沈炯，顾峻，吕震中，谈英姿，李益国
东南大学动力系，江苏省南京市210096
1 引言
传统的燃烧控制系统（TCCS）的主要任务是保证进入锅炉炉膛的燃料总量与机组所需的燃料量相符。但这并不能确保燃料能平均分配至锅炉的每个燃烧器。正因燃料分配的非均衡性造成了燃烧的不稳定、炉膛火焰中心的偏移以及水冷壁的结焦［1］。传统的燃烧控制系统的设计思想是将锅炉作为一个整体予以控制，因此对每个燃烧器的调节能力较薄弱。目前，主要存在着2个亟待解决的问题限制了燃烧控制系统提高其对单个燃烧器控制的能力：①如何测量分配至每个燃烧器的燃料量；②如何控制送至每个燃烧器的燃料量。燃煤发电机组均衡燃烧的定义为［2］：
（1）若锅炉以四角切圆方式进行燃烧，流经同层的每个燃烧器的煤粉量相等。
（2）根据运行工况，总的煤粉量以最优的比例分配给各层燃烧器。
能够满足上述要求的燃烧控制系统称为均衡燃烧控制系统（BCCS）。本文详细讨论了热风送粉锅炉BCCS的设计及实现过程中必须解决的理论及关键技术问题。
2 均衡燃烧控制系统的整体设计
2．1 煤粉量的测量
煤粉流量（PCF）通常是用给粉机的转速间接表示的，然而，由于PCF和给粉机的转速之间是非线性关系，而且受煤粉的细度等因素的影响，相同的转速并不一定代表相同的PCF，因此转速并不能真实地反映实际的PCF。BCCS采用热平衡法来测量PCF［2］。
2．2 BCCS的执行机构
在TCCS中，广泛采用滑差离合器来调节给粉机的转速。这种控制方法效率低，机械特性太软，运行过程中滑差离合器经常被煤粉堵塞。BCCS采用给粉变频调速技术，很好地解决了以上的问题。从控制系统的冗余角度出发，BCCS并不直接通过计算机来控制变频器，而是用操作器将每台变频器和计算机连接起来。这样，在计算机异常的情况下，运行人员仍然能够用操作器控制每台变频器。操作器的核心是一个数字信号处理器（DSP）。它同时与计算机和变频器进行通讯。PCF信号的计算以及随后所述的PCF信号的去噪声算法、故障检测算法也是在DSP中执行的。
2．3 主汽压力控制回路中PCF信号的导入
如前所述，准确的PCF信号是单个燃烧器煤粉流量调节的关键，并且它还将改变主汽压力控制回路的结构。将所获得各单个燃烧器中的煤粉流量相加，即可得到进入炉膛的总煤粉流量。TCCS是一个串级系统，热量信号间接地代表了燃料量的变化，它处于内回路中，这样的结构使得大部分燃料量的扰动能够在影响主汽压力之前，在内回路中予以消除［3］。应当指出，采用热量信号实际上是在无法得到准确燃料量的前提下的一种折衷方案。由于在BCCS中已经能够得到准确的煤粉流量，它可以更为提前地反映煤粉流量的扰动，所以PCF信号不仅完全可以代替热量信号，而且由于系统中采用了多个PCF信号（视机组容量而定），其信息量远比一个热量信号丰富得多。图1为某200 MW机组BCCS的结构简图。
3 基于小波分析的信号处理
3．1 离散小波变换
小波分析是一种新型的信号分析方法，它的基本出发点与传统的傅里叶分析类似，即用特定函数的组合来逼近任意函数。傅里叶分析是将信号分解为不同频率的正弦、余弦波，而小波分析是先对母小波进行平移和尺度变化，再用其组合来逼近任意函数。小波分析的精髓是可以按照不同的尺度或分辨率对信号进行处理，因而小波分析具有变时域－频域窗。如果以较大的窗口观察信号，得到是其整体特性，若以较小的窗口观察信号，可以获得其细节特性。为了有效地对信号进行处理，任一种信号的分析方法应具有信号综合能力。在离散域内，采用小波进行信号的综合方法就是反离散小波变换（IDWT）［4，5］。它定义为：
3．2 基于小波分析的去噪声算法
