（动力机械及工程专业论文）基于apros的600mw汽轮机组仿真.pdf

摘簧 摘要 目前，我融所投运的仿真机都是以培训电厂运行操作人员为目的。为适庶发电技术 的发展以及提高电力缴产安全性、可靠性的需要，电力部门熨求电站仿真机能不断扩大 功髭，涂培诵凌藐乡 ，还应其有生产遴行、馥链分摄稍敌簿诊獗等稀擎磅究魏戆。 本文采用a p r o s 5 ，0 4 高级过程仿真支撑系统，以平圩电站6 0 0 m w 汽轮机组为对苏， 采用以模块化建摸思想为指导螅自动建模技术，利用支撑系统提供的基本组件摸型进行 图形缀态，扩惩开发出6 0 0 m w 电站多功能傍真梳的汽轮稚备子系统的模鍪。其中，凝 汽器仿真模型考虑了双背压并列运行问题，中压缸和低压缸仿真模型考虑了抽汽不对称 豹润趱、绘承豢模型考虑了串阗接头勰题、瘵莲翅热器窝低惩翱热懿建摸方浚与a p r o s 系统推荐的方法不同，更好的模拟了电站热力设备。 根据平圩电站提供的具体参数数搬，调试得到模溅在1 0 0 负荷工况下仿真运行数 据，势与额定数据鞋：较，这妥彳美匿黧家标凇麓定静豫态精度蘩求，获瑟歪确有效瓣模 拟了电厂在1 0 0 负荷工况下稳态运彳予过程。然后，本文针对凝汽器、高压加热器、低 压加热器以及除氧器豹凡静典型工况滚蠢动态仿真试验，得到各模型燕要输出参数的响 应曲线，与理论分析达到一致，表明本文建立的汽轮梳系统耩型能够满足对筏场对象进 行动态仿真的要求。 a p r o s 5 ，0 4 蕤撰t 爨秀豹簧捧算法，使褥零文建立瓣谤真模型毙够瀵是实孵莹真懿缮 求。本文开发的汽轮机系统仿真模型为电站嫩产运行、经济憔分析以及故障诊断提供了 一个研究平台。该仿冀模型与同样在a p r o s 仿真支撑系统中开发的锅炉系统仿真模型以 及发奄梳系统仿真模黧一筵构成电站全范匿实对仿囊诗雾模溅，实瑷辩平驽惫鏊莓l 税 组全范围的模拟仿真。 关键词：多功能仿真机、汽轮机系统、自动建模、图形组态、支撑系统、a p r o s 5 0 4 末瘫大学颈士攀莅论文 a b s t r a c t s of a r , a l ls i m u l a t i o ns y s t e m si nc h i n aa r cd e v e l o p e df o rt h ep u r p o s eo f t r a i n i n gg o o d o p e r a l o r s f o r p o w e rp l a i l t s n e v e r t h e l e s s t o m e e tt h en e e d so fs w i 建d e v e l o p m e n to f g e n e r a t i o na n de n h a n c et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rp l a n t s ，s i m u l a t i o ns y s t e m sn e e d t o b e e x p a n d e d t oc o v e rt h ef u n c t i o n sb e s i d e s t r a i n i n g ，s u c ha so p e r a t i o n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s a n df a u l td i a g n o s i se t c a p m s 5 0 4 一a na d v a n c e dp r o c e s ss i m u l a t i o ns u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t w h i c hp r o v i d e s b a s i c p r o c e s sc o m p o n e n t m o d e l sf o rg r a p h i cc o n f i g u r a t i o nb a s e do nm o d u l a r m o d e l i n g , i su s e di n t h i sa r t i c l et od e v e l o pt h em o d e l so fa l ls u b ，s y s t e m so ft h et u r b i n e i s l a n df o rp i n g w e ip o w e r p l a n t , w h e r e a s ，s p e c i a lc o n c e r n s a r e p a i d e d 圭oa s y m m e 穗e e x t r a c t i o np r o b l e m si nm e d i a na n d l o w - p r e s s u r et u r b i n em o d e l s e t c 。 a f t e r w a r d s 。