（热能工程专业论文）350mw锅炉机组全过程仿真模型的建立与动态分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 在电力生产中由于发电机组故障或运行人员误操作引起的电力事故频繁发生， 为了避免或减少运行人员误操作事故的发生以及加强运行人员对事故的处理能力， 借助计算机仿真技术，建立火电机组全工况实时仿真模型对运行人员进行培训，具 有极其重要的意义。 本文基于四方公司g i s s 2 0 0 0 仿真系统，重点分析了工程模块化建模与流体网络 法在电厂仿真中的应用，并结合江苏利港发电有限公司一期火电机组仿真机模型的 建立与调试工作进行具体说明。本文以现场运行数据和现象为依据，对建立的仿真 机模型进行了静态与动态过程分析。此外本文还运用仿真机对现场常见故障进行了 仿真模拟与分析。分析表明。本文所建模型可以正确模拟该机组运行特性。本文所 建立的3 5 0 m w 火电机组实时仿真模型锅炉部分已经在利港电厂得到了成功运用。 关键词：自然循环汽包炉，锅炉，模块化，模型，仿真 a b s t r a c t b e c a u s et h eo p e r a t o r so p e r a t et h em a c h i n e si m p r o p e r l ya n dt h em a c h i n e sg ow r o n g ，t h e r e a r eal o to fm a l f u n c t i o n si np o w e r p l a n t s i no r d e rt oa v o i dt h et h i n g so c c l l rl i k et h a t ，w i t ht h e s u p p o r to fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e a l t i m es i m u l a t i o nm o d e l so ff u l lw o r k i n g s c o p eo f p o w e rp l a n t sc a i lb es e tu p i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot r a i nt h eo p e r a t o r s b a s e do nt h eg i s s 2 0 0 0s i m u l a t i o ns y s t e m ，a n da c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n dt h e d e b u g g i n go ft h es i m u l a t i o nm o d e lo fl i g a n gp o w e rp l a n t ，t h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g m o d u l a rm o d e l i n gm e t h o da n df l u i dn e t w o r kt ot h e s i m u l a t i o no f p o w e rp l a n t sa r es t u d i e d o n t h eb a s i so fa c t u a lo p e r a t i o nd a t aa n dp h e n o m e n a ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r e s t u d i e d t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h es i m u l a t i o no ft h em a l f u n c t i o n sw h i c ho f t e no c c u ri nt h e l o c a l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e l sc a nc o r r e c t l ys i m u l a t et h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo fn a t u r a lc i r c u l a t i n gb o i l e ru n i t w i t ht h es u p p o r to fg i s s 2 0 0 0s i m u l a t i o n s y s t e m ，t h ea u t h o rd e v e l o p st h er e a l t i m es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e3 5 0 m wn a t u r a lc i r c u l a t i n g b o i l e ru n i t ，a n dt h em o d e li ss u c c e s s f u l l yp u ti n t ou s ei nt h el i g a n gp o w e rp l a n t t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：n a t u r a lc i r c u l a t i n gb o i l e ru n i t ，m o d u l a r , s i m u l a t i o n ，m o d e l 华北电力大学硕士学位论文 摘要 在电力生产中由于发电机组故障或运行人员误操作引起的电力事故频繁发生， 为了避免或减少运行人员误操作事故的发生以及加强运行人员对事故的处理能力， 借助计算机仿真技术，建立火电机组全工况实时仿真模型对运行人员进行培训，具 有极其重要的意义。 