（动力工程及工程热物理专业论文）360mw火电机组汽轮机汽水系统实时仿真.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 为了高效、合理利用能源，电站热力系统向着更加复杂化、大型化和多样化 的方向发展，机组容量、参数不断提高，系统结构日趋复杂。为了确保电站机组 的安全性与经济性， 人员培训成为一个非常重要的环节。 本文根据 mms 提供的平 台，分析用其开发仿真培训装置用对象模型的可行性。 本文在分析、 收集和阅读相关资料的基础上， 深入学习和分析了 mms 的特点 和使用方法。应用该软件平台，根据仿真的目的，在适当的假设和简化基础上， 建立了 360mw 机组汽轮机汽水系统实时动态模型，进行了主蒸汽流量扰动、负荷 降低至 75额定工况仿真试验、低压加热器蒸汽流量及凝结水流量扰动、一台循 环水泵停运、循环水温升高等仿真试验，仿真试验表明，所建模型具有较高的精 度，计算速度快，可以用于建造仿真培训装置。 本文建立的 360mw 汽轮机系统实时模型以及对其仿真试验分析可以对电厂 仿真培训提供一定的指导作用。 关键词：mms 仿真环境，实时动态模型，汽轮机，动态特性，建模，动态特性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii abstract abstract simulation technology is in a very important position in power station thermal system .tto utilize energy efficiently and reasonably, the capability and parameters of boiler is developing towards the trend of greatness and the boiler in structure is developing towards the trend of complication. tthe capability and parameters of unit is developing towards the trend of greatness and the unit in structure is developing towards the trend of complication. in order to ensure that the unit runs safely and steadily and economically, it is important to study dynamic characteristic of unit.the personnel training is very important in the article the author analyzes the feasibility that exploring the simulation training equipment with the advanced software mms. the author studies the characteristic and operation of mms deeply after gathering, analyzing and reading the reference. according to the requirement of the simulation experiment, on the basis of somewhat hypothesis and predigest, the dynamic model of turbine system for 360 mw units is established. otherwise, the experiment about feedwater flux change in low pressure heater, the malfunction of the cool water pump of the condenser, temperature rise of the