软件PROFI功能与效益分析

西门子软件PROFI功能与效益分析
PROFI功能与效益分析
摘要：PROFI作为西门子公司的电厂设备优化软件，能与各种控制系统实现无缝连接，通过内部设置的算法，达到优化机组运行，节省成本，延长设备运行年龄的作用，本文主要从PROFI主要功能，结构原理和电厂效益方面分析PROFI软件能为火力发电企业生产运行带来何种益处，对于利用PROFI进行控制优化的发电企业有着非常强的借鉴意义。
主题词：PROFI，PROFI机组控制，经济运行模块
1PROFI功能描述
可以用于市场上的任何控制系统：
2 PROFI工作原理
2．1PROFI机组控制的工作原理
（1）控制通道
PROFI模块“机组控制”是一种机炉协调控制的策略。该机组协调控制的“支柱”为“控制通道”。控制通道处于操作员进行目标值设定和机组几种主要运行方式切换干预（如启动方式、滑压方式等）的界面最顶层区域。控制通道包含着一个相对简单的叠加逻辑回路，使PROFI机组控制模块产生的校正信号叠加到原来过程控制系统的设定值指令中。如果需要的话，控制通道的运行状态可以很容易地在控制室终端上通过一幅或多幅画面进行显示，当然也可以设置控制通道运行在原先过程控制的背后，这样就不用改变原来操作员已经习惯的机组控制监控方式。
CP581模件通过控制系统接口接收机组运行的一些重要测量信号（如温度、流量、压力及执行器阀位等）和主控制回路的实际整定参数，这种处于CP581模件和过程控制系统之间的接口是通过硬接线方式或总线通讯方式来实现的。位于CP581中的PROFI的控制软件采集到上述信息，用于观测机组的动态特性，然后计算出设定值的动态校正值。该校正值又被送回到过程控制系统，在那里与原先的设定值进行叠加。
这种以线性化方式直接将PROFI高级控制软件包所发出的校正信号直接叠加在原过程控制系统负荷设定值回路最顶端的结构，防止了对下一级控制回路设定值的相互影响，这样对机组稳定、便捷地控制起到了强有力的支持。
采用这种控制通道的更大优点是当CP581模件停运时，仅是将“叠加”在设定值回路中的PROFI控制的校正信号切除掉，而原先过程控制系统的负荷设定值回路没有变化。
采用这种PROFI控制结构的设计，可以达到如下两个目标：
·稳定整个机组特别是锅炉的运行；
·稳健地优化和改善机组的瞬态响应性能。
采用前馈控制结构可以达到上述目的，例如PROFI机组控制的主要特征之一是基于机组机炉协调控制主回路，该基础设定值信号是通过数学运算回路产生的，并且作为主控制回路设定值控制的前馈。
在PROFI控制模块中包含着一整套各种各样的控制手段，经验证对电厂机组的实际运行带来了很大的效益。这些手段包括基于数学模型的控制方式、解耦控制理论、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等。
通过上述手段，PROFI高级控制模块形成的动态设定值校正信号使机组能够迅速地按预定的变负荷曲线斜率达到新的负荷目标值（即使在机组参与电网频率控制的情况下）。
经过控制通道形成了机组负荷设定值指令，通过该指令又形成了各主要控制子系统（如给水控制、燃料控制及风量控制等）的控制设定值，不同子控制系统的设定值之间的时间迟延环节及动态响应特性环节也予以了考虑。
通过对控制通道的合适的调试过程，即使CP581模件没有安装，机组负荷设定值控制回路也可以进行正常地操作和运行。
（2）机组协调控制
机组协调控制回路是通过控制机组的蒸汽压力和发电机出力来协调机炉的运行。根据负荷指令的要求，使机组的出力迅速准确地达到新的负荷设定点上。