本文基于四方公司g i s s 2 0 0 0 仿真系统，重点分析了工程模块化建模与流体网络 法在电厂仿真中的应用，并结合江苏利港发电有限公司一期火电机组仿真机模型的 建立与调试工作进行具体说明。本文以现场运行数据和现象为依据，对建立的仿真 机模型进行了静态与动态过程分析。此外本文还运用仿真机对现场常见故障进行了 仿真模拟与分析。分析表明。本文所建模型可以正确模拟该机组运行特性。本文所 建立的3 5 0 m w 火电机组实时仿真模型锅炉部分已经在利港电厂得到了成功运用。 关键词：自然循环汽包炉，锅炉，模块化，模型，仿真 a b s t r a c t b e c a u s et h eo p e r a t o r so p e r a t et h em a c h i n e si m p r o p e r l ya n dt h em a c h i n e sg ow r o n g ，t h e r e a r eal o to fm a l f u n c t i o n si np o w e r p l a n t s i no r d e rt oa v o i dt h et h i n g so c c l l rl i k et h a t ，w i t ht h e s u p p o r to fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e a l t i m es i m u l a t i o nm o d e l so ff u l lw o r k i n g s c o p eo f p o w e rp l a n t sc a i lb es e tu p i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot r a i nt h eo p e r a t o r s b a s e do nt h eg i s s 2 0 0 0s i m u l a t i o ns y s t e m ，a n da c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n dt h e d e b u g g i n go ft h es i m u l a t i o nm o d e lo fl i g a n gp o w e rp l a n t ，t h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g m o d u l a rm o d e l i n gm e t h o da n df l u i dn e t w o r kt ot h e s i m u l a t i o no f p o w e rp l a n t sa r es t u d i e d o n t h eb a s i so fa c t u a lo p e r a t i o nd a t aa n dp h e n o m e n a ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r e s t u d i e d t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h es i m u l a t i o no ft h em a l f u n c t i o n sw h i c ho f t e no c c u ri nt h e l o c a l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e l sc a nc o r r e c t l ys i m u l a t et h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo fn a t u r a lc i r c u l a t i n gb o i l e ru n i t w i t ht h es u p p o r to fg i s s 2 0 0 0s i m u l a t i o n s y s t e m ，t h ea u t h o rd e v e l o p st h er e a l t i m es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e3 