50MW热电站仿真机研制及运行.doc

《50MW热电站仿真机研制及运行.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《50MW热电站仿真机研制及运行.doc（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、50MW热电站仿真机研制及运行侯 小 刚（南京动力高等专科学校 南京 ）内容摘要 文章论述了热电站仿真机在仿真范围数学模型计算机系统控制盘台设计等方面的主要特点，介绍了热电站仿真机运行的情况。随着电力事业的发展，发电设备向着高参数、大容量、高度自动化方向发展，对运行人员的要求越来越高，原有的学徒式跟班培训方法已相对落后。由于计算机的迅速发展，仿真培训装置在工业化国家已普遍采用。仿真技术逐渐从航空航天领域、核电领域扩展到火力发电领域。近十多年我国各类仿真机应用方兴未艾，已建立了数十套电站仿真系统，配置在有关电厂、电力局培训中心、有关专业院校。电站仿真机在培训电厂运行人员提高运行水平方面效果极为明

2、显，对电厂的安全、经济运行起到很好的作用；对有关院校提高学生工程实践能力也起到了很好的作用。一 仿真范围及深度的确定本仿真机以一石化企业自备热电站为仿真对象。锅炉为HG220/100YM10 型自然循环汽包炉，汽机为CC5090/42/15调整抽汽式供热机组，发电机为QFS602双水内冷机组。热力系统为母管制。汽机的两级调整抽汽分别供应大型石化企业中工业透平用汽、工艺用汽、低压蒸汽用户等。50MW供热机组属于高压机组，在我国石化、冶金、化工等企业自备电站及区域热电站中较为典型，装机量较多。该仿真机主要用于运行人员培训。初学者经过培训应能掌握机、炉等热动设备及其辅机在各种启停方式下的运行操作、故

3、障处理等技能。熟练操作人员经过仿真机反事故演习培训，在事故处理能力方面有显著提高。基于上述仿真对象的特性及仿真机的使用要求，首先应确定仿真范围。汽机部分：包括主蒸汽系统、汽机本体、凝结水及给水回热系统、射水抽气系统、除氧给水系统、调节系统及油系统、发电机冷却水系统、热网系统等。锅炉部分：锅炉本体、制粉系统、燃烧及风烟系统、蒸汽及汽水系统、吹灰及排污系统、安全保护及联锁报警等。发电机部分：发电机本体、发电机保护系统、励磁系统、主变及保护系统、线网、厂用电系统、开关刀闸系统、自动装置联锁等。考虑到培训的需要，为了便于学员熟悉热动设备的真实操作环境和真实热力系统，增强举一返三、触类旁通的能力，对于仿

4、真范围内的热力系统和设备基本不作简化。如回热加热器疏水，不仅考虑了正常疏水，而且考虑了加热器故障从系统中切除后疏水的切换操作，故障时水位过高紧急疏水的需要等。对各种非正常运行工况，都有相应的管路和阀门供切换操作。二 数学模型特点电站仿真技术是随着计算机技术在工业中的普遍应用而发展起来的，是计算机技术与电站设备、热工过程数学模型研究的有机结合。 目前国内已有的仿真机组，均是模拟电力系统中功率在200MW以上的单元制机组，考虑母管制系统特性的仿真机组还未见报道。本仿真机仿真对象是母管制系统。各设备工况相互牵连、相互影响。为了能够反映母管制电厂的运行特点，不能将其化简为炉机的单元制来处理，故将仿真范

5、围确定为炉机、台除氧器、台给水泵互为备用。这样势必在数学模型上作更多的处理以体现母管制的特点，使之能够反映邻机邻炉等并列运行设备工况变化的影响。该机组调节系统为旋转阻尼全液压调节系统。由于有两级调整抽汽，为了实现热电负荷的独立调节(即静态、动态自整)。加上保安系统、整个调节保安部分就较为复杂。在建立调节系统数学模型时，考虑到符合培训的需要， 仿真模型内部应是“能观”的， 即不能作为“黑箱”处理。因此，仿真机盘台上不但要显示热电负荷、调节阀开度、高中低压油动机行程等，而且对调节系统内部的一些重要参数也要监视。如放大器和各调压器的脉冲油压、一次油压等。所以必须按照真实的调节系统，将各环节之间的逻辑