如上图所示的机组负荷设定值形成回路（该形成回路的大部分已包含在控制通道中）是整个机组控制回路的关键部分，该负荷设定值回路根据自身形成的负荷设定值进行自我调节。机组控制回路形成的负荷指令是大部分机组控制重要子系统，如燃料回路、风量回路和给水控制回路设定值的主体，机组的负荷设定值可以是静态的或动态的，机组的静态设定值是由操作员手动设置或由控制回路中的一个预先设置的负荷函数所形成。而机组的动态设定值来自负荷调度中心或者来自电网一次调频回路，通过控制通道进行负荷设定值控制（手动或自动方式）已在前面进行了描述。
在PROFI机组控制模块中的计算和控制功能中，还充分考虑了锅炉和汽水循环中的实际/预测能量和热力状况，理论上PROFI机组控制模块已集成了机组不同功能区的主要控制功能。
各个主要控制子系统的边缘值（即实际控制区域的最大/最小允许限制）被回送到机组控制回路，对其所形成的负荷指令加以限制，这样就避免了机组负荷指令与机组运行的实际允许工况有太大的偏差，并保证了控制子回路的调节器能够正常调节（如不会导致调节器积分饱和，不会引起联锁条件动作等）。由于机组控制回路一直使机组运行在机组动态特性曲线的较好一段工作区内，这样就能使每个控制子回路长时间工作在各自的较佳控制区域，进而减少了机组运行过程中的很多问题，也减少了操作员对机组运行的干预次数。
PROFI机组控制模块的一个重要特点是对机炉运行进行稳健地协调控制，根据PROFI机组控制策略，机组出力由锅炉控制，而主汽压力由汽机控制。在下图中可以看出，汽机控制回路和锅炉主控回路调节器的入口偏差设定值均来自于由控制通道形成的前馈控制模块。
传统的机炉协调控制策略通常是让汽机控制负荷而锅炉控制主汽压力（即锅炉跟随方式），或者是锅炉维持锅炉出力而汽机通过控制进入高缸的蒸汽压力来维持机组出力（即汽机跟随方式）。
锅炉跟随方式通常是首选运行方式，因为这样可以利用机组的汽机－发电机部分对工况变化的快速和稳健的响应性能，但是在锅炉侧通常会产生很多控制难题，这是因为锅炉的动态响应速度很慢并且在响应负荷变化而改变燃料量时，造成主汽压力控制很不稳定。锅炉侧对各种扰动反应迟钝，要想使系统扰动后达到新的稳定工况需要很长的一段时间，这样就经常导致机组运行处于变动工况，对汽温的调节品质很差，当改变燃料量时，使锅炉的特性很不稳定，尤其在使用磨煤机等设备时，使机组在启动阶段和带最低负荷运行阶段，这一问题显得尤为突出，所有这一系列问题对机组的运行成本有着较大的影响。
在汽机跟随方式下，由于主汽压力主要靠汽机来维持，锅炉侧仅需要控制好自身出力，故在此方式下，控制系统对锅炉的要求并不苛刻。但是从整个机组的运行来看，机组对指令或扰动的响应性能还是常常受锅炉的响应滞后所限制，这样就造成了机组运行的不经济甚至不能投入一次和二次调频的功能。然而目前的电力市场对机组发电方式的灵活性提出了越来越高的要求，这样就造成了采用汽机跟随方式运行与提高电厂机组的市场竞争力两者之间的矛盾。
采用PROFI协调控制策略就可以很好地解决上述两方面的问题：
新型的协调控制策略将锅炉、汽机作为一个整体控制对象来考虑，这样使整个机组控制回路的内在稳定性得到加强。当机组负荷指令发生变化或出现扰动时，机组控制能在很短的时间内使机组的运行恢复到稳定工况。
锅炉控制回路的负荷设定值基于模块化的前馈环节，在此环节中考虑了锅炉自身的响应特性（S型曲线），这样在调节中使机组的热应力变化最小。
在汽机控制回路中的压力控制使主汽压力的调节变得非常迅速和稳健，该控制回路的压力设定值也是基于控制通道的前馈计算（该设定值是负荷目标指令的函数）。