5 0 m wn a t u r a lc i r c u l a t i n g b o i l e ru n i t ，a n dt h em o d e li ss u c c e s s f u l l yp u ti n t ou s ei nt h el i g a n gp o w e rp l a n t t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：n a t u r a lc i r c u l a t i n gb o i l e ru n i t ，m o d u l a r , s i m u l a t i o n ，m o d e l 华北电力大学硕士或工程硕士学位论文( 五亲) 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 5 0 m w 锅炉机组全过程仿真模型的 建立与动态研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名： 短窭， 日期：圣型：! ：堡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不闯媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盘杰 日期：! 竖! ! 导师签名；必 日期：! ! ： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力系统使用仿真机的必要性 众所周知，电力企业对安全生产极其重视。电力行业所以重视安全生产，首先 是因为电力系统发生故障将造成重大损失。由于电力事业是公益性事业，发生故障 不仅是减少发电量和损坏电力设备，一旦对用户停电更是可能导致比电力部门多几 十倍甚至几百倍的损失。 其次，电力事故给人民生命财产带来巨大威胁。电力事故造成的停电，会威胁 矿井作业人员、医院患者等生命安全。还会使航空、交通、电信等公共事业因停电 而中断，造成社会秩序的紊乱。人民生活对电气化依赖的程度越高，发生停电事故 所造成的灾难也将越大。 第三，我国许多电网处于缺电局面，设备利用程度很高，备用容量很少，在满 负荷甚至超负荷运行状态下的电网，如果发生事故将会加剧缺电矛盾，导致生产的 恶性循环，造成更大的损失。 因此，对火电厂运行人员的要求也越来越高。传统的“师傅带徒弟”的培训方 法已很难适应新技术迅速发展的要求。而且现场运行机组对培训很不方便，特别是 各种启、停操作不易遇到，各种事故更不能人为制造。因此，必须采用先进手段对 电厂运行人员进行培训。为满足这种要求，电厂仿真培训装置便应运而生”。1 。 用数学模型代替整个电厂的过程，以高速计算机和与电厂主控室一致或相近的 表盘作为硬件便组成了仿真机。 1 _ 1 1 电力系统仿真机的作用 仿真机的使用一方面可以提高运行人员的操作水平和积累处理事故的经验，进 一步降低误操作事故出现的概率。另一方面，有些事故在运行中是不常出现的，值 班员甚至在长达几十年的工作中都没有处理该事故的经验，一旦事故发生要求值班 员迅速做出正确地处理可能比较困难。再者，培训仿真机可以不介入实际的电网， 可以放慢事故发生的过程，又可以回到事故前状态，而且可以不断重复事故及操作 过程。这样培训仿真就可以给运行人员提供详尽的对事故及操作的感性认识与实际 经验。事实上，原电力部已有规定，凡电力系统的运行及管理人员都必须通过仿真 培训，取得培训合格证才能允许上岗。据统计，电力系统自有仿真培训以来，国内 各大电网由于人为误操作造成的事故逐年减少，这足以说明仿真培训是非常有效 的、非常必要的。电力系统仿真培训装置的使用，可以间接地创造出巨大的经济效 益和社会效益n 2 “。 华北电力大学硕士学位论文 1 。1 。2 电力系统仿真培训的主要任务 1 ) 通过培训电力系统运行人员，使其能够熟练地掌握发电机组在各种工况下的 启动和停运操作与正常运行时的监视调整。同时训练和提高运行人员在事故状态下 正确分析、判断和处理事故的应急能力。 2 ) 培训技术人员和管理人员。通过仿真机的培训，提高其基础技术水平和运行 管理水平，同时增强其对机组运行和事故分析能力。 3 ) 对运行人员和技术管理人员的定期轮训及上岗、晋级前考核，提供能客观反 映其实际操作能力和分析判断能力的手段。 4 ) 通过对不同运行方式的仿真试验和分析，改进、优化操作方式，完善运行规 程，同时提供事故分析指导，为制定反事故对策和反事故措施提供验证环境。 5 ) 通过对机组控制和保护系统的仿真实验，进行状态分析和验证，并寻求控制 和保护系统的最佳楚定值。 6 ) 在完成上述任务的空余时间，可利用仿真机的资源进行仿真技术及其他领域 的研究和开发”。 1 2 国内外火电厂仿真技术研究动态 电力生产仿真机可直接用于生产运行和管理的技术培训，也可用于优化运行的 研究。根据电力工业发电、输电、配电的特点，应用于电力生产的仿真机可以分为 单元机组培训仿真机、电力系统调度培训仿真机( d t s ) 、变电站培训仿真机三大类。 单元机组培训仿真机覆盖了机、炉、电和热工四大专业的内容，研制和开发难度较 大，d t s 及变电站仿真机用于培训电气值班员。 