cool water and so on are made. the experiment result shows that the model made is precise enough and runs fast, which can be used for establishing simulation training equipment. keywords: mms simulate environment, dynamic model of real time capable, turbine, modular modeling，characteristic of dynamic 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 科学技术发展到 20 世纪末，系统仿真学科已经形成较为完善的体系。由于仿 真技术具有有效性、可重复操作性、经济性和安全性的特点，目前，其已在航空 航天、化工、电力、核能，冶金、机械、交通、国防等部门得到广泛应用和发展。 广泛应用取决于两个因素，一是当今计算机硬、软件技术的飞速发展进步；二是 各个工业部门在技术进步中的迫切需要。越来越多的人们已体会到，仿真是一种 先进的、经济的、实用的、有效的技术手段。电站计算机仿真技术已经成为了一 门以多学科多专业的理论为基础，计算机和各种物理效应设备(它再现真实世界环 境)为工具对真实电站发电机组进行仿真的技术1。电站计算机仿真技术的应用从 最初的核电发展到今天的火电、水电，其应用和研究范围越来越广。运用电站计 算机仿真技术可以安全、经济、灵活地获得机组动态特性，它是迄今为止研究机 组动态特性的最方便和最有效的方法。 1.1 电站仿真技术的发展 1.1.1 电厂仿真培训的重要性 电力生产的运行过程首先应确保生产的安全性。因此，运行操作人员必须经 过严格的训练才允许上岗操作。20 世纪 50 年代之前，电厂的热力系统和 电气系 统相对比较简单，技术发展 和更新比较缓慢。多数工程人员经过一段时间的实际 运行操作，取得经验后，可以适应电厂运行技术要求，故对加强人员培训的需求 并不强烈。又加上当时的计算机技术水平也不能满足仿真技术的要求 ，所以电厂 人员的技术培训工作采用以师傅带徒弟的办法进行。发展到 20 世纪 60 年代，先 进国家的生产和生活对电力需求量迅速增大，需要更大量、更安全 的电力供应和 高效的发电设备，促进电力系统和发电设备向高参数、大容量发展，如单机 500-1300mw 的发电容量、超高温超高压以及超临界参数火电机组的出现。随着 单机容量越来越大，就要求更多地考虑发电的经济性，使工艺系统设计得非常复 杂，相应的控制室操作盘台规模越来越大，监视和操作参数多达数千个，设备的 启停过程和事故处理过程越加困难。操作人员若不预先经过有效的培训，将更加 难以掌握运行操作技术。同时，由于电子技术的发展，促使电厂自动化程度越来 越高，由常规的众多单回路自动控制系统发展为机一炉协调控制。到 20 世纪 80 年代进而发展为计算机集散控制，大量采用计算机屏幕进行电厂的操作，反过来 控制操作盘台又由大规模的仪表和操作设备缩小为小规模盘台，甚至完全精简到 没有操作盘台。这些技术上的快速进步，势必造成运行人员对发电设备和生产过 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 程的干预机会减少，运行人员的技术水平也难以提高。所以运行中一旦发生设备 事故或自动控制失灵，运行安全性更难保证。美国规定每一个操作员必须在 1:1 的全范围高逼真度的仿真机进行培训，合格后方可被录用为值班操作人员。我国 在 20 世纪 70 年代开始了电力工业的第二次迅猛发展 ，且持续长期发展。仅以第 八个和第九个五年计划为例， 每年以 150180 万 kw 装机容量建设新的发电厂。 其中火力发电厂燃煤机组占装机容量的 l5%和发电量的近 80%。新机组的大部分 运行人员没有实际运行经验，只是经过短期跟班实习，并未完全掌握运行技术就 进入了运行岗位。 1.1.2 电厂仿真培训的必然性 电力工业的培训由 20 世纪 70 年代之前采用师傅带徒弟方式发展到采用高科 技的计算机仿真技术，是有其必然性的，而且在发展中受到三个发展关键因素的 影响。