t h em o d e l s c o e f f i c i e n t sa r et u n e dt om a k et h ek e yp a r a m e t e r s r e s u l t si n s i m u l a t i o nu n d e r 氇ec o n d i t i o no fl 茨燃l o a dt of i tf o rt h ed a t ag i v e na sf a ra sp o s s i 壤e 。b y c o m p a r i s o n ，t h e d i f f e r e n c e s p r e c i s i o n m e e t st h en e e d r e g u l a t e db y i s a 7 7 2 0a n d i s a - s 7 7 。2 0 - 1 9 9 3 b e s i d e s , d y n a m i cs i m u l a t i o ne x d e r i m e n t sa r ed o n eo nt h em o d e l so f c o n d e n s e r , h i g h - p r e s s u r eh e a t e r s ，l o w - p r e s s u r eh e a t e r sa n dd e a e r a t o ru n d e rc e 娃m nt y p i c a l c o n d i t i o n s ，t ot e s t t h e i rm a i np a r a m e t e r s d y n a m i cr e s p o n s ew h e t l l e rt h e y r ei d e n t i c a lt o t h e o r e t i c a la n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a ts i m u l a t i o nm o d e l s d e v e l o p e di nt h i sa r t i c l ea r eg o o de n o u g h t os i m u l a t e t h ep h y s i c a lp h e n o m e n ao ft h et u r b i n e i s l a n dj nr e a lt i m eb o t ho nt h es t a t i cs t a t ea n do nt h e d y n a m i cs t a t e + m e a n w h i l e ，t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h et u r b i n e - i s l a n dc a l lb eu s e da sa p l a t f o r mf o ro p t i m i z i n go p e r a t i o n , e n h a n c i n gp e r f o r m a n c ea n dd i a g n o s i n g f a u l t se t c t o g e t h e rw i t ht h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h eb o i l e r - i s l a n d a n dg e n e r a t o r - i s l a n da l s o d e v e l o p e d i na p r o s 5 。0 4 t h es i m u l a t i o nm o d e l so f t h et u r b i n e - i s l a n di n t r o d u c e di n 氇i sa r t i c l e c o m p o s et h ea l l - r a n g eh i g h f i d e l i t ys i m u l a t i o nm o d e l so ft h em u l t i f u n c t i o n a ls i m u l a t i o n s 筘t e mo f p i n g w e ip o w e rp l a n t 。 k e y w o r d s ：m u l t i - f u n c t i o n a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，t u r b i n e - i s l a n ds y s t e m ，m o d u l a rm o d e l i n g , g r a p h i cc o n f i g u r a t i o n ，s u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t , a p r o s 5 0 4 秘 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：益蕴 导师签名： 研究生签名：受缝 导师签名：日期：抑 参毒 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着电力市场的开放，电力工业实行“厂网分开、竞价上网”，同时，由于国民经济的发展，用 电结构的变化，电网峰谷差日益增人，致使电厂的负荷需经常地、较大幅度地进行调整，即参与“调 峰”，在这样一种用电趋势下，机组能否在保证安全的条件下适应市场的竞争一即提高机组的竞争 力，己成为电站的追求目标。