从国内外仿真机发展来看，应用于电力工业仿真系统的技术指标、功能、硬设 备组成等基本是一致的，没有显著的区别。仿真机的典型硬设备组成可参见图卜1 。 由图可以看出，电力系统培训仿真机硬件主要由以下几部分组成： ( 1 ) 主计算机系统：包括足够容量的内外存储器，足够运算速度和相当数量 的人一机交换设备。 ( 2 ) 0 接口：包括各种相关参数的输入和输出等。根据仿真的范围和内容不 同，输入输出通道数也不同。 ( 3 ) 复制被仿真电厂、调度中心、变电站等控制室盘台及环境。这部分内容 可根据需要对操作盘的个别仪表进行改装，也可以采取大屏幕投影等方 式实现。 ( 4 ) 教练员台：选择训练内容、启动工况、改变参数、监视操作、人为故障 现象设置及对训练过程发出各种指令，如冻结，解冻，重演等 ( 5 ) 就地操作站：可以仿真控制室外部的现场操作，如各种就地阀门操作。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 ) 工程师站：完成建立和修改程序模块、检查运行情况、在线及离线开发 等其他工作。 图1 - i 电力系统培训仿真机典型硬件结构图 由培训仿真机系统的共同硬件设备组成可以看出，培训仿真机的发展与计算机 技术的发展是密切联系的，大致经过了以下几个发展过程： ( 1 ) 7 0 年代，这个时期计算机存储容量小、运行速度慢，这时的各厂商尚无成 熟的仿真软件支撑系统，仿真机的开发工期长、效率低、成本高，仿真机的技术水 平也比较低，这一时期在国际上为电站仿真技术的低速发展阶段。我国清华大学从 1 9 7 4 年开始了火电机组仿真系统的研制工作，并于1 9 7 8 年开始研制2 0 0 m w 火电机 组培训仿真机。 ( 2 ) 8 0 年代，出现了3 2 位小型数字计算机，速度快、存储容量大、总线速度 高、i o 能力强，并有强功能的实时操作系统和高级算法语言等特点。此时世界各 大公司的仿真软件开发支持系统更加完善和成熟，普遍采用了模块化建模技术。这 一时期世界上主要仿真公司仿真机的开发工期缩短，效率提高，成本降低，这是电 站仿真技术的高速发展阶段。 ， 1 9 8 8 年5 月清华大学热能系和华能发电公司成立华电计算机仿真公司。原华北 电力学院成立了仿真与控制技术研究所，电力部西安热工研究所，南京工学院、哈 尔滨工业大学仿真技术中心等都在研制电站仿真机。 随着我国3 0 0 m w 和6 0 0 m w 火力发电机组数量的迅速增长，给我国电站仿真机的 发展创造了良好的机遇。8 0 年代中期，开始研制d t s 和变电站运行人员仿真培训i 系 统。这一时期是电站仿真技术的潜在发展期。 ( 3 ) 9 0 年代，随着高性能计算机服务器和工作站的推出，导致了这一时期适合 华北电力大学硕士学位论文 于开发电力工业仿真机的计算机种类很多。计算机网络硬件和软件的发展，使仿真 机教练员台、就地操作仿真等可以从主仿真机上脱离出来，图形图像技术和多窗口 技术的发展，使教练员台人机界面更加美观和友好。国内外著名的仿真公司都对其 仿真软件支持系统进行了改造，使仿真软件支持系统的技术有了一个新的飞跃。仿 真机开发工期缩短，成本降低，提高了仿真机水平和质量。9 0 年代的电站仿真技术 在高速发展的同时进入了成熟的时期“5 “”。 在单元机组仿真机得到发展的同时，d t s 和变电站仿真机发展也很快。 到目前为止，国内已经建立了一批具有很强实力的仿真公司，比如保定的华仿 科技公司，广东亚仿科技股份有限公司，清华大学和四方公司仿真事业部等。 电力工业培训仿真机要做到真实再现电力工业过程，保证可信度，需要在外部 感受和物理过程两个方面达到真实再现。外部感受上真实，即复制控制室的布局、 操作盘台的结构及仪表开关的再现，这些比较容易实现。物理过程的真实性，即建 立准确的实时仿真数学模型，这是培训仿真机的关键及难点所在。仿真机的过程模 型应按被仿真对象的物理过程建立，以便适应各种工况和事故过程的仿真，能建立 动态模型的就不要用静态模型来代替。电力工业仿真机过程数学模型多采用模块化 建模方法，把大系统分解为子系统，子系统再分解为小子系统直到组成单元。模块 的划分是相对的。根据仿真目的和对象的不同可采用不同的模块划分方法。 仿真软件的发展大致经历了四个阶段： ( 1 ) 6 0 年代，采用通用的程序设计语言 ( 2 ) 7 0 年代以后，仿真语言产生，比较有代表性的有美国仿真委员会开发的系 统仿真语言c s s l 、c a c i 公司开发的s i m s c r i p t 、宾州大学开发的c s s 等。 ( 3 ) 1 9 8 4 年以后，一体化智能化的建模与仿真环境形成。这一时期国外比较著 名的软件有a c s l 、i s i 等，国内有i c s l 2 、i h s i 等。 ( 4 ) 8 0 年代末至今为系统级仿真支撑软件的发展。随着仿真技术的不断发展， 大型复杂系统的仿真通常是数十个甚至数百数千个同时运行的仿真系统的集成。人 们开始构造以网络环境为硬件背景的大规模仿真系统。其支撑软件逐步发展为支持 大型系统仿真开发、运行和维护的系统级支撑软件。系统级仿真支撑软件标准主要 有c o r b a 标准和i e e e l 2 7 8 h l a 标准。我国在仿真方面也有了很大发展，如在电站 仿真机研究方面有华仿的s t a r 一9 0 ，亚仿的s 3 ，四方的g i s s 2 0 0 0 等。 