（热能工程专业论文）平圩电厂600mw锅炉系统动态仿真.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的迅速发展，电力需求量也愈来愈大，发电机组不断朝着大容量、高参数的 方向发展。目前在我国的新建火力发电机组中，6 0 0 m w 的大型火力发电机组已占有了很大的比例， 而且其自动化程度越来越高，技术日益复杂，为了提高电站运行人员的操作水平，保证机组运行的 安全性和经济性，电站仿真系统的开发和应用得到了人们的广泛重视。 本文采用先进的仿真支撑系统a p r o s ，以平圩电厂6 0 0 m w 火力发电机组为对象，开发了一套 针对该机组锅炉系统的全工况仿真动态数学模型软件，并投入了实际应用。论文主要内容包括： 分析、消化了由芬兰国家技术研究中心( v t t ) 和芬兰f o r t u m 工程公司合作开发的高级过程 仿真支撑系统a p r o s 的建模、调试方法及其技术特点。 为了便于仿真系统的建模和调试，根据锅炉系统中各设备特点、流体性质和运行过程，把锅炉 仿真系统分成了多个子系统。在分析锅炉各个子系统的工作过程和特点的基础上，建立了与各子系 统相对应的仿真模型组态图。对仿真模型开发过程中有关的技术问题进行了分析，并给出了解决问 题的办法。通过查阅、收集、分析、整理与平圩电厂6 0 0 m w 锅炉系统有关的各类设计、计算和运 行资料，并把它们转化为仿真模型所需的数据，使所开发的锅炉仿真系统真正成为一个以乎圩电厂 6 0 0 m w 锅炉系统为明确对象的仿真系统。建模过程中充分考虑了各子系统之间的相互联系，保证了 整个系统的完整性。 针对a p r o s 模块库中缺少制粉系统设备模块( 包括给煤机、磨煤机、气固两相流以及煤粉与炉 膛的连接模块等) 的不足，在分析制粉系统各设备的工作机理的基础上，根据相关的专业知识，采 用v i s u a lc + + 语言编制了相关的模型软件，以外部模块的形式，通过动态链接库实现了与a p r 0 $ 的 流体网络以及其它模块的合理连接，保证了该煤粉锅炉仿真系统的完整性。 对锅炉系统仿真模型在1 0 0 负荷下、正常运行过程中以及故障发生时的仿真结果分析表明，所 开发的锅炉仿真系统能够连续、实时地模拟被仿对象的各种正常工况变化、启停过程和事故工况， 仿真结果与实际机组的运行过程具有较好的一致性。 关键词：锅炉，a p r o s ，仿真支撑系统，仿真机，数学模型 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es t a t ee c o n o m i c s ，m o r ea n dm o r ee l e c t r i cp o w e ri sn e e d e d t h eh i g h - c a p a c i t yh i 曲- p a r a m e t e rp o w e rg e n e r a t i n gu n i t sa r ep r e v a i l i n gr e c e n t ly t h ep e r c e n t a g eo f6 0 0 m w u n i t si si n c r e a s i n g a n dt h er e l a t e da u t o m a t i o ns y s t e m sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d f o r i m p r o v i n gt h eo p e r a t o r s s k i l la n di n s u r i n gt h eu n i t so p e r a t em o r es e c u r e l ya n de f f i c i e n t l y , m u c ha t t e n t i o ni s p a i do nt h ee f f e c t so fp o w e rp l a n ts i m u l a t i o ns y s t e r n s b a s e do nt h ea d v a n c e ds i m u l a t i o ns u p p o r ts y s t e ma p r o s ，t h ef u l l - s c o p ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l o f p i n g w e i6 0 0 m wb o i l e rs y s t e mi sd e v e l o p e da n dh a sa l r e a d yb e e np u ti n t oo p e r a t i o n t h em e t h o d so fm o d e l i n ga n dd e b u g g i n gw i t hs i m u l a t i o ns u p p o r ts y s t e ma p r o s ( w h i c hi sd e v e l o p e d b vv t ta