但是目前国内电站都缺乏一个提高机组运行的经济性和可靠性的科 学分析j 二具。在这样一个人环境f ，现代电站呈现如f 特点：人员越来越少，机组容最越来越人， 结构越来越复杂，参数越来越多，自动化程度越来越高。这样就对运行人员和热控人员提出了越来 越高的要求，为了保证机组能够正常的安全运行，我国规定：3 0 0 m w 以上的机组人员上岗前必须先 在电站仿真器上接受培- o i i ，经考核方能上岗l j j 。因此。随着电厂总的机组容量的加大，研制更多的 仿真机的要求也就更加迫切。另一方面，由于单元机组容量的增大，参数的提高，运行中出现了许 多新的控制方式和管理模式，迫切需要提供进行运行分析指导和工程研究的有效工具和手段。这就 要求大型火电机组仿真机不仅要为电厂运行人员的操作培训提供良好的手段，也要为各种工况下运 行技术的分析和故障诊断、性能预测、控制方式的研究创造实时和在线的环境。总之，集培训运行 人员和工程分析研究于一身的多功能仿真机己成为仿真机发展的一个主要方向。 但是，传统的建模方法效率很低，对建模人员的专业知识和编程知识要求较高。模型调试起来 比较费力，使仿真模型的建立周期很长。而且，模型一旦建立就很难更改，这种落后的建模方法大 大地阻碍了仿真机技术的推广应用，不能满足仿真机发展的需要。因此，如何把所有与仿真活动有 关的软件系统及分析工具集中在一起，用一个总体的管理程序有机地协调和支配这些软件及工具的 使用，加快建模和仿真步伐( 即为仿真一体化) 是仿真建模技术发展的一个方向川。 综观目前国内仿真机的发展水平，我国的电站仿真数学模型处于世界领先地位，但是存在个 重大问题，就是缺乏一个支撑系统将建模、调试、运行以及模型维护、修改、移植、重削等过程有 机的统一起来，特别是国内开发的支撑系统还无法做到模型在线实时修改和调试，成为多功能仿真 机开发的瓶颈，因此，本文采用当今世界先进的图形仿真软件卸r o s 高级过程仿真支撑系统来 开发多功能仿真机。 1 2 国内外研究现状 1 2 1电站仿真机的国内研究现状剐 我国的电站仿真研究始于1 9 7 6 年，清华大学热能工程系以国产2 0 0 m w 燃煤发电机组为对象， 开发研制了我国第l 台正式用于培训的实用型仿真系统。该系统于1 9 8 3 年完成并正式投入使用。1 9 8 3 年，东南大学开发了第一台国产1 2 5 m w 火电仿真培训系统，于1 9 8 8 年通过能源部组织的鉴定，这 是我国第一个通过部级鉴定的仿真培训系统。此后，我国电站仿真机得到了快速的发展。 除组织国内力量开发电站仿真系统外，我国还从国外进口了若干台仿真机。如1 9 8 6 年，北京电 力专科学校从美国l i n k 公司进1 2 1 了一套3 0 0 m w 火电机组培训用仿真系统，于1 9 8 8 年投入使用； 1 9 8 6 年，国家核安全局购进一套美国7 0 年代末生产的9 0 0 m w 压水堆核电站仿真器，安装在清华大 学；1 9 8 8 年，大连华能电厂从日本二菱公式引进1 套3 5 0 m w 火电仿真机。 目前。我国所投运的仿真机都是以培训电厂运行操作人员为目的。为适应发电技术的发展以及 东南大学硕士学位论文 提高电力生产安全性、可靠性的需要，电力部门要求电站仿真机能不断扩大功能除培训功能外 还应有生产运行、性能分析和故障诊断等科学研究功能。 1 电站仿真技术的新动向 ( 1 ) 分布计算及网络通讯技术：采用先进的分布式计算机网络技术，将对象仿真模型、d c s 、 d a s 、工程师台、就地操作站及网络管理等子系统软件分布在多台微机中运行，组成了协调动作的 分布式结构并行仿真体系，提高了系统的实时性雨i 扩展能力。 ( 2 ) 研制开发模块库图形组态建模技术：研制内容丰富的模块库和图形库库中包含电站所有 典型设备与部件的基本模块，可仿真1 0 0 m w 、2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、5 0 0 m w 、6 0 0 m w 和9 0 0 m w 等 不同容量的主力机组和汽包炉、直流炉、低倍率强制循环炉及各种形式汽轮发电机组等主设备。根 据电厂系统图各设备间的连接关系，加以分析处理得到系统的拓扑结构，并规定模块间的连接原则， 进行系统拓扑结构自动识别和模型自动生成系统的研究，力图实现调出图形元素组成系统图即 图形组态，经实例化后就能自动生成仿真模型的目的。 ( 3 ) 仿真机中实现电站监视和控制系统的方式：基本模块库中还包含类型齐全的控制系统模块， 如基本输入输山模块、p i d 调：1 j 器类模块、数学运算类模块、逻辑功能类模块及特殊专用类模块。 