第一是发电设备的事故已经构成对人们的危害，包括对人身、设备和社会 的危害 。例如，核电站由科研阶段发展到在电力工业中普遍得到应用，它的安全 性不仅关系到社会对电力供应的需求，更重要的是关系到核事故对社会造成可怕 的危害。因此对运行人员的技术水平、操作技能、应变能力、心理素质、工作态 度等都提出了严格的要求。而且要求运行人员必须在上岗之前加以严格的培训， 以尽可能在上岗后不致因操作失误而造成严重的后果。美国三涅岛核电站和前苏 联切尔诺贝利核电站两次严重的核泄漏事故不仅造成设备损坏，而且因核辐射造 成周围数十公里人畜大迁徙和核辐射后遗症。这两次事故都与运行人员的运行技 术不成熟有直接关系。因此两次事故的调查委员会曾分别提出， “三涅岛事件的深 刻教训之一是操作人员的培训很不充分，他们应该在完全仿真电厂控制室的仿真 机上进行培训，这种仿真机应有高度的动态过程真实性” 。切尔诺贝利事件的重要 教训之一是应对所有运行人员进行重新培训和鉴定，新职员应有预先培训，并建 立现代化的培训装置。 ”第二是发电设备及其相关技术的发展。20 世纪 60 年代之 后由于社会生产力的快速发展，刺激了电力供求增长，火电机组普遍出现单机容 量 为 600-800mw， 甚至出现 1300mw 的超大容量机组。 仅一台 300mw 火电机 组的输入/输出模拟量参数和开关量参数就多达 3000 个，其中监视参数 100 多个， 操作量 2000 多个，计算机屏幕上的操作画面达 300 多幅。这样的复杂系统和工艺 过程只依赖于 2-3 名运行人员操作和监视，难以长时间做到得心应手、头脑清楚 地操纵它。因此相应地促进了自动化技术、先进过程控制技术和计算机分散控制 系统在发电厂全面应用 。在正常运行过程中自动化技术和设备代替人员的操作， 运行人员直接参与操作的机会甚少。一旦发生故障和事故时，需要运行人员进行 处理，就显得运行知识不足，实际操作经验缺乏，最终导致事故扩大。轻者被迫 停机停产，重者设备损坏、人身伤亡。20 世纪 60 年代末和 70 年代初，随着数字 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 式计算机和计算技术的迅猛发展，为电厂仿真培训提供了进一步发展的条件 。使 用计算机可以方便地组成仿真系统和为仿真模型的算法提供灵活的技术环境 。这 是电厂仿真技术发展的第三个重要因素。 总之，仿真培训对电力生产的安全性起着至关重要的作用。对于 200mw 以上 的发电机组，其运行人员因通过仿真培训提高运行操作水平，能够在实际运行值 班中避免造成一次 3 天停机的事故，其发电直接经济效益就可以投资一台同容量 的培训仿真机。 1.1.3 电站仿真技术的发展 随着在民用工业中，仿真与建模发展最快的当属电厂仿真技术和培训仿真机。 其中包括核电仿真技术和火电仿真技术两方面。 从世界范围看，电厂仿真技术和仿真机的发展可以分为四个阶段。 1、萌芽阶段 这一阶段始于 20 世纪 50 年代中期，以采用模拟式计算机为计算机仿真的主 要象征，最初的研究重点是建模理论和局部设备的研究。1955 年，profon 首先把 仿真技术应用于锅炉的研究，他把研究分成建模理论燃烧模型和锅炉部件模型三 个部分，陆续的发表了许多又意义的研究成果，他的研究，既是电站仿真研究的 开端，又为以后的研究开辟了道路。1958 年，k.l.chien 等建立了第一个汽包锅炉 的模型，创立了小范围内线性问题应用于燃烧和给水调节研究的理论。到了 1960 年，j.h.daniels 等人对大型锅炉汽机单元机组动态分析的研究，经过 dalls 和 sauter 的现场对比试验和 thompson 的进一步完善，继续推动了仿真技术向全厂化 发展。 2、仿真机的发展阶段 这一阶段大致为 19681978 年的十年期间，特点是建模理论深入化发展以及 发展建模的大型化。1968 年 6 月，在美国建成了世界上第一台完全复制控制室的 沸水堆核电站培训用的仿真机，仿真对象是 dresden-2 核电厂 1 号机组，标志这全 电站仿真的开始。进入 20 世纪 70 年代，从水蒸气状态方程标准的制定到建立汽 包炉、直流炉数学模型，汽机数学模型，单元机组的数学模型，机组启动的模型 以及优化方面的模型，仿真内容更为深入，研究范围也越来越大。 