n df o r t u me n g i n e e r i n gc o m p a n yo f f i n l a n d ) a r es t u d i e da tf i r s t a c e o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n t s ，l i q u i dp r o p e r t i e sa n dr u n n i n gp r o c e s s ，t h eb o i l e r s y s t e mw a sd i v i d e di n t os e v e r a ls u b s y s t e m s ，s oa s t of a v o rt h em o d e l i n ga n dd e b u g g i n g b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h e s es u b s y s t e m s ，t h es i m u l a t i o nm o d e i so f t h e s es u b s y s t e m sa r ed e v e l o p e da n dt h ee n c o u n t e r e d t e c h n i c a ip r o b l e m sa r ea n a l y z e da n ds o l v e d w i t ht h ef i e l dd e s i g n o p e r a t i o na n do t h e rr e l a t i v ed a t a ，t h e p u r p o s e - b u i l tb o i l e rs i m u l a t i o ns y s t e mf o rp i n g w e ip o w e rp l a n ti sb u i l t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s u b s y s t e m si sc o n s i d e r e dt oi n s u r et h ei n t e g r i i v f o rt h el a c ko ft h em o d u l e sf o rc o a lp u l v e r i z i n gs y s t e mi na p r o sm o d u l el i b r a r y , t h ed y n a m i c m a t h e m a t i cm o d e l so fc o a lf e e d e lm i l l a n dr e s i s t a n c eo fc o a la i rm i x t u r ea r eb u i l ta n dm a d ei n t od y n a m i c 1 i n ki i b r a r i e sw i t hv i s u a lc + + a n dt h e nt h e ya r et r a n s f o r m e di n t oa p r o se x t e m a lm o d u l e s t h e s ee x t e m a l m o d u l e sf o rc o a lp u l v e r i z i n gs y s t e ma r e1 i n k e dw i t l lt h ef l o wn e t w o r ka n do t h e rm o d u l e so fa p r o s ，s oa s t of o r maf u l l s c o p ec o a lf i r e db o i l e rs i m u l a t i o ns y s t e m t h ep r e s e n t e ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eb o i l e rr u n n i n ga tf u l ll o a d ，s t a r tu p ，s h u td o w n ，l o a dc h a n g e ， a n ds o m er e a l f u n c t i o n s s h o wt h a t 血ed e v e l o p e db o i l e rs i m u l a t i o n s y s t e mc a nw e i id e m o n s t r a t et h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e so f t h er e a lu t i l i t yb o i l e rs y s t e m k e y w o r d s ：b o i l e r , a p r o s ，s i m u l a t i o ns u p p o r ts y s t e m ，s i m u l a t o r , m a t h e m a t i c a lm o d e i i 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：觚日 期： 伊r 争氢 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：阳：函始导师签名：研究生签名：j 小 导师签名：日期：型墅 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 自从人类进入工业文明时代以来，对电能的需求一直以一定的加速度在增长，电力工业已经成 为国民经济的先行工业。