在首先计算出机组的内存能量储存特别是蒸汽压力储存后，控制模块才开始计算前馈设定值。只有当估算的机组蓄热不足于工况的变化要求时，才需要对燃料设定值进行改变，这种控制的结果可使锅炉能够很平稳地运行，并能提高炉膛内燃料的燃尽率。
由于整个控制系统稳健性的提高，使得机组的各个控制回路都能长时间地处于稳定控制状态，这样使机组仪控维护成本和工作量大大降低。（因为机组运行过程中执行器和阀门磨损较小）
由于控制对象存在迟滞，死区或迟延现象，造成了控制子回路的控制对象通常显示非线性特性，这种非线性特性造成控制回路进行振荡性地来回调节。这对机组运行产生连续性地扰动，并使得执行器和阀门经常性地磨损。在常规调节方式下，这种振荡很难克服，而在PROFI控制策略中应用了非线性补偿技术能够较好克服这种反复性的调节振荡现象，并且在控制回路中采用了一种带有非线性传递函数的自学习回路来满足回路奈魁斯特（Nyquist）稳定性判据。而且如上所述的稳健的机组控制能够成功地在线支持这些非线性稳定性技术。这些手段首先保持锅炉平滑运行，尤其是使蒸汽温度参数靠近其限值区域内。
PROFI机组控制模块可以工作在机组压力－负荷运行方式的所有工况中：
定压方式
滑压方式
当机组负荷接近MCR时带固定压力的滑压方式,这样PROFI控制模块可以安装在任何类型的锅炉或汽机的电厂中。
在PROFI机组控制中还包括如下一些控制功能并且同样在CP581模件中得以实现。
（3）汽包炉的滑压控制
汽包炉的运行特征体现在汽包内的压力和温度在机组的所有运行负荷工况下都保持恒定，这样使得机组的运行具有较好的可控性进而避免了损坏。大多数汽包炉都运行在定压方式，即过热器出口主蒸汽压力维持恒定，结果使得汽机调门开度与机组负荷近似呈比例关系。然而这种运行方式导致了机组在低于MCR运行时，产生了太大的节流损失。
·自动热值校正回路
在机组运行中，一定的机组负荷对应需要锅炉燃烧的燃烧量并不是恒定不变的，影响燃料量的一个重要品质因素是燃料的热值，尤其是对煤燃烧来说。此外还有一些因素有时会影响着燃料在锅炉燃烧的发热量。如燃料中的水分、燃烧性能、混燃运行等…
PROFI机组控制模块中提供了一种对热变值变化进行自动校正的功能，当热值发生变化时，该模块能够自动地送出校正信号，用于改变给煤机的转速。
在机组运行过程中，PROFI控制模块时刻比较着锅炉热值出力和机组负荷设定值，两者的偏差用于改变进入炉膛的风燃配比〔这同时也是对O2校正回路的支持），这种校正的主要好处是使风量控制维持在一段更好的控制区域内。使锅炉在整个负荷工作区域内能够高效地燃烧，并能够延长锅炉运行时间。
·自学蒸汽温度控制回路
在电厂运行中，总是希望机组的主汽参数和再热汽参数尽可能地高〔这样可以提高汽机效率〕，并尽可能维持恒定〔可避免对机组的热应力冲击〕。控制品质差的汽温控制系统往往导致机组运行时间缩短，维护成本高，可控性差，最终导致机组的市场竞争力降低。
喷水减温控制的任务就是在所有的负荷点和变负荷时保持主蒸汽和再热蒸汽参数的稳定，该控制系统的最重要功能是能够对各种扰动具有很好的抑制能力。这是因为炉膛的燃烧工况波动〔如燃料变动〕和快速的热传递变化是时刻都可能发生的，从控制人员的角度看还存在一些其它问题：如在过热器和再热器管路上提供的测点信号很少，控制对象是一个基于负荷参数的高阶惯性环节，另外喷水阀和减温器的非线性特性也必须加以考虑。在再热汽温度控制中，为了提高机组运行的经济性，必须使进入再热减温器内的减温水尽量地少。