3、电厂仿真机开发的成熟阶段 该阶段是 19791988 年，是先进国家大量发展全范围高精度的电站仿真机时 期。1979 年 3 月 28 日凌晨 4 点，美国三浬岛核电站 2 号机组发生核泄漏事件。这 一事件的深刻教训之一是操作员的培训很不充分，只在不甚了解电厂生产运行过 程的锅炉制造厂的仿真机上培训。因此，进入 80 年代以后，各种核电站仿真机得 到迅速发展，这也同时促进了火电站仿真机的相应发展。这一时期，美国国国内 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 火电仿真机发展到近 50 台， 日本也建立了 11 台核电仿真机和核 17 台火电仿真机。 我国清华大学在这一时期也开展了 200wm 机组电站发展装置的研究工作， 并取得 了可喜的成果。 4、电站仿真机在中国大力发展及未来发展趋势 进入 20 世纪 90 年代，西方发达国家特别是美、英、日等国家电力工入 20 世 纪 90 年代，西方发达国家特别是美、英、日等国家电力工业发展处于停滞状态， 因此它们的电厂仿真技术工业相应的也没有足够的发展。而我国电力仿真机在这 一阶段有着突出的发展。目前我国的火电仿真机的数量以占世界第一位，不仅如 此，我国已有能力出口电厂仿真机。1995 年 8 月清华大学完成了向巴基斯坦出口 我国第一台仿真机的任务，发展对象是木扎法格电厂 210mw 燃油机组。 同时由于 独立发展火电仿真系统核技术，开发成功面向对象、面向工程的模块化、图形化、 高精度的建模方法；有着独立研制成功的为支持仿真机的开发、调试、运行管理 等仿真支持环境软件。这些建模技术和支持软件于 1996 年出口韩国。我国成为世 界上电力仿真技术先进的国家。 特别是重庆大学在引进的 mms 的基础上， 率先开 发出模块化的通用微机电厂仿真工作站 sws，实际上是基于工程分析仿真器，在 国内有较大的影响。 1.2 电站培训仿真器和电站工程分析仿真器 1.2.1 电站培训用仿真器 一个典型的仿真器硬设备主要由以下六部分组成： 1、复制的被仿真机组的操作盘台。包括主控制室的操作台和显示屏，主 控制崐室外的就地操作盘台，如电气倒闸、疏水阀门操作等。对于配备 dcs(distributed control system)控制系统的电站，传统有盘台已被软化，成为以 crt和特制键盘组成的人机界面(mmi)。 2、数据通道接口。包括模数转换，数模转换，数字量入出等。 3、主计算机系统及辅助设备。包括具有足够大的内、外存空间，足够快 的运算速度和相当数量的人机交换的输入输出设备和显示设备。 4、教练员台。用于教练员选择训练内容、启动工况、改变参数、监 视操作，人为设置故障现象以及对训练过程发出各种指令，如打印参数、冻结、 重演等。该台采用计算机终端crt和键盘。 5、工程师台。它是可配置打印机或绘图仪的计算机终端(带crt和键盘)， 用于建立和修改模型程序，检查运行情况，在线或离线的其它开发和研究工作。 6、其它系统终端。用于其它用途的终端设备。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 仿真培训器的主要功能如下：启动工况选择；事故注入；运行工况冻结和追 忆；解冻、返回及开关状态检查；改变外界参数及设定内部运行参数；改变时间 标度；快速保存运行工况参数；事故打印及抽点打印；运行工况启动曲线图形显 示；学员操作评定考核。 从仿真的试验角度讲，仿真培训是一种演示性的仿真试验，而不是一种研究 性和探索性的仿真试验。因此，建立数学模型和仿真模型时强调的是对特定机组 的复制性和吻合性。其技术关键是保证所建数学模型和仿真模型的精度和实时运 行。 一个全复制型培训仿真器具有以下特点： 1、它应是机组的全工况模型。其适用的工况应包括机组的各种启动方式、 停机方式、非正常运行工况以及紧急事故工况下的运行。 2、它应是机组的全范围模型。数学模型应包括机组的全部热力过程、燃烧 过程、水动力过程，以及电气系统、机械系统、自动调节系统和逻辑系统的工作 过程，并能表达出它们之间的复杂的相互作用和影响。 3、 它应是能实时运行的模型。 即在计算机上过程的运行快慢程度应同实际 设备过程的变化速度一致。