近几十年来，随着世界经济的持续发展，电力工业在世界范围内也不断地 飞速发展。与此同时，随着人们对电站机理认识的不断深入以及对电站建造经验的积累，不论是核 电站、火电站还是水力发电站，都朝着大容量，高参数的方向发展；而且，其自动化程度越来越高， 技术日益复杂。正是由于这一发展趋势的存在，人们愈来愈认识到传统的电站设计手段，传统的操 作人员培训方法，即现场培训方法，已经越来越不能满足实际的需要。从那时起，人们就在思考能 不能开发一种脱离实际发电机组的系统或装置，使其能在实际电站建造之前或在脱离实际发电机组 的情况下可靠地验证设计者的设计构思和操作人员的熟练程度，从而让他们能在较短的时间内适应 并掌握现代化电站的运行和操作技术。电站仿真技术就是在这种背景下应运而生的。 1 2 电站仿真系统 1 2 1 电站仿真的概念 电站仿真实际上是对电站某单元发电机组系统的仿真。大型电站发电机组是一个设备庞大、系 统复杂的系统。如一台大型燃煤发电机组，包括锅炉、汽轮机、发电机三大主设备，还包括给煤机、 磨煤机、送风机、引风机、给水泵、凝结水泵、循环水泵、除氧器、低压加热器、高压加热器、润 滑油泵、励磁机等附属设备。根据发电机组的实际设各和系统及其运行过程建立其数学模型，并在 计算机上运算称为电站计算机仿真。 电站计算机仿真技术是一门综合技术。它是以热能动力、电气系统、控制系统、计算机技术、 数学、电工电子及仪表等多学科、多专业的理论为基础，以计算机和各种物理设备为工具对真实电 站的发电机组进行仿真的技术。 电站仿真按其实现方法分为两类： ( 1 ) 数学一物理仿真。所谓数学一物理仿真就是建立发电机组的数学模型，并转换为可在计算机 上运行的软件来模拟发电机组的运行过程，而电站主控制室内的物理设备，如主控制室内盘台及其 上全部报警、监视、操作和控制设备及c r t 设各等，采用物理模型或实物接入系统，构成数学一物 理仿真系统，也称为数学一物理混合仿真系统。 ( 2 ) 数学仿真。数学仿真就是把数学一物理仿真系统中采用物理仿真的部分( 例如：开关、操作 器) 也采用数学和计算机的处理方法实现。这种仿真方法大大减少了仿真系统的硬件设备，同时也 降低了设备的投资和运行维护的费用。尤其是计算机的多媒体技术和投影仪的应用，进一步提高了 数学仿真方法模拟现场环境的逼真度。所以，现在的电站仿真系统大多采用数学仿真的方法。 应用电站仿真系统，可以： 使学员熟练地掌握机组在各种工况下的启动和停机操作，提高在正常运行状态下的监控能 力、异常和事故状态下正确判断和处理故障的能力，提高机组在各种工况下安全经济运行的 能力。 用于对电站已有的操作规程进行有效性检查和验证，以改进不同工况下的操作方案。验证在 真实电站中所发生故障的原因和结果，可重演真实电站中已发生的故障，从而可用来制定处 理故障的措施及反事故的对策。 作为运行分析和控制系统研究的试验床，实现对电站设备的安全经济运行、控制系统优化的 分析和研究。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 仿真机的基本构成 电站全范围仿真机由硬件系统和软件系统两大部分组成。 ( 1 ) 硬件系统 电站仿真机的硬件一般包括： 1 ) 主机系统 主机系统是仿真机的核心和基础，通常它承担了仿真支撑软件和全部仿真模型软件和的运行计 算，以及数据库管理和通讯任务，有的还兼任教练员站和工程师站，所以它的性能将直接影响仿真 机的水平和质量。目前在国内外电站仿真中多采用单c p u 或多c p u 的服务器或工作站为仿真机的 主机。 2 ) 操作员站 操作员站一般包括：控制室中d c s ( 分散控制系统) 、d e h ( 汽轮机的数字电液调节系统) 、 n c s ( 电气网控系统) 的操作员站以及盘台设备( 软表盘) ，它们模拟了控制室内运行人员对实际机 组的操作监视过程，并保持与仿真机主机的数据通讯。 3 ) 就地操作站 就地操作站就是通过计算机上的发电机组系统和设备的画面及其操作，模拟实际机组的运行人 员在控制室以外对设备的操作过程和参数监视。 4 ) 教练员台 它是教练员和仿真机之间的接口。教练员通过它实现对仿真机各种运行方式的控制、指导学员 培训、监视学员操作过程、事故工况设置等功能。 5 ) 工程师站 通过工程师站，软件工程师用它来开发、调试、修改和维护仿真机软件。 6 ) 环境仿真设备 包括声响、灯光、投影及通讯设备等。 对于采用数学一物理仿真的硬件系统，还包括：i o 接口，控制盘台( 包括盘台上全部仪表、 指示灯、报警灯、开关、按钮、子盘等) ，以及就地操作盘等硬件仿真设各。 ( 2 ) 软件系统 电站仿真机的软件一般包括： 1 ) 计算机系统软件 它是在购买计算机时，由计算机制造厂家根据要求随计算机提供的软件系统。它包括：操作系 统和实用程序，高级语言，网络通讯软件和图形软件等。 2 ) 电站仿真软件 电站仿真软件是实现电站全部设备和系统的生产过程( 包括：设备操作、参数监视、控制系统、 保护和故障等) 仿真的软件系统。它包括描述发电机组运行过程的数学模型软件、控制室人机界面 仿真软件、就地操作仿真软件等。 3 ) 仿真系统支撑软件 仿真系统支撑软件是支持仿真软件开发、调试、维护和实时运行的软件系统。不同的仿真机制 造厂家，其支撑软件的功能和水平也不相同，它是衡量仿真机水平的一个重要项目。 4 ) 教练员台软件 它是实现教练员台全部控制和培训功能的软件系统。 1r 2 3 电站仿真机的功能 电站仿真机一般应具备以下功能： 1 ) 正常运行工况仿真 仿真机应能连续模拟真实电站的实际操作运行环境，计算对应各种运行工况的电站系统的全部 可监视参数，并在相应的c r t 等设备上输出。当参数达到或超过报警限时，应与实际电站一样有报 警或逻辑保护动作。仿真机至少应能实现如下电站正常操作的模拟： 2 第一章绪论 从冷态、温态、热态和极热态到1 0 0 负荷的启动操作： 汽轮机启动及发电机同步； 锅炉、汽轮机跳闸后恢复到满负荷； 电站从1 0 0 负荷到热备用及冷态停机的操作。 2 ) 故障和异常运行工况仿真 仿真机应能模拟电站实时运行中的异常和故障，并应有正确的反应和自动控制系统动作。对于 在教练员台上插入的故障，设备故障或学员误操作引起的故障其现象和因果关系要与实际电站发 生同样故障时一样。教练员应能设定故障的严重程度，也应能设定从故障发生开始扩大到最严重状 态时的变化速率。插入故障后在仿真机上的响应应与实际电站发生同样故障时的响应相同。 1 3 国内外研究现状 仿真技术的应用始于6 0 年代，但受到当时计算机水平的限制，仅是用模拟计算机对电站某个局部的 动态特性进行仿真。7 0 年代以后，随着大容量、高参数机组的投运以及新技术在火电机组中的应用，电站 日趋复杂，人们对机组的安全性、经济性也愈来愈重视。加之1 9 7 9 年美国三里岛核电站事故的发生，大 大促进了人们对电站仿真系统的需求，推动了电站仿真技术的迅速发展。进入8 0 年代以后，运用各相关学 科的新理论、新技术、新成果使得火电机组仿真系统在硬件速度，数据处理量，运行可靠性，通讯能力，兼容 能力等方面有了很大提高，相应地仿真系统的软件功能及其开发、调试的环境和手段等也有了很大的进步。 从9 0 年代至今，计算机软、硬件技术和信息技术的迅速发展，对电站仿真技术的发展更是起到了直接的 推动作用，人们对电站仿真系统的应用和研究在进行着不断的探索【l “。 当前电站仿真技术的发展主要体现在以下几个方面【1 i 小： ( 1 ) 仿真支撑环境 仿真支撑环境是一组软件的集合，这些软件包括了辅助建模、模型调试和运行支撑等系统，通过将它 们有机地结合起来，可以在整个仿真系统的生命周期内为开发者和最终用户提供一个良好的开发和运行环 境。 目前世界上主要的仿真机构都已经拥有功能比较完善的仿真支撑系统，例如：芬兰国家技术研究中 心( v t t ) 的a p r o s 、加拿大c a e 公司的r o s e 、美国电力研究所研制的姗s 、意大利自动化和计算研 究中心开发的l e g o 、美国a b b ( 原c e ) 公司的c e t r a n 、法国t h o m s o n 公司的f l o w n e t l o g n e t 、德 国西门子公司的n l o o p 等。 国内自主开发的仿真支撑系统有清华能源仿真公司开发的电站图形化建模系统g n e t 和仿真支撑 环境i s s e 、清华大学热能系的可视化计算与仿真支撑平台v c s 3 与电站仿真图形化自动建模系统 t h a b l s 等。华北电力学院在引进美国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 的基础上进一 步开发出s t a r 一9 0 模块化建模环境。亚洲仿真公司在应用并消化美国原l i n k 公司的s 3 仿真支撑系 统的基础上，开发了用于电站仿真的建模、调试和运行支撑系统a s c a 和a d m i r e 。 从国内外仿真支撑环境的发展来看，其主要特点体现在以下几个方面： 1 ) 功能高度集成 目前有很多支撑系统已经将教练员站、就地操作站、辅助显示、工程师站以及虚拟操作盘台等 功能集成起来，用户可以仅仅使用支撑系统而不再需要其他辅助软件就可以组建成一个功能齐全的 仿真系统。 2 ) 微机平台得到推广应用 随着微型计算机眭能的迅速提高及软件系统的日趋丰富和完善，在微机上进行仿真系统的开发有着显 著的优点，主要体现在以下几个方面：软硬件价格低廉，性能价格比高；软件资源丰富，硬件兼容性好、 升级方便；用户界面友好，开发周期短，用户容易学习掌握。 3 ) 系统具有很好的开放性 一个封闭的支撑系统已经远远不能满足用户的要求。