。
                
                     
 
                 
    
    由图9、图10可见，主蒸汽压力偏差最大为0.2MPa，主蒸汽温度超过设定值（540℃），最高至542.6℃，最低至537.5℃。

    3.3 过热和再热蒸汽温度扰动试验
    
    过热和再热蒸汽温度变化为士5℃，主蒸汽温度、再热蒸汽温度定值扰动试验曲线见图11、图12。

                    

                  

     由图11、图12可见，主（再热）蒸汽温度能够较快地达到目标设定值，动态偏差非常小，最大偏离目标值为0.92℃。

    3.4稳定性试验
    
    为了在机组自动发电控制（AGC）功能投人后能够适应电网负荷频繁变化，并保证电网的稳定性，在PROFI投入后，对机组进行了稳定性试验。负荷变化50MW（变化率为4%)，锯齿波扰动机组负荷，主蒸汽温度、压力及汽包水位的响应曲线见图13、图14、图15。
                          

                       
               
    四、PROFI评估
    
    国华定洲电厂2号机组PROFI评估试验数据见表1。

               
   
    由表1可见，在各种试验工况下，机组功率实际变化速率满足参与电网AGC方式运行的要求，除降负荷时再热蒸汽温度偏低以及偏差稍大外（喷水阀已经全关），机组其它主要参数控制过程平稳，动态偏差数值均远小于其允许偏差。机组负荷指令变化时，机组功率响应的初始惯性较小（40s)，机组的实际负荷变化率非常高，蒸汽压力和温度控制偏差非常小。