利用这些基本模块，能根据s a m a 图，仿真t e l e p e r m - m e 、w d p f 、i n f i - 9 0 、m d d 3 0 0 及m a x 一1 0 0 0 等各种控制系统：采用真实d o s 图形组态软件组态出控制系统和真实的网络系统，而只是将d p u 用仿真模型代替：在完成d c s 组态后，采用对d c s 网络下载文件进行编译转换的方式，实现 d c s 的平台转移和再现。 2 功能发展 ( 1 ) 图形化自动建模功能：利用图形化模型组态及生成系统，可实现图形化自动建模功能。在 建模过程中，不需使用任何语言程序，也不需了解建模的具体细节，只需熟悉热力过程及控制系统 即可组态出所需的控制系统及发电机组的实时动态模型。同时，在图形建模环境中还能实现流体网 络及电气网络系统拓扑结构的自动识别和网络计算程序的自动生成等功能。 ( 2 ) 与实际机组联网通讯功能：通过数据库管理系统中的客户月务器模式，实现与外界的联网 通讯功能。配有多种通用的网络接口、通讯协议( t c p i p 、o p c 等) 及i o 输入输出通讯，与实际 机组的d a s 、d c s 、p l c 等进行连接，提供一个用数学模型调试实际控制设备的环境和工具。仿真 系统也能作为一个站挂于现场某个d c s 的高速数据通道上，通过单向联网通讯，采集现场数据与仿 真数据比较，以校正机组仿真模型，使动态数学模型更接近实际机组。 ( 3 ) 在线交互式模型修改功能：实现对已建好的热力系统及控制系统模型在线以交互式方式进 行各种修改，如模型参数、变量值的修改、模块的增减及系统重新组态等。修改后的系统不需再次 编译，连接即可投入运行。 3 应用新动向 随着仿真机水平和开发能力的不断提高，以及对仿真机功能的需求面不断扩大，仿真机的应用 范围越来越广，包括机组设计、调试、运行、改造的全过程。具体表现在： ( 1 ) 用于机组设备和工程设计 在具有机理性、精确性较高的仿真对象数学模型，以及方便的建模、调试、修改、运行、分析 环境的仿真机上，当整套机组还在设计阶段，就可以通过仿真机来模拟机组在各个工况下的运行过 程，从而及时发现并纠正在设备选型、系统设计、控制策略等方面的不合理的地方。 ( 2 ) 用于机组逻辑保护和控制系统的设计、调试 随着机组自动化水平的提高，其逻辑保护和控制回路也越来越复杂。如果在设计阶段就能发现 并消除可能存在的问题，这对提高机组的安全性和经济性是非常有利的。并可对控制系统参数和方 案进行整定、优化，缩短控制系统在现场调试的周期，多功能仿真机通常采用虚拟方式来实现控制 系统。 ( 3 ) 为机组运行方式的确定、操作规程的制定提供依据 在建立和调试得到可靠的机组模型和控制系统模型以后，这时就可以在仿真机上进行机组的各 种工况( 扰动、启停、事故等) 下的仿真试验，确定机组在各种工况下的最佳运行方式和操作步骤， 2 第一章绪论 鞋及对事数王嚣豹判断和她理方蕊。 ( 4 ) 为运行过程中的设备和系统改造提供试验平台 辊维在授运后，鲤栗娶黠菜黧设备，翔秉、热熟嚣、簿道及阑起等蜀邦暴统终凌变换，或接剿 系统进行变更，就可以在仿真机上进行试验，从而确定改造方案是否可行。 ( 5 ) 用予熬控天员静培调 随蒋仿真机的发展，不仅要求仿真机州予运行人员的培训，驻加要求仿真机能够崩于热控人员 的培诩。与控制系统的设计、调试一样这静仿奏梳采稿壤蘩方式。奄蛄熬投入员遴过薅粪撬可敬 熟悉d c s 的组态软件和调试方法，进行控制茉统的优化试验。 ( 6 ) 对机组的实际运行方式进彳亍经济性分析和赦辕诊新 通过将仿真机和实际机组的d a s 系统相连，把现场数据采集到仿真机，与仿真机上的相同_ t 况 下的运行数籀进行分析、院较，从而碲定机缀的运行经济穗：通过对瑰站运行方式瀚全过程模蓣， 以及对事教l ：况进嚣模拟复现，捷出导致事故的可能的原闪，为数障诊断提供科学的依据。从而实 现对热力系统的性能分析、敌障预报及诊断、运行维护管理等。 1 2 2 仿真支撵系统的国内外研究现状【5 1 f 1 7 】 1 。支撑系统的发展过栏 随著计算机技术扮飞滤发震。仿真技术巍襻蓟了迅速静发展，主簧俸瑷程嚣巾方蟊：数学摸翟 和仿真支撑环境，尤其是厝者，在利用计算机新技术方面墩得了尤为突出的成就。 仿舆支撑系统的发展太体经= 醴了辩下过鞭： 1 ) 从简攀的字符输入输出方式到豳形输入输出方式 2 ) 从单机运行方式刘网络运行方式 3 ) 从针对具体慰象专门编穗方式到通用性在线组态方式 4 ) 从不支持自动建模到支持字符方式自动建横再到支持图形化自动建模 5 ) 从不支持数据瘁或蕊单数据疼馥 支持大型赛对数拱库 6 ) 从各种软件的简单组合到将各种软件进行商度集成 2 + 国内乡 发曩现获 ( 1 ) 国外发展现状 鑫8 0 年棼：开始，鬓乡 各大公霉援继舞发y 丈量髂宾支簿款移。如纛大剩爨动她秽计冀麟宠中心 开发的l e g - o 、美豳电力研究所研制的m m s 、德圈西门予公司的n l o o p 、燕国a b b ( 原c e ) 公 霹魏c e t r a n 、美凿磊s i n g e r 公司熬s 3 ，法莓t h o m s o n 公霹豹f l o w n e t & l o g n e t 、芬兰技 术研究中心( v 丌) 的a p r o s ，以及加拿大c a e 公司的r o s e 等等。 