现在的仿真机将朝着以下几个方面发展： ( 1 ) 大屏幕投影设备被应用到培训i 仿真机中，利用大屏幕投影设备代替实际控制 盘将减少占地面积，减少投资，增加培训方式的灵活性。 ( 2 ) 单元机组培训l 仿真向培训与研究兼容的方向发展，使仿真机既可以培训工人， 又可以为各种工况下运行技术的分析和控制系统的研究制造提供实时和在线的环 境，使得将仿真机作为实验台进行技术分析和控制系统的研究成为可能。 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 分布交互仿真技术可以把在不同地点、不同层次的局中人及相关设备联结在 一起，进行交互仿真m “7 、”。 1 3 本文的基础与目的 北京四方同创继保自动化股份有限公司是国内首屈指的专门从事电力行业相 关设备与软件研究开发的大型公司，其仿真事业部也是国内重要的仿真机开发制造 商。g i s s 2 0 0 0 系统是四方公司仿真部拥有自主知识产权的仿真建模软件，该系统为 采用f o r t r a n 语言的模块化建模软件，至今已为很多家电力企业成功的制造了仿真 机，并完成了对其运行人员的培训，取得了良好的经济与社会效益。日前，四方公 司仿真部进行了江苏利港发电有限公司一、二期3 5 0 m w 自然循环汽包炉和三期6 0 0 m w 直流炉的全工况动态仿真机的开发与调试工作。作为国内非常重要的仿真机生产企 业，其建模软件的完善与否直接影响到对运行人员的培训，进而影响到电厂的实际 运行安全。本文将首先分析利港电厂全过程动态仿真机的开发与调试工作。其次， 将结合利港项目对四方公司仿真部g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统锅炉部分进行静态与动 态分析，以期能够说明其优点、找出其不足，进而能够对四方公司仿真部完善 g i s s 2 0 0 0 系统，更好地为仿真机使用者服务提供帮助。 。：兰j i 皇垄查兰堡主兰竺笙奎 第二章g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统及利港项目 2 1g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统及其建模理论 2 1 1g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统及其特点 由第一章我们可以知道，一台仿真机的组成需要包括硬件与软件部分，而这个 软件部分就是仿真支撑系统。各个仿真机制造厂商所制造的仿真机的根本区别就在 于使用仿真支撑系统的不同，四方公司仿真事业部的显著特点就是其g i s s 2 0 0 0 仿 真支撑系统，它由f o r t r a n 语言编写，具有建模简单明了、条理清晰、易于修改等 优点。g i s s 2 0 0 0 系统模型软件的基础是模型算法库，它是以火电厂常规部件、局部 过程、基本算术运算和基本逻辑关系为基本单元，以能量、质量、动量平衡原理为 基础，以变量微分方程法为基础，严格按照物理机理建立的一种面向发电机组热力 系统和电气系统的模块式算法库。 这些算法有通用算法和过程算法两大类。通用算法是完成基本算术或逻辑运算 的算法，如加法器、减法器等；过程算法是针对发电机组生产过程中常规设备或部 图2 1 软件的功能结构示意图 件而专门建立的算法。如汽 包算法、过热器算法、p i d 调 节器算法等等。算法建好后， 一般不需再作调整。建模时， 模型工程师只需对模块参数 进行设定或调整即可。必要 时，用户可以根据自己的需 要对原有算法进行修改或增 加新的算法。g i s s 2 0 0 0 集成了包括机、炉、电在内的共4 2 0 个算法，并可根据需要 进行增减。该支撑系统能够实现如下几个主要功能： ( 1 ) 冻结运行 “冻结”使模型暂停运行，“运行”使模型恢复运行，两个状态必居其一。模 型冻结后，在监控系统中看到的电力系统数据处于停顿状态。 ( 2 ) 工况控制 工况控制包括复位、快存两个操作。一个工况记载了模型在某个瞬间的所有变 量的值，它是仿真机的某个状态，也是教练员进行培训的环境条件( 比如起动工况、 满负荷工况) ，包括了所有重要的参数值，如温度、压力、开关位置等。复位可以 使仿真机恢复成某个工况状态，然后开始仿真。快存操作可随时进行，教练员可根 华北电力大学硕士学位论文 据需要采集有特色的瞬间作为工况保存起来，供以后复位用。 ( 3 ) 返回跟踪 返回跟踪功能允许仿真机返回现时之前处于某个仿真状态，然后开始运行。这 个功能方便教练员“回忆”刚才的某个感兴趣的状态，并可加人一些不同的操作。 这是一个相对于时间变量的工况概念，弥补了仅仅有特色工况的不足。 ( 4 ) 故障 故障是指仿真的电力系统的各种故障，它们事先存入在模型里供选取，可以组 合发生。教练员可以随机加入故障，亦可规定在一个时间延迟后加入。故障处理的 培训i 是电力仿真培训的核心内容，培训教案即是工况与随机发生的故障或按时发生 的故障的组合。因而故障灵活多样的启动方式具有重要现实意义，它提供给了教练 员全方位、立体化设置故障的能力。这对于提高培训效能、开发仿真机培训潜能起 了重要作用”1 。 