例如，用户可能需要在支撑系统的基础上进行二 东南大学硕士学位论文 次开发，或者将购买的其它软件系统与支撑系统建立连接，就需要利j ； j i 程序去访问支撑系统的数据库，甚 至直接操纵其行为。这就要求支撑系统提供足够的开放性，以满足用户的备种要求。 ( 2 ) 先进的建模方法 1 ) 一体化、开放性的图形建模方法 在传统的图形建模系统中，控制系统、热力系统和电气系统一般是分别单独设计的，在实际使用中带 来种种的不便。现在有很多先进的图形建模系统，已经部分或全部将它们集成起来，使得可以在一个系统 中进行机、炉、电、控所有模型的建模工作，大大提高了建模的效率。 一般的图形建模系统所支持的模块是事先定义好的、内战在系统中的，用户是无法进行修改干扩充 的。先进的图形建模系统改进了这一不足，将所支持的模块库完全向用户开放，用户可以利用系统提供的 模块资源管理器对模块序进行添加、删除和编辑使其满足自己的特殊需要。 2 ) 具有在线调试功能的图形建模系统 原先很多的图形建模系统只能根据用户给出的组态图，自动生成模型源程序就算完j 二了，模型 的进一步编泽和调试工作则需要在支撑系统中完成，实际使h 起来很不方便。现在一些先进的幽形 建模系统不但可以实现模型的自动生成，而且可以在支撑系统的支持f 直接进行编泽，并完成潦如 数据显示、数据修改、逻辑量红绿线输出等蛹试j ：f 1 。一些更先进的支撑系统采_ l i ；| 数据驱动的方法， 组态完成后可以d 接运行，根本不需要编泽器的参与，虽然其运算性能可能会略有影响，但由于目 前计算机运行速度很高，这个代价的付出是值得的。 3 ) 高精度自适应的模型与算法 实时性和计算精度之间是相互矛盾的，但随着计算机性能的提高平分布式计算的应用，计算速 度已经不再是考虑的主要问题，高精度数学模型的使用芟得越来越广泛。 ( 3 )多媒体技术的应用 随着计算机多媒体技术的迅速发展，其在电站仿真领域中的应用越来越r 泛。利用二维动画技 术可以邋真地对管道jj ：质流动、炉膛火焰燃烧、风机运行状态等进行仿真；利_ l ；f 声音技术可以对设 备的起停、正常远 】：和币故发生时的声音进行模拟， l 人彳丁一种身临其境的感觉。 1 4 本文工作 本人的主要i ：作是住分析安徽平圩发电厂6 0 0 m w 火力发电机组锅炉系统的漩计干运 j 资料的基 础上，建丑该机组锅炉系统的全范围仿真结构框架；通过分析、消化并戍刚由芬兰国家技术研究中 心( v i t ) 开发的高级过程仿真支撑系统t p r o s ，开发出该机组仿真系统的锅炉全工况动态仿真模型 软件。该锅炉仿真软件应达到如下要求： ( 1 ) 锅炉荐f 系统允许做适当的简化，但凡涉及盘台输入输出、c r t 显示或操作的殴需均需摸 拟。 ( 2 ) 锚炉所有数学模型方程应严格符合能量、质量、动量的守恒定 = i ! ，各子系统及整个系统应 满足能量平衡。每一控制体内质量午流量的进入部应符台实际，不允许有假想的质量和能量传递。 ( 3 ) 锅炉模拟应能连续、实时地反映放仿电站的正常操作过程；从冷、温、热态到满负荷，从 满负荷到停炉到全冷态，自动或手动加减负荷以及各种误操作等情况的模拟也应符合实际过程。 ( 4 ) 锅炉模型应具有实时仿真各种事故的能力，并根据事故等级不同反映出不同的严重程度， 事故加入后的仿真结果应符合由实际电站运行经验、过程分析得出的结论。事故发生后对运行人员 的操作要有正确的响应，能够反映在故障出现时，运行人员经过一系列正确操作后可以挽救或减轻 事故的后果，而如果操作不当，则会使事故进一步扩大。 ( 5 ) 锅炉模型应能反映实际( 运行) 工况下的各种效率和损火。 ( 6 ) 机组锅炉模型在所选的静态负荷工况下主蒸汽流量，弭热蒸汽流量，过、再热减温水流量， 过、再热器出口温度及压力，燃料量，燃烧器摆角，燃烧空气量等参数的静态值与设计资料误差应 在2 以内，其余参数应不超过5 ；动态精度要求锅炉在各种扰动下所有参数趋势正确，同铍仿 真的电站锅炉相比，重要参数误差在- 4 - 1 0 ，非重要参数误差4 - 2 0 。 4 第一章绪论 在a p r o s 模块库中缺少制粉系统的设备模块，包括：给煤机、磨煤机、气固两相流，以及煤 粉与炉膛的连接模块等，为此，本文在分析制粉系统各设备的工作机理的基础上，根据相关的专业 知识，采用v i s u a lc + + 语言编制了相关的模型软件，以外部模块的形式，通过动态链接库实现了与 a p r o s 的流体网络以及其它模块的合理连接，为该6 0 0 m w 电站煤粉锅炉的全范围仿真提供了保障。 在应用a p r o s 实现电站锅炉系统图形化建模的同时，本人还在开发自己的图形化建模软件方面 开展了一些工作，具体内容可参见本人发表的论文“可压缩流体网络图形建模软件的开发”。 5 东南大学硕士学位论文 第二章a p r o s 仿真支撑系统 2 1 仿真支撑系统概述 仿真支撑系统是支持仿真软件开发、调试、维护、修改、运行和管理的软件系统。它是现代仿 真机开发及运行维护必不可少的、重要的软件系统，它的水平将直接影响仿真机的水平和质量。在 高水平、先进的仿真支撑系统支持下，仿真机的开发将会缩短工期、保证质量、降低成本，并能提 高仿真机的可靠性、可维护性、可修改性、可移植性和可扩充性。