这魍软佟都膏辩下霓个共阂特点： 1 ) 大都支持模块化自动建模方式，具有图形建模功能； 2 ) 基于数据瘁管理系统： 3 ) 支持大数量的i o 管理和数据库功能。 4 ) 支持完善的教练赞台软件的开发； 5 ) 支持仿真软件的实时运行。 a p m s 仿真支撑系统由一个执行系统、模篷库、模型求解器、实时数据库和接日模型缀戚，它是 个开放的、模块他建摸和交曼式程序自动生成技术的图形组态系统。开发人员只需要对热工过程 有深入的了解，而可以不关心数据共享的编制方法，不需要考虑设备模块数据接日程序的编制，这 些编程工作均由支撵系统自行完成。与其它支撑系统摆比较，a p r o s 仿真支撑系统有如下优点：在 不需臻进行编译链接的情况下，直接究成图形组态、图形调试、图形在线实时修改模型等。囡此， 在a p r o s 弦舞支撑系统中开发鲍蕊赛援具套较好豹霹靠锉、可缎护性、可修泼性、霹移揍性、可扩 充性。 ( 2 ) 鑫肉发袋疆获 3 束涛大学硕士学位论文 华北电力学院在引谶美国c e 公司5 5 0 m w 原理型仿真机的同时。在c e t r a n 的綦础上进步 开发爨s t a r - 9 0 模块纯建摸嚣境。亚潮铸囊公司焱g l 进美鞘簸s i n g e r 公司的s 3 豹基勰上，开发出 a s c a 。s t a r - 9 0 在整体性能上优子a s c a ，因为尉者在模型建立后需要进彳亍编译链接，本质上属于 离线建模环境。尽管如此，与a p r o s 相比，s t a r ，9 0 明显的缺点是它还无法实现完全意义的模测在 线建焱帮修改韵能，霜梵它的模块弼分不搽合理，a p r o s 系统提供了基本蒙型模袭，檄耀户竞众按 照白融的需求组态山各种不同的仿真模型，如加热器、汽动给水泵婶。 1 3 本文的研究对象和内容 1 3 1 研究对象 本文的研究对象是平圩电蛞# l 汽轮械维盼汽轮税系统，该杌缀燕采嗣美圈嚣屋公弼弓l 进技术晗 尔滨汽轮机厂嫩成的亚临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽，反动、双背压凝汽机组。 汽耱投系统主要包戆懿下子蓉统： 1 ) 主蒸汽、再热燕汽及旁路系统 2 ) 汽轮机抽汽系统 3 ) 辘菇蒸汽系统 4 ) 凝结水及补给水系统 5 ) 主循环、开( 闲) 式循环冷却永系统 6 ) 主枫润滑油系统 7 ) e h 油系统 8 ) 汽轮飘净涵系统 9 ) 发电机密封油系统 1 0 ) 发电机定子冷却水系统 t1 ) 绘承裂汽轮梳润潜涵系绫 l 。3 ，2 磺究嚣标秘痰容 本文采用a p r o s 5 。0 4 仿真支撵蒙统，建立平圩电站6 0 0 m w 多功能仿真机汽机岛各予系统的仿真 模蝥，并在建嶷的仿真模型基稿上调试褥刘1 0 0 受荷工搅的运往参数，与鬏定数据院较，这瓣稳 态精度要求。此外，本文针对几个主要设备模型谶行动态仿真实验，为多功能仿真机的后续开发打 下坚蜜熬基础。 论文完成的主要工作包括： 1 ) 针对平圩电站6 0 0 m w 机组的汽轮机系统进行分析设计，参考p & i d 、热力系统豳以及设备说 甓书等资瓣，将汽轮撬系统势解或著手荀操髂貔细零系统。 2 ) 根据上述分析，建立汽轮机各系统的仿真模型。 3 ) 在开发的模型基础上，以1 0 0 负荷工况参数为目标进行调试。 4 ) 针对凝汽器、商压加热嚣、低压加热嚣以及除氧嚣的，l 稀典黧工况避抒动态傣囊试验。 毒 第二章a p r o s 仿真支撵系统 第二章a p r o s 仿真支撑系统 a p m s ( a d v a n c e dp r o c e s ss i m u l a t o r ) 高级过程仿真支撑系统是由f o r t u m 公司和v 丌芬兰 技术研究中心于1 9 8 6 年开始开发的大型仿真支撑系统，是一种真正意义上的多功能仿真系统，它具 有电站热：i ：过程和自动控制系统的设计、安全分析和培训仿真系统开发的功能。在国外，a p r o $ 仿 真支撑系统已经成功应用于火电站、核电站平化工厂的仿真机开发。 2 1a p r o s 仿真支撑系统的应用 a p r o s 是一个用于工业过程全范围建摸和动态仿真软件。目前a p r o s 系统有三个版本：a p r o s c o m b u s t i o n 用于火电厂仿真、a p r o s n u c l e a r 用于核电厂仿真以及：, p r o s p u l p p a p e r ( 义称为a p m s ) 用于纸浆厂仿真。 上述三个版本都可用来建立气相，液相过程模型、控制系统模型以及电气系统模型。a p r o s 仿 真支撑系统由仿真引擎和图形用户界面组成。仿真引擎包括各种求解器和模型库，而图形用户界面 提供了方便的图形组态和运行方式。 a p r o s 支持在建厂过程的所有阶段进行动态仿真。从而避免不必要的数据传递以及仿真模型 的重新组态。例如a p r o s 仿真支撑系统可使工程仿真机成为训练仿真机的基础。一旦仿真模型在 设计阶段完成，然后只需要花费少许代价就能成为校验和训练工具与d c s 一起重复使用。 