如前所述，利用小波分析可将信号分解为近似部分和细节部分。对于细节，即使将其省略也不会明显影响信号的主要特性。故可设置阈值，即对小于特定阈值的小波系数，将其值设为0。再用经过上述处理的系数来还原信号。图2是实际采集到的原始PCF信号，图3是采用上述方法去噪声后的PCF信号。可以看出，在去噪声的同时并没有使原始信号急剧变化的部分光滑化，而是仍保存了重要的细节部分，因此这种方法非常适于处理经过噪声污染的信号。
3．3 基于小波分析的故障监测算法
在BCCS中，PCF信号正确与否对相应的燃烧器运行有显著影响。因传感器故障，给粉机堵粉或其他不明故障，计算所得的PCF信号会突然高于或低于实际的PCF，而使给粉机相应地减小或增大转速，以保持PCF的设定值与反馈量之间新的平衡。
值得注意的是，PCF信号的故障一般都是暂时性的。当故障发生后，如果给粉机的转速能够保持不变，PCF信号一般都能在短时间内自动恢复正常。通过对运行数据的分析，发现PCF信号的故障均发生在其曲线的不连续点处，而大多数不连续点较为微小，用常规的方法无法发现。小波分析的优点是能够任意选择较长时间区域内的一段信号进行局部分析。因此，可用小波分析对PCF信号的故障进行检测。图4是一段原始的PCF信号及其小波分析结果，可以明显地看出在2800s处有一个不连续点。控制系统一旦发现PCF信号的故障，相应操作站将发出报警并保持变频器的输出恒定。若故障的持续时间超过规定值或运行人员确认为永久性故障，操作站将切至手动控制状态。
4 利用定量反馈理论设计给粉机控制器
4．1 基本原理
由于对象的不确定性或扰动的存在，会对控制相同的响应特性造成消极的影响，因此，反馈回路在大多数控制系统中都是必须的。若能够对被控对象的不确定性进行定量描述并给出相应的响应特性的指定范围，就可以用QFT［6，7］定量地计算出要满足以上的性能指标，需要多大的负反馈量。对此QFT与其他鲁棒设计理论有显著差别，后者是无法定量地给出补偿对象的不确定性或扰动所需的反馈量。QFT控制系统（如图5所示）的设计过程如下：
（1）构造频率响应模板。对于给定的具有不确定性的被控对象P（s）∈p，根据其特性及性能要求，选择一系列的频率点ωi，i＝1，…，l，计算出在这些频率下的各个选样对象的P（jωi），称为对象模板；
（2）构造各个频率之下边界曲线。任取对象集合中的1个成员作为标称。在所选定的每个频率点，将稳定性指标和性能指标与对象模板结合，生成在上述标称下的稳定性裕度和性能边界。将上述边界作交集，得到一个QFT边界；
（3）设计QFT控制器。在尼科尔斯图设计控制器K（s），满足QFT边界；
（4）设计前置滤波器。如果系统有跟踪方面的要求，则需要设计一个前置滤波器，使系统满足这方面的指标。
4．2 设计实例及应用
在采集大量运行数据的基础上，通过系统辨识，得到某200 MW机组PCF和转速信号之间的传递函数。考虑到给粉机特性的差异以及可能产生的特性漂移，可用对象集合P代表所有给粉机的传递函数。
系统要达到的性能指标为：对于所有的P（s），所设计的K（s）要使系统满足以下要求：
（1）系统为一个稳定系统； （2）相位域量为40度；
（3）外扰性能指标为：
 图6为K（s）的尼科尔斯图及QFT边界。
所设计出的K（s）为
图7和图8为戚墅堰电厂的一台200 MW机组负荷变化时的主蒸汽压力的实际控制曲线。分别为机组负荷从188 MW增至200 MW和负荷从197MW减至183 MW时，主汽压力的响应曲线。
5 结束语
BCCS首次将PCF信号作为反馈量引入主汽压力的闭环控制系统，此系统已经在戚墅堰电厂的一台200 MW机组上投入运行，并取得了良好的控制效果。与采用TCCS的200 MW机组相比，在负荷变化率为10 MW／min时，BCCS主汽压力的动态偏差小于0．2 MPa，而TCCS动态偏差为0．3 MPa至0．5 MPa，证明，BCCS优于TCCS。
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