在没有仿真支撑系统的情况下， 开发电站仿真软件是极其困难的。有人把在没有仿真支撑系统情况下开发仿真机比喻为“手工操作”， 而把有仿真支撑系统开发仿真机比喻为“自动化操作”。因而仿真支撑系统不仅是所有仿真机制造厂 商竞争的焦点，也是客户选择仿真机时关心的重要问题。 不同的仿真支撑系统，开发、调试、管理和维护仿真软件的方法不同，所使用的硬件平台也可 能不同。仿真支撑系统一般应具有以下的基本功能： 数据库和模块库管理； 提供仿真软件开发环境； 提供仿真软件调试环境： 仿真软件实时运行控制： i o 管理。 图2 1仿真支撑系统的构成图 仿真支撑系统一般由自动建模系统、数据预处理系统、调试系统、变量数据库管理系统、主程 序库和网络通信系统等部分组成，如图2 1 所示。其中自动建模系统用于完成整个电站系统数学模 型的自动生成；调试系统属于整个集成环境最为核心的部分，它负责完成对数学模型的调试、结果 分析；数据库管理系统负责模型变量数据库的管理工作，包括源程序变量的扫描与入库、变量检索、 变量删除、数据存取等功能，为数学模型、调试系统和网络通信系统提供变量共享和存取的媒介： 主程序库可为用户模型程序提供与调试系统的接口，它与调试系统共同负责完成对模型程序的调度 和管理工作；网络通信系统为在不同计算机上运行的调试系统提供通信手段，使得可以利用调试系 统调试其它计算机上运行的数学模型，或者利用多台计算机上运行的调试系统构成大型仿真系统。 6 第二章a p r o s 仿真支撑系统 2 2a p r o s 仿真支撑系统 2 2 1a p r o s 仿真支撑系统简介 a p r o s ( a d v a n c e dp r o c e s ss i m u l a t o r ) ：是- - 个用于工业过程全范围建模和仿真的支撑系统。它是于 1 9 8 6 年由芬兰国家技术研究中心( v t t ) 和芬兰f o r t u m 工程公司合作开发的。在其后的十几年 中，v t t 和f o r t u m 对a p r o s 不断进行扩充和更新，使其越来越完善，功能越来越强大。目前的 a p r o s 仿真支撑系统有以下三个版本： a p r o sc o m b u s t i o n _ 一用于火电站仿真： a p r o sn u c l e a r 用于核电站仿真： a p r o sp u l p & p a p e r ( 也称为a p m s ) 用于纸浆厂仿真。 上述三个版本都可用来建立热力过程模型、控制系统模型以及电气系统模型。2 0 0 2 年东南大学 动力工程系引进了a p r o s 仿真支撑系统的火电站版本，下面有关a p r o s 的介绍除非有特殊说明， 否则都是指该版本。 a p r o s 是一个多功能仿真支撑系统，可用于电厂设计、运行、改造的各个阶段“”，如图2 2 所示。 图2 2a p r o s 在电厂各个阶段的应用示意图 ( 1 ) 电站的前期可行性研究和系统设计 a p r o s 仿真支撑系统具有机理性、精确性较高的仿真对象数学模型，并且提供了方便的建模、 调试、修改、运行及分析环境，当电站整套机组还仅仅处于图纸设计阶段时，可以使用a p r o s 建 立其仿真机用其模拟该机组在各种工况下的运行过程，从而及时发现并纠正在设备选型、系统布 置等方面的不合理或遗漏的地方，直到符合设计要求。 随着机组自动化程度的不断提高，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 发现并消除可能出现的问题，那么对提高机组的安全性和经济性是非常有利的。在控制系统的设计 组态阶段，可以在针对该机组的仿真机上利用a p r o s 提供的控制模块库再现真实的d c s 系统并进 行试验，以检验控制回路是否有错误以及与被控对象之间是否有矛盾或考虑不周的地方，并可对控 制系统的参数和方案进行整定、优化，缩短控制系统在现场调试的工期，提高控制品质。 ( 2 ) 运行人员培训 机组投运之前，对运行人员进行仿真培训，使他们对新机组的各个设备和系统的运行特性，逻 辑、控制回路的功能，人机界面的监视内容和操作方式以及在机组的正常扰动、宿停和各种事故工 况下的正确操作和处理方式等有一个全面的了解和掌握，从而在新机组投运时就能正确、熟练地控 制机组的运行，减少操作失误。 机组投运后，运行人员主要是接受在机组启、停和事故工况这些平时出现频率很少或较低的运 行过程的仿真培训，从而提高它们在实际过程中遇到这些工况时的判断和处理能力。 对机组进行改造后，运行人员可以通过仿真机的培训来适应机组改造后的新的运行特性和操作 方式。 ( 3 ) 运行指导 在实际电厂生产过程中，运行人员都是按照运行规程来操作的。电站运行规程是在设计电站时， 依据电站设计参数，参照其它已运行电站的运行规程来编制的。在应用仿真机之前，人们都是凭实 际运行经验不断来修改运行规程。由于安全性问题，人们并不愿意大幅度修改已有的运行规程，而 7 东南大学硕士学位论文 只是对其局部进行修改，这样的运行规程并不是最优的。通过仿真机的运行验证，可以改进运行规 程，优化生产操作过程。 ( 4 ) 安全分析 在火电站日常运行中，有时会发生一些意想不到的事故，使用仿真机可以核实、分析事故原因。 