图2 1 仿真在工程、运行和维护以及研发中的运用 a p r o s 是一个多功能仿真系统，适合应用于解决从电厂的前期设计到员工培训的所有阶段的各 种任务，包括前期设计、详细过程和控制系统设计、丁程和安全分析、以及培训仿真等，如图2 - - 2 所示。 图2 2a p r o s 应用于电厂周期的所有阶段 a p r o s 仿真支撑系统在各个电站各个阶段中的应用： 5 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 毫站的前麓设计 在前期设计阶段，由于难以获得足够的数据，因此开发电站精确的动态仿真模型是困难的。在 这种情况下，可戳往用a p e s 系统开发一个麓亿模凝，致嚣对蔻静设计方案避行分辑蠢范较，扶孛 选出一个优化的方案。 ( 2 ) 热二e ：过程设计 a p r o s 仿真支撑系统提供了丰富的基本模块库是进行热：l 谶程设计的理想，l ：具。在设计阶段， 使用该系统w 以对电站热力系统所做的更改进行动态特性研究，从而辩更改方案进行可行性努轿， 并可以找到系统设计中存在的缺陷，及时加以修正。 ( 3 ) 自动控制系统的设计 在控制系统熬设计和安装过程中，必然存在许多缺陷此时，采用仿真系统进行测试就显得咒 为必要。a p r o s 系统提供的基于o p c 标准的连接仿真软件。可以和d c s 系统方便的进行连接。因 她，谯耋动控割系统豹设计过程中，对醴搜耀a p r o s 系统验证控剿系绒的功能，完成控制系统参数 的整定。 电蛄搡佟蕊程懿验证 a p r o s 系统除了可以对热工过程进行仿真外，还可对控制、麟锁和保护系统以及电力系统进彳亍全 匿静彷真，因诧，a p r o s 仿真支撑系统也是魄蛄翻定彝骚活揉撵蕊程麓理怒王其。 ( 6 ) 培训型仿真机开发 培训型仿真枫怒动态仿真的主要运翔之一，使箱a p r o s 仿真支撑系统可鞋开发分析型傍赛橇， 当然更加可以开发培训型仿真机。 2 。2 a p r o s 仿真支撑系统基本鳃识 2 2 1 a p r o s 系统的基本概念 1 - p r o j e c t , w o r k s p a c e a n dm o d e l 工程( p r o j e c t ) 是王作组莛溺并发鹣矮嚣。它豹震健雹话霹挟萼亍文肄雅经彝工程串褒芎工嚣送 使用的模型模板。因此，工程中任意工作区下的所有的模型是相互兼容的，它们可以通过拷贝模型 目录在工作区闻避行交嚣。 工作区( w o r k s p a c e ) 是工作组成员在工程中所占工作的份额，它与a p r o s 仿真引擎实例相对应。 它的耩性包括工佧区目录和g r a d e s 糟户最大个数，工律区莓最是仿粪 | 擎进行读写支静静工终蟊 录，g r a d e s 用户最大个数是为了避免冲突，限制琏接到间一a p r o s 服务器的建模用户的个数。 模型( m o d e l ) 是存储和加簸的单位，同时也蔻仿真运行的筚位。仿真系统应用耱所有文彳牟都傈 存在模型且荣下，这些文 牛包捶a p r o s 敷据库快照文 牛( s n p ) ，g r a d e s 图形文件( a p t ) + 图形符 号库文件( c u i ) 以及一些其他类型文件。模型包含所膏用于构造禳掇的组件类型定义和一些用于 控割仿真过程的模块。 在a p r o s 5 系统中，个：【：彩可毗毯括若干工作区，一个工作区可以包辛苦若干模掣。a p r o s 管理 曼或畿用户透过工程譬璎器采黪理工援帮王作区。遁过它，客户攫序如g r a d e s ，可以得到关于a p r o s 主机工作环境的配置和当前状态，开启和停止a p r o s 进程。 2 ，n e t a p r o s 系统中，模型是在n e t 上进行表i 是，一个完整的仿真模型由许多n e t 组成。每个n e t 都有 一个名称帮一个i d 。n e t 名也燕图形文孛 ( a p r ) 帮密弱黪名称，由l 一8 个字雩事鳃袋，宅们瞧楚生 6 甓二章a p r o s 仿真支撑累统 成n e t 上模块的模块名的纂础。 n e t 也是模型重复使用豹单键，郢通过簿出和导入功能，将一个n e t 从一个m o d e l 拷贝到另外一 个m o d e l 。 2 。2 。2 命名翅则 a p r o s 系统中，存在翔f 命名撬翔： ( i ) 由于a p r o s 数据踌是数列的，因此在同一个模型中，a p r o s 名称必须是唯一的。 ( 2 ) 名称是不分火小葛的，名称a b e 等于a b c 。 ( 3 ) 名称戆最大长痉楚2 4 个字符。谚注意，计舅缓组件瞧名称是出过程组l 孛缀豹名称导出的， 因此，最好是将过稷组件级的名称限制在1 8 - 1 9 个字符，这样可以为计算级组件预留命名空间e ( 4 ) 建议名称中包含字符，a _ z ，a _ z ，0 - 9 ，点( 。) 。中枉( 一) 和+ f 柱( 一) 。然磊，最菇一个 字籀不糍是中枉，因为它间时是命令语言中的连续符。 ( 5 ) 名称不允许使用空格。 强) 猎琵是a p r o s 系统豹露令诿害豹l 芟謦字，因她不兔诲撵为模块名。 2 2 3 变量名 变量名的最大长度是6 个字符，且变量名称在模型中必要砸是嗽一的。