6、联系、数量关系、相互作用在数学模型中完整地反映出来。这样处理有助于学员深入地认识系统各环节参量之间的关系。如放大器、调压器碟阀的相对位移与转速、一次油压、热网蒸汽压力变化之间的关系。油动机行程与放大器、调压器碟阀的相对位移的关系。油动机行程与调节阀开度之间的关系等。图调节系统各参数关联图在电站控制系统中，除了水位、温度、压力等一些模拟量的控制外，还大量存在开关量的控制：如联锁保护、热工信号报警、顺序控制等。这些量之间的逻辑关系反映正确与否往往对仿真质量有重大影响，可以说比模拟量控制中某个参数偏差一些影响更大，所以要给予充分地注意。在软件中编制相应的逻辑模块，才能全面地描述和表达机组从暖管、冲转

7、、暖机、升速、并网、带负荷、热电负荷的综合调整，故障设置与处理的全部过程，实现全工况仿真。该机组为了提高启停速度和减少启停时主设备的热应力，设置了法兰螺栓加热装置。故在仿真模型中对汽缸转子温度场计算，热传导，热应力，热膨胀计算等方面作了许多工作。既要考虑启停时的动态传热，又要考虑法兰加热投入与否等各种情况。这部分模型有很好的表现并可用于大机组热应力计算。（集控大机组自动启停时热应力控制就是根据蒸汽温度及温升速度利用上述模型计算的）由于是双抽机组抽汽口与热网管道容积大，抽汽容积时间常数在很大范围变化。因为与其它环节时间常数相差过大，形成所谓的病态系统，容易造成仿真结果的发散。在解决这个问题时，主

8、要用内部变时间步长的方法来解决。在保证模型稳定的情况下，还可少占用计算时间。可以由指导员方便地设置故障，由学员根据声光信号、仪表指示分析、判断并处理，防止事故扩大，这些故障可以是单项的，也可是组合的，并可在短时间内反复强化训练。有存盘冻结功能，可以使培训在任何时候中断，间隔一段时间后，再从中断处继续进行训练。仿真软件在总体设计上还可满足某些特殊需要。如单独培训汽机岗位人员或锅炉岗位人员，这时锅炉、汽机可分别单独启动直至满负荷。这样在培训或实习安排上具有更大的灵活性。三计算机系统与接口系统硬件环境的配置必须在总体设计时加以仔细考虑。因为配置的结果，对仿真机的性能、软件结构都有很大的影响。本仿真机

9、的计算机系统及硬件环境如图2所示。图2仿真机硬件环境主机采用普通的PC机，在PC机的扩展槽上加插FORCED板。FORCED板中包含的TRANSPUTER处理器为INMOS公司开发的一种并行处理机。 主处理机(如T8)与接口处理机(如T2)可构成一并行处理机网络, 系统实现同构，发挥并行处理的强大功能。图3TRANSPUTER的连接0为PC主机接口。1、2、3为LINK高速数据通讯链接口。可以20Mbit/S的速度实现双向串行方式通讯，并可加远程驱动，满足电站仿真机系统规模大、实时性的要求。UP、DOWN、SUB为形成TRANSPUTER加速网络所需的子系统接口。 采用这样的系统配置有很高的性

10、能价格比，并为联机调试、软件设计带来了很大的灵活性。盘台操作开关、按钮、手柄等动作后，相应触点闭合，作为数字量输入“DI”信号经IO接口转换后送入主机处理。由数学模型给出的有关热工信号、指示灯状态、各显示仪表参数值，分别作为数字量输出“DO”或模拟量输出“AD” 信号经IO接口送到控制盘台相应光字牌、指示灯、显示仪表处。由于电站系统庞大复杂，IO接口通道均在2000路以上。本接口系统按模块化设计。每个接口箱有1632路IO通道，便于接口板互为插接替换。各接口箱经高速数据链远程驱动互连。各接口箱采用16位并行处理机(T2)作为控制芯片与主机构成并行处理机网络。若主机不使用并行处理机，直接由高性能