通过在仿真机上模拟各种事故，也训练了操作中处理事故的方法和能力。a p r o s 提供了高精度的热 力计算模块库，能较好地模拟火电站的各种事故，因此可用来对火电站进行安全分析，提供机组运 行的安全性。例如，1 9 9 0 年，芬兰l o v i i s a 核电站进行系统改造后，一直采用a p r o s 进行安全分 析计算。 ( 5 ) 技术改造 当机组在投运之后由于某种原因需要对某些设备( 比如，泵、风机、调节阀、换热器等) 或控 制系统进行改造或更换时，可以预先在a p r o s 仿真支撑系统中对设备、系统改造将会对机组运行 产生的影响进行仿真试验，以确定改造方案的可行性并对操作规程的相应修改提供依据，使机组 技术改造的整体性能达到最优。 2 2 2a p r o s 仿真支撑系统的组成 用于火电站仿真的a p r o s 仿真支撑系统由a p r o s 仿真引擎、热工过程模块库、热力学计算库、 自动控制模块库、电气系统模块库、仿真实时数据库、通讯接口以及图形用户界面等组成，如图2 3 所示。 图2 3a p r o s 仿真支撑系统组成示意图 ( 1 )a p r o s 仿真引擎 a p r o s 仿真引擎是a p r o s 仿真支撑系统的总指挥部，负责翻译、判断和执行由用户通过图形 或字符方式发出的命令或请求在实时运行环境下对多个实时任务、数据库、模块库、计算机资源 进行协调管理，建立数据共享内存区，控制各个模块乃至整个仿真机的运行状态，以及负责主机与 下位机的通讯等。在a p r o s 的图形用户界面g r a d e s 出现之前，仿真机开发人员在a p r o s 仿真引擎所提供的命令窗口c m d 下可以使用它所提供的命令添加、删除和调试模块、选择相应 的算法、访问实时数据库以及与外部进行通讯等，从而完成整个仿真机的开发任务。由此可见， a r p o s 仿真引擎是a p r o s 仿真支撑系统的核心。 ( 2 )a p r o s 模块库 a p r o s 仿真支撑系统为用户提供了内容丰富的模块库，不同版本的a p r o s 仿真支撑系统的模 块库所提供的模块种类及数量各不相同。除了一些公用的模块以外，不同版本的a p r o s 仿真支撑 系统都具有其特定的模块。如火电站版本的a p r o s 仿真支撑系统的模块库中提供了水冷壁、离心 式或轴流式风机、热交换器、高低压加热器、凝汽器等模块，核电站版本的a p r o s 仿真支撑系统 8 第二章a p r o s 仿真支撑系统 的模块库中提供了核反应堆、蒸汽发生器、安全壳等模块。本文主要介绍火电站版本的a p r o s 仿 真支撑系统的模块库。 火电站版本a p r o s 仿真支撑系统所提供的模块按其用途可分为如下几类： 1 ) 仿真控制模块 各个版本的a p r o s 仿真支撑系统都有一组用于控制模型仿真状态的仿真控制模块，包括试验 模块( e x p e r i m e n t m o d u l e ) 、试验控制模块( e x p e r i m e n tc o n t r o l m o d u l e ) 、速度控制模块( s p e e dc o n t r o l m o d u l e ) 、故障触发器模块( m a l f u n c t i o nt r i g g e rm o d u l e ) 和输入，输出模块( i n p u t o u t p u tm o d u l e ) 。 用户可以通过在a p r o s 的命令行窗口下运用命令语言或者使用图形用户界面屯凡d e s 中与这 些仿真控制模块相对应的图符来使用它们。 这些模块的具体用途： 试验模块 试验模块与试验控制模块、速度控制模块和输入输出模块联合使用，可用于将一些用户关心的 变量按时间顺序保存到磁盘文件中，或者将磁盘文件中的数据读入试验模型，作为模型运行时的边 界条件。 试验控制模块 当开发人员通过a p r o s 的工程管理器建立好一个模型后，a p r o s 仿真支撑系统就会在数据库 中为该模型生成一个预定义的唯一的试验控制模块，用户可以使用该模块设置模型运行的当前仿真 时间、仿真的起止时间、最大最小迭代次数、晟大最小时间步长。另外，还可以从该模块中获得模 型计算时的真实时间步长和迭代次数。在实际应用中，可以通过该模块适当增加模型的迭代次数以 及缩短其时间步长来避免仿真模型在某些复杂的暂态工况下出现计算不收敛的情况。 速度控制模块 跟试验控制模块一样，速度控制模块也是a p r o s 仿真支撑系统在数据库中为仿真模型生成的 预定义的唯一的模块，用户可是使用该模块设置模型的仿真速度并获得模型运行时能达到的真实速 度。 故障触发器模块 在电厂实际运行过程中经常会发生一些无法预知的事故，通过该模块用户可以控制仿真机上事 故的发生。 输入输出模块 前面已经提到过，输入，输出模块必须与试验模块、试验控制模块和速度模块联合使用。通过这 些模块，用户可以将关心的变量按时间顺序保存到磁盘文件中，便于以后分析，或者将磁盘文件中 的数据读入试验模型，作为模型运行时的初始条件。 2 )热工过程模块 热工过程模块可细分为通用模块和特殊模块两类。