每个变量都由三维组成：i ， j 和n 。当变量与模块类黧相关联时，n 维就等予该穰块类黧静模块数。每一维的默认壤是l ，对予 一维数缎，只须定义j 维即可。 a p r o s 中变量类趟包括： 竣精度类婺 r e 单精度类型 i n 整型 l o 逻辑型 c o 复型 蕊对象；l 角名。它羽来存储 l 弼其 蠹模块，对应耱变藿类黧是整墼。 o p 对象s i 用名。它用来存储引用其他模块，对威的变量类烈是整理，其中它的i 维是2 。 o q 对象；佣名。它用来存储引用其他模块，对废的交量类塑是藏整，其中它的i 维是4 。 2 2 4a p r o s 系统的文件系统 i 。文释夹 在w i n d o w s 平台上，安装a p r o s 5 0 4 系统后，系统会自动生成安装文件夹( 、门r r ) 和工作文件 夹( a p r o s 5 0 4 ) 。 其中，安装文 牛夹包括如下予文件夹： b i n n 卜一= 进制文件夹，禽有a p m x e x e ，g r a d e s e x e ，a p r o s s e r v e r e x e 等等可执行文件和动态联接 痒文释。 a d e 卜a p r d s 定义文件爽，含宵e “”l d e m f o ，d e f 等缚定义文f 1 1 。 a h l p a p r o s 命令帮韵文件夹，含青a d d _ h l p 等等帮精交释。 吐锄卜一a p r o s 帮助文停夹。 a q u e a p r o s 系统的命令队列文件夹，如：a l l o c _ e o d e s q u e 等等。 s n p 。艚一模型攘板及模型藏铡文 夹。 工作文件央包括如下予文件夹： 7 东南大学硕士学位论文 a p r 0 9 一模型的默认的工作文件夹 g r a d e s 和a p r o s s e r v c r 等用于存放针对应用的临时文件。 2 文件类型 在建立a p r o s 仿真模型的过程中，用户会使用到各种a p r o s 系统标准文件类型，列于表1 。 表1a p r o s 系统中的文件类型 文件扩展名文件的内容或用途 b l d 用于建立目标代码库的命令文件 mv m s 命令文件 c m p v m s 命令文件，用于编译源文件 d a r 通用数据文件 d e f a p r o s 定义文件 f d e p s i d o c 创建的目标程序文件 f o r f o r t r a n 源文件 e x e 可执行文件 h l p 帮助文件 i d e p s i d o c 创建的源程序文件 d 4 c 命令解释器创建的包含文件 l i n 用来链接可执行程序的v m s 命令 p i t 绘图文件 q u e a p r o s 命令队列文件 s n p 数据库速照文件 1 x t 文本文件 a p r g r a d e s 图形文件 c u i 图形符号库文件 g r p n e t 图形拓扑文件 g r e n e t 间关联文件 2 3 a p r o s 仿真环境 火电版a p r o s 仿真支撑系统是由图形用户界面、热工过程模块库、自动控制模块库、热力计算 库、电力系统模块库、仿真实时数据库以及仿真引擎组成，如图2 - 3 所示。 图2 - 3a p r o s 仿真环境 8 第- - i t a p m s 仿真支撑系统 2 3 1 a p r o s 系统的图形仿真界面g r a d e s 在类似c a d 界面的用户接口g r a d e s 中，用户通过绘图以及在属性框中填写初始参数即可完成 仿真模型的图形组态。系统的模型库中含有丰富的基本模块，如管道，阀门热交换器，加法器， 测量仪器，发电机，变压器等。用户可以方便的利用系统提供的各类图形模块构造需要仿真的系 统，从而大大的减小建模的难度，降低了对建模人员计算机能力的要求，加快了建模速度，缩短建 模周期。 初始参数的变化会在线的传递给仿真引擎，这样系统在初始化后仿真计算可以接着中断前的状 态继续进行。在任意时刻，模型的运行过程可以以快照文件的形式保存，它含有模型及其状态的完 整信息。同样，在任意时刻，用户可以调用快照文件而返回到以前存储的状态。 除了模型组态和修改外，系统还提供工具用来管理仿真计算过程，以及通过数值监控或者趋势 图的方式监视仿真模型的动态性能，趋势图用来显示模型参数的k 期性能而数值监控用来监视指定 部件属性的瞬时值，如图2 4 所示。用户不必熟悉微分方程的求解，也不必熟悉编程语言，就可以 完成仿真建模，这就使得a p r o s 是一个使用非常方便的仿真工具。 圈2 4a f r o s 的两种监视方式 2 3 2a p r o s 系统的基本模型库 图2 - 3 中的热工过程模块库、自动控制模块库和电气系统模块库都属于a p r o s 系统的基本模块库。 a p s o s 火电版系统提供的基本模型按其用途分为如下六种类型： ( 1 ) 基本热工过程模块类型 热工过程模块类型包括连接点、罐、管道、阀门、泵、热交换器、透平模块、凝汽器、换热器 模块等等。它们可与控制模块和电气模块相连并且大部分模型可以应用于所有的计算精度级别。