11、PC机担任主机工作，仍可使用该接口系统，发挥其高速通讯和处理的性能优势。在这种情况下，只需要在接口系统与主机之间加装一适配板，解决主机总线与并行处理机数据LINK之间串并转换，提高通讯速度，实现远程驱动。采用上述接口系统，接口管理软件可与主机上的应用系统软件一同加载后运行，为软件设计与调试带来了方便。采用上述计算机系统，在仿真软件的编制上有许多特点。如仿真数学模型在FORCED板上运行，其宿主机(PC机)仅对仿真过程进行管理。如启动数据从磁盘机上读取或存入、仿真速度的切换、工况的变换、是否冻结、是否需打印报表等。PC机的处理能力便游刃有余。这样的特点对于大型的软件工作是有利的。对仿真过程的管理

12、软件部分，使用C+编制。由对计算机系统比较熟悉的人员承担。 他们无需顾及对专业知识要求较高的数学模型部分。仿真数学模型部分，用并行FORTRAN编制。专业知识丰富的数模软件开发人员，往往对FORTRAN等用于科学计算的程序设计语言熟悉。电站设备及过程仿真方面、前期积累的成果用FORTRAN语言编制的较多， 可以在数模软件设计中方便地引用。数模软件开发人员可更多地专注于自己专业领域的问题，使数模软件开发的效率和质量都大大提高。四控制盘台设计仿真机盘台基本上与真实控制室设备相一致，有各类显示仪表、记录仪表、各类手操器、联锁开关、电动门按钮、热工报警光字牌、巡检仪等。作为培训用仿真机组并非要与真实控

13、制室丝毫不差，全盘“映射”过来，而是根据实际需要有所取舍。如现场控制室有好几个记录仪，累积流量计等，这些表计较贵且占盘台面积较大，可省去这些仪表。而这些热工参数的记录、累积可由软件很方便地实现。需要对这些重要参数的“历史”回溯时(如事故分析)可能随时在计算机显示屏上调阅记录曲线。对一些不在主控制室内完成的操作，如除氧给水部分、热网控制部分以及一些手动阀门的操作，则在就地操作站上进行。所谓就地操作站，就是一台或数台与主机相连的计算机，可在其屏幕上显示仿真对象各系统图，通过人机交互用鼠标移动光标至相应阀门处完成启闭操作。应用多媒体技术，使用触摸屏，在屏幕相应位置直接用手完成阀门启闭操作则更为便捷。

14、辅助显示为一台或数台计算机支持的大显示屏，可在上面动态显示机组运行曲线，帮助学员把握运行趋势；可与预先给定的参考运行曲线比较；可分页显示各系统图并在相应位置动态显示各参数值。这些功能既直观、又醒目，为培训学员带来了极大方便。图4冷态滑参数启动曲线五 运行情况众所周知电厂是个自动化程度较高、设备投资巨大、安全连续生产要求高的企业，学员实习时心存疑虑，害怕误动，误碰而出现安全责任事故。因而电厂运行人员的培训、提高比在其它专业困难。有人戏谑地称为“君子动口不动手”。可以看，可以问，但不能动手。实习成了大型参观，下马看花而已。更由于电厂的启停是由电网调度决定的，因而即使能动手进行一些操作，在短短几周内

15、也不可能进行电厂的全部启停、并网、事故处理等操作。可以说连“看花”也难以看到全貌。为了让学员深入掌握热动设备启停的一般规律，增强分析问题和解决问题的能力，为此我们将仿真机运行培训分为三大块，一部分是熟悉了解控制操作台设备作用、功能、使用方法，熟悉热力系统及各管路、阀门、设备的功能。第二部分则在实习指导老师的指导下完成锅炉、汽轮机、发电机主机及其辅机的全部启动、停机、负荷调整、故障处理等操作训练。第三部分根据仿真机运行训练过程，列出数百道思考题，学员一边运行实习，一边深入分析这些题目，还可以边分析题目边在仿真机上验证。在实习指导老师的指导下，学员可轮流在锅炉、汽机、电气各岗位上完成了电站全部的启

16、停、正常运行调整，各种试验、事故处理等操作训练。结合现场认识实习对电站热力系统，各控制盘台操作设备，机组启停的初步认识。再经过仿真机运行实习，进一步深化这些认识，掌握机组各种启停方式的全过程，进行事故设置和处理。在实习过程中经指导老师的现场讲解，在分析问题和处理问题的能力上也有较大提高。在仿真机运行培训中，还可进行热网管道、阀门的切换，热负荷调整，调压器的投入与切除等操作。这些功能特别适于化工、石化行业的自备热电厂运行人员的训练。学员反映：通过仿真机培训能灵活运用基础知识了。例如，对调速系统，理论课学习时尽管老师讲得很多，也能看懂图，但总觉得不够具体,通过这次实习,自己边动手操作，边注意观察现