传统的温度调节方式是采用串级调节，其中辅调节器回路控制喷水量，而主调节器回路控制着汽温。如果经过调试优化后，喷水控制回路是线性化调节〔接近比例调节〕并且调节速度迅速的话，那么主调节器回路〔汽温调节回路〕的调节就能够轻松地进行，不幸的是这种情况从来就没有出现过。这是因为随着时间的推移，锅炉逐渐老化，现场设备运行环境也逐渐恶化，这就使控制对象的参数值逐渐偏离了调试期间的设定值。这样就需要不断的监视温度参数，不断地维护喷水阀和执行机构，并且随时间的推移，机组的可控性越来越差。
PROFI高级的汽温控制策略正是为了解决在锅炉动态运行中的这些典型问题。
在PROFI模块中采用了高效的计算算法，使控制回路对控制对象的调节不产生偏移,主调节回路采用比例调节特性〔及扰动前馈〕，这样就使汽温控制系统的内在稳健性增强,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进行补偿，这样就使汽温快速精确地控制在设定值上，几乎没有过调现象,通过非线性滤波环节减少了噪声信号并抑制振荡，这样就减少了对执行机构和阀门的磨损
在喷水控制回路中采用了一种自学习回路，这就使控制回路一直能够克服调节阀开度曲线的非线性带来的影响，因此能够给用户带来长期的利益
自学习的温度控制回路尤其在机组动态运行时体现出它的优点，由于采用了PROFI机组控制模块和自学习温度控制系统，使得机组在参与一次调频控制方面和高负荷变化值的运行成为可能。
2.2   PROFI凝结水节流控制工作原理
为了适应电网负荷快速变化的要求，采用连续的凝结水节流控制方法可以调节来自汽机低缸的抽汽量，这样就可以使机组比采用该种控制手段前的机组出力提高了几个百分点，简单的模块化结构的PROFI机组控制系统可以将凝结水流量的设定值控制回路揉合在其中。
凝结水流量的控制实际上就是使进入低加系统〔和除氧器〕的热能参与进整个机组的负荷控制回路中，其主要手段就是控制通过低加系统的凝结水流量。
当机组负荷指令突变时，PROFI机组控模块控制通过凝结水节流控制提供一份热能，可以提高机组对负荷变化的快速响应性能，也就是说可以改善由于锅炉侧的响应迟延给整个机组带来的影响。具体方法就是通过控制凝结水流量调节阀〔或变速凝泵转速〕以减少来自凝汽器冷端进入低加的凝结水量，从而也控制了低缸抽汽进入低加的抽汽量，这部分抽汽可以在低缸中再做功，这样就可以获得更多的机组出力。经验证：一般可以提高机组最大出力〔MCR〕的4～6个百分点。
由汽机凝汽器所产生的凝结水一般是储存在凝结器热井中或者存在凝结水补水箱中，由于机组在它运行中随着给水泵的运行，除氧器的水位同时在不断地降低，因此通过凝结水节流回路所获得的热能必然根据当时的凝结器或者除氧器的可控制能力加以限制。受控的热能是由凝汽器温度和除氧器温度之间的温差确定的。
凝结水节流控制策略可以提高机组对电网响应的控制范围，由于凝结水节流控制的使用，可以使汽机调门的节流减少，这样就可以使机组满足了一次调频和机组快速能量存储的要求。进而降低了机组能量损失，大大地提高了机组的运行效率。
PROFI机组控制模时刻在预估锅炉的实际蓄热量〔通过蒸汽温度、压力等参数〕以及当时工况下机组凝结水节流可利用的热能。这样当机组负荷指令增加时，可以不用或较少地增加锅炉燃料设定值，而通过利用上述预估的能量，就可以满足了机组负荷指令的要求。
通过PROFI机组控制模块计算出的对应于凝结水节流的能量指令以一个校正信号的形式传送至凝结水流量调节回路，这样也相应地调节着凝液器热水井的水位。而除氧器水位设定值是由凝结水控制回路中的协调控制数学模型确定的，这样也可以确定整个控制回路的实际能量的裕量，当凝汽器热井水位或者凝补水水位或除氧器的实际水位接近其限制值时，那么对应的能量校正信号将降低甚至设置为0，这样的话作用于凝结水节流控制回路的调节偏差和调节裕量将不再存在。