为 了满足培训仿真的目的。大多数热工过程模块都含有一个定义故障类型的参数。 ( 2 ) 控制模块类型 控制模块类型包含三大类型：测量类型，控制和逻辑回路类型，执行机构类型。系统提供超过 5 0 个基本控制模块，可用于仿真不同的控制系统。 ( 3 ) 电气模块类型 电气模块是根据电网的发电量和用电量来求解电压、电流、有功和无功功率以及频率。电气模 块包括母线、开关、负载、发电机、变压器、线路。 ( 4 ) 边界条件模块类型 仿真模型中有一些节点不需要进行仿真计算，如环境温度点等，这些节点就是边界：宵点。但是 9 东南大学硕士学位论文 边界节点的某些参数需要随时间变化，这时就可以使用边界条件模块类型来实现。边界条件模块包 括：最大值、最小值、平均值、函数、值传递等。 ( 5 ) 仿真控制模块类型 仿真控制模块不仅可用于控制仿真速度、计算的时间步长，还可用于针对用户关心的参数进行 i o 读写。 ( 6 ) 连接模块类型 连接模块用于建立模块与模块之间的连接关系，它包括：流体连接类型、模拟信号连接类型、 数字信号连接类型、管道连接类型以及通用连接类型。 采用a p r o s 系统开发仿真系统的过程中，用户通过图形j _ j 户界面的交互方式来定义仿真模型， 从模型库中选择相应的组件模块，把它们连接起来，并且输入初始数据，即可以完成模型的定义。 a p r o s 数据库结构分为3 层定义模型，如图2 - - 5 所示。通常用户工作在第2 层过程组件级别上，使 用系统提供的模块，如管道、阀门、交换器等等，进行实例化，然后系统会自动定义计算级的对象 模型( 节点和分支) 。 2 3 3 热力计算库 图2 5a p r o s 系统模块的3 层定义模型 a p r o s 模型库提供了由低精度到高精度的计算模型，精度级别可以针对各个组件模型分别选择， 以后还可以方便修改。但是模型精度与仿真速度是成反比的，所以可以在它们之间找到一个最佳的 模型计算方式。 无论是在分析型仿真机还是培训型仿真机中，仿真速度都是非常重要的。分析型仿真机中，在 保持必须的精度的情况下，仿真速度应该比实时要快。培训型仿真机中，大型电站模型起码应该达 到实时仿真运行。 a 口r o s 热力计算库中，有5 个计算级别供用户选择，它们都可以计算流体的压力、流量以及焓： 0 、1 、2 、5 、6 级，其中2 、5 、6 最为常用。 0 级别模型( t h 0 求解器) 是a p r o s 中最简单的求解器。在该级别求解器中，流体流量是由用户 指定的，而不是通过压差计算得到。与更高级别的压力流量求解器不同，t h 0 求解器不是矩阵求 解器，而是质量和能量守恒方程顺序求解器。t h o 求解器适合用在无需使用压力一流量计算或者两 相流计算的地方，它有助于快速建立模型，因此t h 0 求解器可以在建模工程的第一阶段中使用， 之后，该模型可以转换到更高级别的求解器中进行更加精确的计算。 为了加快仿真速度，l 级别模型使用简化的守恒方程、比2 级别模型更少的物性参数、且无需迭 代计算，就可以计算出流体的压力、流量以及焓值。1 级别模型只能用在流体与壁面间不发生热传 递的情况下，此时，管路中保持只有单相流体经过。l 级别模型通常用于不发生沸腾现象的流体系 统中，节点的密度通过压力和焓值的函数计算得到，但是沸腾的效果不予考虑。这种忽略快速密度 1 0 第二章a p r o s 仿真支撑系统 变化的算法可以使得系统在低压计算中避免发生数值计算困难。 2 级别模型，又称为均质模型，能够计算热力温度、节点压力、流量以及焓值。该级别中可以仿 真流体与固体表面间的换热现象。泵和控制阀门的特性对流体计算有较大的影响作用。 在a p r o s 热力计算包中，5 级别和6 级别模型是最高级别的计算模型。它们将流体中的气态和液 态分开来单独计算，因而在这两个级别的计算过程中，计算精度最高，但是以牺牲c p u 和机时为代 价。 5 级别中，守恒方程组由汽、液态质量守恒方程，汽、液态能量守恒方程以及混合动量守恒方程 组成。计算量包括节点压力、体积流量、空隙系数、汽、液态焓值等等。5 级别模型可以计算汽、 液两相间的热传递和流体与固体表面间的热交换。 6 级别中，守恒方程组包括汽、液态质量守恒方程，汽、液态能量守恒方程以及汽、液态动量守 恒方程。计算量和范围与5 级别的相同。 组分计算网络是与热力计算网路完全并行的网络，它们共同构成一个烈重计算级网络，如图2 - 6 所示。每个热力节点对应着一个唯一的组分模块，组分模块用于确定热力节点的各组成成分的浓度， 组分计算网络完全独立于上述的热力计算网络，它常被用于流体组分的浓度计算以及物性数据库的 选择。这样，a p r o s 可以将热力计算级别模型用于计算各种其它的流体，如烟气、空气、油等。 a r m d 局恼饥t n n e t w o r k 凸呵删蛳怕 - i n 0 2 = ，蝴j 妇w b = w 5 _ 。o m f o 硝o nc 勘= 曲1 h 础 船j = 打j j 愀 朋i 鬣j 垆删蝴 图2 - - 6 a p r o s 计算级的双层网络结构 2 4 a p r o s 系统的特点 a p r o s 仿真支撑系统是一个非常优秀的过程仿真系统它可以用于电站从设计