17、象，和理论联系对照，终于有了更深刻的印象，也弄懂了许多问题。再有就是培养了自己的发现问题、分析问题、解决问题的能力。例如，在升速暖机时，发现后汽缸超温，此时应将后汽缸喷水联锁投入，使后汽缸温度降下来。对于运行人员最重要的就是要能在实践中发现问题、分析问题，并及时处理问题。 仿真机培训的最大优点，是指导老师能在学员操作完毕后，马上进行讲解，作进一步分析。从而让学员知其然，且知其所以然，从操作到理论都心悦诚服，也在记忆里留下了深刻印象。搞热工运行的人要胆子如天，心细如发。而这样的经验和能力不是短期内就可以形成的，仿真机的实习给了学员这样的机会。不同的热力系统，无非都是这种原理，大同小异。以后再见到

18、别的机组，万变不离其宗，就能够举一返三。该仿真机还可供电站运行人员进行反事故训练。南京金陵石化公司热电厂，山东济宁里彦电厂、山东滕州热电厂、常州横山桥热电厂、扬子石化热电厂、广州石化总厂热电厂等单位运行人员分别在该仿真机上进行了反事故演习和操作运行培训，对提高运行人员运行水平和处理事故的能力起到了很好作用。经被培训人员使用后认为：该仿真机性能良好、稳定，可以实现电站各种运行工况的操作训练。盘台操作设备、显示仪表、热工信号等与现场一致，操作灵敏，反映正确。就地站和辅显系统图对初学人员熟悉系统很有帮助。就地站各操作点，能满足各种运行工况就地操作的需要。辅显表格和曲线的设置为启停等操作时运行人员控制

19、启停速度提供了极大方便。故障设置和处理训练，为熟练运行人员提高反事故能力提供了强化训练的方法。参考文献1 李天铎实时仿真培训系统 北京：清华大学，19892 王扬，光卫现代火力发电机组仿真技术 北京：科学出版社，19933 张家琛火电厂仿真 北京：水利电力出版社，19944 侯小刚，陈敏，陈鸣山50MW热电站仿真机 南京动力高等专科学校，19955 侯小刚CC50-90/42/15汽轮机调节系统仿真模型的研制 南京：能源研究与利用，1995.66 侯小刚电站模拟培训汽轮机调节系统仿真南京动力高等专科学校学报，1996.27 侯小刚50MW电站仿真机汽机部分的总体设计 北京：计算机仿真1998.

20、4作者简介 侯小刚 男 西安交通大学毕业 南京动力高等专科学校动力工程系 副教授系主任The development and application Of 50MW cogeneration power station simulator Hou xiaogang (Nanjing power college) （上接第196页）六、社会经济效益目前国内计算机辅助设计软件蓬勃发展，但大多集中于少数几个专业，并且大多是利用AutoCAD作平台的计算机辅助绘图软件，而系统的工程计算软件却少有人涉猎。国内有关化学水处理专业的计算机软件更是一项空白，在国内电力、石化等行业从事化学水处理专业的人士，都盼

21、望在此方面有所突破。化学水处理系统的工艺计算烦琐复杂，经验系数多，计算量大，这一直是困扰热工专业（化学水处理专业）设计工作者的一个难题。国外化学水处理专业计算机辅助计算软件，开发时间早，使用普遍，已取得了较好的社会经济效益。但国外计算机软件价格高（一套大约10000美圆），并且大多是对于某一种水处理方法的专用计算软件，国内鲜有引进。本套软件包的开发成功填补这项空白，开了国产化学水处理专业计算机辅助计算软件的先河。它可以应用于设计、运行、教学科研和设备制造各行业。利用本软件包可以对不同的化学水处理系统，不同的运行和再生参数进行经济技术比较，以选择最优化的系统和最合理的运行及再生参数，做到以最小的投资进行设计，最小的酸碱消耗运行设备。必将节省大量的建设投资和运行费用，由于酸碱消耗的减少也必将带来巨大的环保效益。由此可见，随着WATER Ver1.0软件包的普及使用，将为化学水处理专业带来巨大的经济效益和社会效益。