其中，通用模块包括节点、容器( 自带容积 的节点、普通箱体、带换热结构的箱体等) 、管道( 普通管道、带换热结构的管道等) 、阀门( 基本 阀、控制阀、逆止阀、截止阀、安全阀等) 、换热器( 管壳式换热器、管式换热器、平板式换热器等) 、 泵( 基本泵、电动泵等) 、喷嘴、热结构、分流器等模块。不同版本的a p r o s 仿真支撑系统具有不 同的特殊模块，火电版的a p r o s 仿真支撑系统包括高低压加热器、凝汽器、水冷壁、风机( 轴流 式离心式) 、转子、汽缸、空气压缩机等特殊模块。大多数热工过程模块都设有故障标志，当通过 故障触发器或其它方式使故障标志起作用时，故障即会发生。比如，所有的阀门模块中都有一个故 障标志( m a l f u n c t i o nf l a g ) ，该标志为0 时不发生故障；该标志为l 时阀门拒动；该标志为2 时阀门 误开；该标志为3 时阀门误关。 3 )自动控制模块 a p r o s 仿真支撑系统提供了几十个自动控制模块，它们可细分为模拟量模块、数字量( 逻辑 量) 模块、信号发生器模块、调节器模块、设备控制器模块、测量器模块等几种类型。其中，模拟 量模块包括加法器、减法器、乘法器、除法器、模拟量多路器、微分器、积分器、滤波器、限速器、 模拟量延迟器、模拟量记忆器、模拟量选择器、数模转换器、死区器、滞后器、限值器、最大数选 9 东南大学硕士学位论文 择器、最小数选择器、曲线拟合器、平方根器等模块；数字量模块包括与模块、或模块、非模块、 数字量多路器、数字量延迟器、数字量选择器、复置模块、带磁滞的判断器、脉冲发生器、逻辑量 选择器、顺序控制器、计时器等模块：信号发生模块包括数字量脉冲发生器、噪声发生器、正弦波 发生器、方波发生器、锯齿波发生器等模块：调节器模块包括传统的比例调节器、积分调节器、比 例微分调节器、比例微分调节器、比例积分加微分调节器等模块：设备控制模块除了通用的连续控 制器、脉冲量开关控制器、气动开关控制器，还包括用于控制泵、风机、阀门和热结构运行状态的 连续控制器、脉冲量开关控制器、气动开关控制器；测量器模块包括通用测量限值判断器、流量测 量器、通用测量器、水位测量器、压力测量器、温度测量器和组分测量器等模块。用户使用模拟量 模块、数字量模块、信号发生模块、调节器模块可以在仿真机上构造出各种类型的控制系统，仿真 机上的热工设备通过设备控制器模块和测量器模块又可与控制系统建立联系。 4 )电气系统模块 电力系统模块包括母线、发电机、线路、负载、变压器、开关等模块，可用于模拟电厂的发电 机系统、厂用电系统等。 5 )边界条件模块 边界条件模块库包括平均值模块、函数( 求和函数、幂函数、指数函数、多项式函数、有理函 数，乘积函数，平方和函数、最大最小值函数等) 模块、表格模块、积分模块等。仿真机运行时， 有一些变量相对模型是固定不变的，如环境温度、压力等，将这种变量视为边界条件。但是这些边 界条件可能要根据需要变化，如环境温度和压力是随季节而变化的。另外，模型中的某些参数可能 要按某种规律进行变化，如不同负荷下的锅炉系统的各级换热器的换热系数可能不一样，可以使用 边界条件模块来模拟这些变化。 6 ) 连接线模块 连接线用于建立模块与模块之间的连接关系，包括流体连接线、管道线、模拟量连接线、数字 量连接线和通用连接线等模块。 7 1 其它模块 a p r o s 仿真支撑系统中还有一些模块没有归入上述六种类型，包括外部模块、联合模块、传热 模块、辐射换热模块以及2 方程( 均质模型) 、5 方程、6 方程模型的一般热力学控制模块和特殊热 力学控制模块等。 ( 3 )仿真实时数据库 a p r o s 的仿真实时数据库主要负责管理各个模块中的常数、系数和变量、模块组态的拓扑结构 数据、可视化组态模块与数据库中的模块的对应信息、以及对仿真系统的各类控制指令和状态数据 ( 如，模型是否在仿真之中) 等。它包括数据库加点，数据查询、修改，支持仿真实时运算和数据 在线监视、修改等。a p r o s 的仿真实时数据库以数组的形式分类存储模块的变量。例如，仿真模型 中所有模拟量点的值按添加的先后顺序依次存储在一个数组当中。当模拟量点的数目超过当前数组 的存储空间时，数据库会自动扩充数组。a p r o s 还提供了一组命令( w r i t e _ t o _ f i l e 和r e a d f r o m f i l e ) ， 可以将仿真模型的数据以数据库文件( s n p ) 的形式保存到存储器中，也可以随时将数据库文件读入 仿真模型，进而实现工况的存储和重现。 ( 4 ) 热力学计算库 火电版a p r o s 仿真支撑系统的热力学计算库为用户提供了多达5 个精度级别的热力学求解器， 分别是0 精度级别求解器、l 精度级别求解器、2 精度级别( 3 方程) 求解器、5 精度级别( 5 方程) 求解器和6 精度级别( 6 方程) 求解器，它们都是用于求解流体网络的压力、流量以及焓值，只是 适用范围及计算精度不同而已。其中0 精度级别求解器最为简单、计算精度最低，用于计算简单的 单相流体；6 方程求解器最为复杂、计算精度最高，可用于计算复杂的两相流动。下面简单介绍一 下各精度级别求解器的求解特点。 0 精度级别求解器( 简