g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统的界面可以参看图2 2 。 图2 - 2 模块列表，算法列表，故障列表 2 1 2g i s s 2 0 0 0 建模原理 华北电力大学硕士学位论文 g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统采用工程模块化、集总参数法与流体网络建模理论“。 2 1 2 1 工程模块化建模 传统的建模方法是根据具体的研究对象建立相应的数学模型，亦即所建立的数 学模型只能适用于特定的研究对象而不具有通用性，而且工作量大、建模周期长， 模型的调试和修改都不方便。因此，g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统采用了工程模块化建模 方法。其基本设计思想是将待开发的系统分解成若干个功能独立、可分别设计、编 码和调试的模块，每个模块有其独立性并可完成一种特定的功能。以火电厂仿真模 型为例，对于不同的自然循环机组，无论其容量大小、制造厂家如何，组成它们的 同类设备从其原理上来说是相同的，比如汽包、管式加热器等，不同的机组甚至同 一机组中也可能有多个同类设备，为此把这些设备构件作为建模的基本单位，建立 同类设备的算法。由于同类设备也会有不同之处，如加热器有不同的容量等，为了 使算法具有通用性，在每个算法中设计了一组可修改的系数。建模时调用算法库中 的一个算法，并赋予算法模块系数特定的数值，即可建立一个特定设备或过程仿真 模型，并以一个模型模块的形式存在。将所建立的各个设备的模型模块，按照实际 系统的设备流程中的参数流向，通过相关模块的输入和输出变量的连接，实现数据 在模块间的传递，从而构成一个系统的仿真模型。系统仿真模型的模块间的连接关 系呈网状结构，以复现系统工作过程中的相关参数的相互影响关系。整个建模过程， 无需对模型源程序进行人工操作，只是对设备模型模块进行简单的连接操作，因此 被称为工程模块化建模“”。 采用工程模块化建模方法对系统进行建模和仿真的一般过程是： ( 1 ) 进行系统分析，将系统按功能合理分解成各个子系统，直到基本的设备或过 程单元。 ( 2 ) 分析各个基本的设备或过程单元的工作过程，提取其共有属性，根据研究目的合 理简化，建立其通用数学模型，并将数学模型转换成仿真算法。为提高算法复用 率，提高建模效率，其结构应标准化。 ( 3 ) 以过程算法库为基础，按照仿真对象系统的工作流程将各个基本设备或过程单元 模型综合集成为各系统仿真模型。 自“底”向“上”，根据实际系统的设备或过程流程，直接调用过程算法库中相应设 备的算法，并输入各仿真模块的结构或固有特性参数，即创建了一个设备或过程的仿真 模型模块。根据各设备的工质流程，将各仿真模型的输入和输出通过变量名连接起来， 从而构建成一个子系统仿真模型。 图2 3 、2 - 4 所示为各个子系统分解与模块化集成过程 华北电力大学硕士学位论文 眄 眄 眄 汁引引引引 l _ jl j【_j 冈网困 川 图2 3 系统分解示意图 图2 - 4 子模型集成示意图 图2 5 所示为采用模块化建模方法，建立机组仿真模型的全过程 9 华北电力大学硕士学位论文 将系统分解为若干子系统 分析子系统机组设备的结 构与工质流程 从仿真算法库中选用对应 设备或过程的算法 建立相应设备或过程的模 型模块 各设备模型模块按实际系 统流程搭接成机组的仿真 模型 给每个模块的系数赋上设 备结构特性参数 给出模型的初始条件 仿真模型运行 芝苎堂苎：夕百 l 满意 仿真结果处理及输出 图2 - 5 模块化建模过程 在 线 修 改 模 型 2 1 2 1 1 仿真模型算法建立举例 单相介质换热器在锅炉部分的仿真中应用很广，各级过热器、省煤器和再熟器 都可以通过单相介质换热器来仿真。实时仿真模型更多关注的是宏观特性，因此在 换热机理的基础上可以对其工作过程进行必要的简化，建立单相介质换热器特性的 动态模型。此外，汽包对于自然循环锅炉机组来说，也是具有代表性的设备。下面 将重点讨论上述两种设备的模型算法的建立。 耀1 一 q 。 懈 g i s s 2 0 0 0 仿真支撑系统单相介质换热器算 法可以仿真换熟器的动态传热和流动过程。对 换热器的外部积灰和管壁泄漏等过程也给予 i 一 仿真。它将换热器简化为一根无限长的单管， 一 i 质忽略沿管壁轴向的热交换。将换热过程分为烟 ” 气与管壁的换热、管壁与工质的换热，考虑金 1 属管壁和工质的蓄热。简化图如图2 - 6 。 图2 - 5 单相介质换热器换热模型 l o 华北电力大学硕士学位论文 在建立了数学模型后，还要将其数学模型转换成计算机可以识别处理的计算机 程序，即仿真算法，才可以进行模型运算。数学模型中的代数方程在转成计算机程 序时，一般无须特别处理。而数学模型中的微分方程则需要采用一定的数值方法迭 代处理。对于常微分方程可以采用的迭代方法有欧拉法。欧拉法的计算量小，形式 简单，适于实时仿真，在实时仿真算法中的应用较多“、”、“1 。 