当水位偏差长时间地偏离相应的设定值时，控制回路将把实际除氧器水位自动地调节到其正常设定点上，其手段是通过平稳地改变进入其中的热能来进行修正的，这样对机组的出力没有任何影响。通过这种方法使得进入除氧器的凝结水总是处于预热状态而没有效益损失。
此外，可以通过将除氧器加热控制回路集成进凝结水节流控制回路中，还可以为机组获得额外的能量储备。
机组运行最佳方式是在汽机效率特性的允许下，使得汽机调门尽量足够地打开，以减少节流损失。换句话说：在PROFI机组控制中，负荷的变化是通过改变凝结水流量控制阀来替代改变汽机调门的开度，以便汽机调门不会工作在其高效率的工作点之外，这样就使机组运行获得更高的效率并减少了机组发电损失。
此外，还可以通过增加过热器的减温水量来获得额外的能量，虽然这种方法对于厚壁设备本身的热应力控制不利，但可使机组从电力市场变动的电力条件中获得更高效益。
3. PROFI高级控制策略的优点
经济运行模块“PROFI机组控制”
机组控制模块为电厂机组控制提供了更加经济和完善的高等控制方案。该模块将安装在电厂并被集成进过程控制系统（DCS)中。在机组变负荷过程中，PROFI机组控制模块对机炉协调运行和平稳控制提供了协调控制的方案。在负荷定值改变后，能够使机组在最短的时间内根据设定的变负荷斜率迅速运行在新的负荷点上，通过使机组平滑稳定的运行（尤其是提供平滑的燃料指令）减轻了机组运行中的波动，提高了机组压力和温度的参数品质，进而降低了机组的运行成本。此外由于机组运行控制能力的提高，扩大了机组的运行控制范围并提高了机组的动态响应能力。通过提高机组运行稳定性和动态响应能力，使电厂机组具有支持电网调频功能成为可能（一次调频和二次调频）。此模块已在许多电厂成功应用了好多年。
经济运行模块“PROFI凝结水节流控制”
凝结水节流控制功能与PROFI机组控制的负荷预报功能相结合，在机组带负荷运行中，通过动态调节汽机的抽汽量实现对汽机运行的平稳控制。采用该专用的凝结水节流控制功能是为了额外的热能并使该热能用于汽机的二次做功，这样就能够使机组具有对负荷变化的快速响应性，并进一步保证锅炉平滑稳定地运行。
该模块提供整个的和更多的效益超过PROFI机组控制，这点可以通过估算得出：
·由于参与频率控制和调峰提高了利润
机组负荷变化时，电厂设备控制简便，尤其减少了汽机调节阀的动作并实现磨煤机的平稳控制
·由于减轻了汽机热应力的变化，从而延长了机组的使用寿命
当汽机阀节流被用来一次调频控制能量储备时，降低了机组效率损失
3.3电厂将获得如下效益
·延长锅炉运行时间
·保护机组寿命
·改进锅炉性能
·改善锅炉燃烧和烟气排放工况
·提升响应速度
·更多的发出具备市场价格优势的电力
·使得机组可以接收来自负荷调度中心的AGC指令运行
·降低操作员对机组运行的干预
·减少机组启动和设备变化次数
·自学习的SH/RH温度控制
·增加系统的可靠性，提高经济效益
4 总结
PROFI系统包括了硬件和软件，硬件能与各种控制系统相互连接，软件内置了各种优化算法，能对控制系统的参数和运行进行控制，同时具有自学习的能力，能够延长设备的使用寿命，提升响应速度，提高企业利润，随着电力系统对于可靠性要求的提高，竞价上网改革的深入，PROFI将发挥更大的优势。
关键字：能源   能源电力   行业研究   电力负荷数据集成   MIS