单槌介质换热器数学描述“”1 ： ( 1 1 换热系数： 烟侧换热系数为： 对顺列管束，即第1 8 个输入c o f ( 1 8 ) = l 时 4 f = ( c o f ( 1 ) + c o f ( 2 ) 阡0 1 0 6 ( 1 一s ”c 蹦 ( 2 1 ) 对错列管束则 4 = ( c o f ( 1 ) + c o f ( 2 ) x l “( 1 - s ) ) x c p 肼 ( 2 2 ) 工质侧换热系数： 4 = ( c o f ( 3 ) + c o f ( 4 ) 1 。8 0 0 0 - f c ) l o o ) c 肛x 删m ( 2 3 ) 上述各式中，考虑了低流量下对传热系数的修正，可采用两种办法修正。 如c o f ( t 2 ) = 】则修难系数为 c w = c o f ( 1 3 ) x l ( 2 - 4 ) c m = c o f ( 1 4 ) m l ( 2 - 5 ) 甜则 c 。= 1 ( 2 - 8 ) c m = 1 ( ? 一7 ) 如c o f ：( 1 3 ) = l 则有 朋1 = 阡k 1 c o f ( 1 3 ) ( 2 8 ) f h 2 = m c o f ( 1 4 ) ( 2 - 9 ) 当册1 c o f ( 2 2 ) 时 ，二= ( f h l c o f ( 2 2 ) ) c o f ( ：一1 0 ) 当f h 2 c o f ( 2 2 ) 时 f h m = ( f h 2 c o f ( 2 2 ) ) c o e 2 。 ( 2 1 1 ) 不修l ：时 f h 。2 、 f h 2 1 狄污系数s 与吹灰器j ：作状念柏关。 当吹灰时： 华北电力大学硕士学位论文 s = s + 群 6 0 当吹灰器不： 作时： s = s 。+ 兰筹 l ，z 一一 6 0 ( 2 ) 换热方程； 烟气侧放热量： o 。= 爿f 0 。( ( t - + t 2 ) 2 一t m ) ： ：质i 致热置： o ，= a r 。( t m 一( 耳l + 耳：) 1 2 ) 另外：= 。+ 睨“= c m 睨m 目。2 = 形m 1 一m = ( ，+ 2 ) 2 矽，= ( m 1 + 矽m 2 ) 2 ( 3 ) 能量平衡方程： 对于金属管壁： d ( m m 了c p _ m t m ) ：o 。一a ，+ 线。一 d 彳 。 瓯。= h t a ( t m t a ) 对于汽水： 掣：，q ，一：h i ：+ q f 盯f 。 。 列于烟气 掣：i c p g l 铲2 c r 。2 铲绯 对l 述微分方程采用欧拉迭代法可得 1 2 ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 】4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 j ( 2 一1 9 ) ( 2 - 2 ( ) ) 华北电力大学硕士学位论文 ，2 _ h 1 2 4 玎一m s 盟l 坠 d r ( 2 - - 2 1 ) 毛：瓦：1 + 坠芷关叠蔓堡( 2 - 2 2 ) 屯2 “盯+ 1 函蓊_ 一 d r 在进行数学方程转换时假定其热容m m c p m 、m g c p g 和工质蓄存量m s 为常 数。 ( 4 ) 参数说明： g 、q ，一烟侧放热量和工质吸热量 o 、a f l r 。一一烟气、工质的换热系数 。、：一一烟气入口、出口流量 k ，、w 肛2 一一工质入口、出口流量 c 时c 。一一低流量下对放热系数的修正 f h f h n 。一一低流量下对热系数的修正 s 一一灰污系数 k 。一一积垢系数 s 。、s 。一一故障下积灰系数及最大积灰系数 t c l 、t c 2 一一清灰及积灰时间常数 、幽、c 。一泄漏流量、最大泄漏量和泄漏程度 t m m m c p m 一一金属壁温及热容 q 。、q 。：一额外吸热量及散热损失 h t a 、t a 一散热系数及环境温度 m s 一工质蓄存量 疋。、t ：一一烟气进出口温度 昂，、巧：一一工质进出口温度 、，一一平均烟气流量和平均工质流量 日n 、日r ：一一工质进出口焓值 m g c p g 一烟气热容 汽包数学描述( 假定汽包中汽水完全分离) “”： ( 1 ) 汽包存水量计算： 根据质量平衡有： 等：耽+ 一一w e 目。( 2 - 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 按陵拉公式展j 1 ：有： m l = 纪+ ( f 跆+ 一降0 m w e w 一) 水位= k l 拖 t 2 ) 存水焓计算： ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 为保证数学运算不出现溢出现象，在能量平衡中加入个常数，目以汽包模块 中第 一个系数( c o f ( 1 1 ) ) 替代，其结果不影响j f i 常计算。 根掘能罱平衡有： d ( h r ( c o 万f ( 1 1 3 一+ 2 坦) ) = w e ( h e 一巩) + 。一巩) 一。一眈) 一统 ( 2 - - 2 6 ) 运用欧拉法展开并移除同类项可得： 即即坚迷磬案挚( n _ 2 7 ) 其中吼为液体传给汽包底部金属的热量： 绋= a 。也一) ( 2 - 2 8 ) 且d b = 口1 + a 2x 巧m z w e ) ( 2 2 9 ) t 3 ) 汽包底部金瘸壁温计算 根据能量守恒有： _ a l u c , r m ) = l i bx 0 j 一7 k ) 一口。q k l ) a t 按照欧拉法展开并移除同类项得 ：绀垡掣鱼虫趔 首栅一 ( 4 ) 汽包顶部金属壁温计算： 根据能爨守恒有： 氅掣码x 伍一k h 。训 1 4 ( 2 3 0 ) 他3 1 ) ( 2 3 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 按照欧拉法展开并移除同类项得 = 聃垡掣鱼迎创 苛扣一 ( 2 - 3 3 ) ( 5 ) 汽包压力计算 在以后关于流网的叙述中，我们认为流量可用近似的平方根关系予以仿真，即 如下形式：形= c p 1 一户2 ) “2 ，此处我们在计算主蒸汽流量与放汽阀流量时就采用 这种形式。 、 经计算整理得： 其中 叱、型堕冬者昔掣妲删， d t 。 。= k 。( h 。一h ，) 毋2 丽c y ( 6 ) 参数说明： m l 一一汽包存水量 日。一一汽包水焓 一一汽包底部金属壁温 l 。一一汽包顶部金属壁温 。一一汽包压力 k l 一一水位转换系数 暇。、。，一一上升系统进入汽包的水、汽流量 w 。一一一进入下降管的水流量 w e 胪。一一额外排水、排汽量 耽、胁一一省煤器出口流量及焓 日一、。、日，一一上升系统水焓、饱和汽焓、饱和水焓 口。、口，一一汽包内底部、顶部换热系数 删、口。一一汽包内底部、顶部散热系数 毋一卯 c。一，m 一压 磅击 p l i = ， 们 取 华北电力大学硕士学位论文 l 、不一一汽包水温和温 足。一一动态蒸发系数 n 、4 一一蒸汽体积及压缩系数 c 。、c ，一一汽包主蒸汽管导纳，放汽阀导纳 乓一一主蒸汽压力 。，一一动态蒸发量 们。一一金属热容 0 1 、口2 一一传热系数( 系数3 ，4 ) 2 1 2 1 2 通用模块化的结构设计 仿真算法的通用化和标准化的设计是提高建模等的效率的基础。为实现算法的 通用化，首先把仿真模型的过程参数与设备的固有特性参数和结构参数分离，独立 设置；为实现算法结构的标准化，将每个仿真算法的结构设计为三部分，即输入输 出和系数，输入和输出代表设备的过程参数，系数用来设备的结构或固有特性参数。 由前所述，g i s s 2 0 0 0 仿真系统的模块化建模方法首先将复杂大系统分解为由 定功能的设备或过程单元组成的系统，然后建立系统中同类设备或过程单元的通用 仿真数学模型，并将其转化为此设各或过程的仿真算法，再将各个设各或过程的仿 真算法集合为算法库。在系统建模时，则根据实际系统的流程，通过调用算法库中 相应设备的仿真算法、，并将各设备模块过程参数的变量名连接起来即完成了系统的 建模工作。 下面以上述建立的单相介质换热器的数学模型为例，讨论将数学模型转化为 g i s s 2 0 0 0 仿真系统仿真算法的处理。 输入参数结构特性系数输出参数 图2 - 7 换热器的仿真算法结构示意图 将单相介质换热器数学模型转换成算法库的一个通用算法( s r e h t r ) ，其算法结 构如上图所示，其输入、输出及系数随运行工况与设备结构而变化。对于锅炉机组 1 6 华北电力大学硕士学位论文 的过热器、再热器和省煤器系统，其各段对流式受热面的动静态特性均可用s r e h t r 算法来仿真，并通过各段受热面的仿真模块输入与输出变量的连接，构成整个系统 的仿真模型“”3 。 算法输入、输出及系数说明： 输入变量： 1 入口烟气流量 2 散热系数 3 入口烟温 4 入口烟压力 5 入口工质流量 6 入口工质焓 7 入口工质压力 8 额外吸热量 9 环境温度 1 0 泄漏程度 1 1 积垢系数 1 2 吹灰器工作状态 1 3 积灰系数 1 4 三原子气体份额 1 5 一氧化碳份额 1 6 氮气份额 1 7 水分份额 1 8 氧气份额 1 9 结焦故障程度 2 0 机组功率 输出变量： l 出口烟气流量 2 出口烟温 3 出口工质流量 4 出口工质焓 5 出口工质压力 6 出口烟气压力 7 金属壁温 8 入口工质温度 9 出口工质温度 】7 华北电力大学硕士学位论文 1 0 泄漏流量 1 l 烟气传热系数 1 2 工质传热系数 1 3 金属传给工质的热量 1 4 烟气传给金属的热量 1 5 饱和温度 1 6 饱和水焓 1 7 饱和汽焓 1 8 积灰系数 1 9 散热量 2 0 烟气侧修正系数 2 1 工质侧修正系数 2 2 辐射放热系数 2 3 三原子气体份额 2 4c 0 份额 2 5n 2 份额 2 6h 2 0 份额 2 70 2 份额 系数变量： 1 传热系数 2 传热系数2 3 传热系数3 4 传热系数4 5 散热系数 6 工质蓄存量 7 金属热容 8 清灰时间常数 9 积灰时间常数 1 0 最大灰污系数 1 1 最大泄漏流量 12 低流量修正系数 1 3 烟气流量修正系数 1 4 工质流量修正系数 1 5 烟侧阻力系数 1 6 工质侧阻力系数 18 华北电力大学硕士学位论文 1 7 辐射放热系数 1 8 顺列管速标志 1 9 低流量修正选择 2 0 烟侧换热系数修正 2 l 工质侧换热系数修正 2 2 换热系数修正界限 锅炉汽包的模块化设计也可以按上述方法建立，各参数如下。同样，锅炉系统 中其他设备模块化设计均可以通过上述方法实现“埘。 输入变量： 1 上升管出口流量 2 上升管出口干度 3 上升管出口焓 4 主汽压