这除了从建立的数学模型予以保证外，还应从选择的 运算速度高的计算机和选择适当的仿真算法上予以保证。 4、它应是能保证有足够精度的模型。 5、以前为了保证实时，培训用仿真器通常是选用计算量小、占用内存省的 显式欧拉算法，然而，该方法的误差较大，不能保证模型有足够的逼真度。在最 新 mms 版本中培训用仿真器使用了不同的算法， 不仅能保证实时而且还使模型的 精度有了大幅度的提高。 综上所述，一个全复制型的电站机组模型是经过一定简化假设的，满足一定 精度的，非线性的，时变的，多变量的，分布参数的，多个子系统组成的，具有 复杂相互关系的巨大的微分方程组和代数方程组。 1.2.2 电站工程分析用仿真器 从仿真角度讲，工程分析仿真主要是一种研究性和探索性的试验，而不仅是 对原理和变量相互作用的一种演示。从应用的角度讲，工程分析仿真要及时准确 地分析解决工程实际问题，而不仅是人员培训。 工程分析仿真器具有以下特点： 1、它不需要全复制型仿真培训器那样有一套复制出的某种机组的控制室 和显示屏，甚至类似的控制室、显示屏都可以不要，除非该工程分析仿真器兼有 培训功能。 2、如同全复制培训用仿真器一样，一个具有全面功能的工程分析仿真器 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 应具有全工况和全范围的仿真能力。然而，在事故和扰动的设置上，比培训仿真 器应更灵活、方便和多样。 3、工程分析仿真与培训仿真不同，不限于特定的电站机组，而是具有通 用性和灵活性的仿真系统。 4、它不一定要强调实时，而是强调及时，即能快速地建模，快速地运行， 快速地得到分析计算结果，以便及时分析解决现场问题。 5、工程分析仿真器的数学模型和仿真模型要用于研究各种现在的和未来 的设备或系统的运行特性、运行方式；要选择合理的运行系统及其相应的控制系 统和控制策略；要预测和分析各种紧急事故、正常工况和非正常工况下系统的特 性和应变能力等。因此，数学模型和仿真模型的精度和深度大大高于培训用仿真 器。 6、为了保证仿真的及时性、通用性、精确性、方便性和多样性，它应有 预先经过验证的、通用的电站部件的代码化了的模块库或模型库；具有多种供用 户选择的仿真算法的算法库；具有存放已知数据、仿真结果的数据库；特别是还 具有多种计算机辅助建模和辅助分析工具。 1.3 模块化建模 1.3.1 模块划分原则 模块(module)的概念最先来源于计算机硬件，把一组或一个功能部件称为模 块，它是用名字调用的一段程序单元。模块化是指人们在设计程序时按某种原则 将程序分成若干小块。通常一个电站机组的动态仿真程序可能包括几万条语句， 如果把它写成一份大程序，难以读懂，更难调试、修改和扩充。为此，我们需要 有正确的模块化建模原则，通常模块划分应该遵循以下两点原则： 1、从程序设计的清晰性、可靠性、易维护性的原则出发来划分模块。 采用模块化、结构化的程序设计思想，将其划分成若干大模块，大模块又调用若 干中模块，中模块又调用若干小模块。在划分这些模块时，要考虑模块功能单一， 相对独立。衡量模块的独立性有两个指标，一是模块的耦合力，二是模块的内聚 力。耦合力是指模块间的信息联系及联系方式，内聚力是指模块内各成份(语句、 数据、程序段)的联系。耦合力小，则内聚力大内聚力小，则耦合力大。如果将密 切相关的成份分散在各个模块之中，就会造成很大的耦合力，反之，若将密切相 关的成份组织在同一模块中，内聚力增加了，则耦合力势必减小。程序设计的目 标是要求耦合力尽量小而内聚力尽量大。这样，每个模块可以单独地被理解、编 写、调试、修改和扩充，也可以防止错误在模块间扩散，因而提高了程序的可靠 性。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 2、第二原则从建模角度出发，现代电站热力系统结构、容量、型号多种 多样，但是它们的设备、基本部件相同或相似，它们基本工作原理、定律一样， 工作过程一样，只是物理结构尺寸，运行参数不同。如果以一种规范化的标准建 立这些基本设备和部件的数学模型，将它们开发成通用的基本模块(子程序)，以用 其方便地组合成不同类型、不同容量机组或其子系统的模型(程序)，必将大大降低 建模的复杂性，增加建模的通用性。加快建模步伐。这就是 mms 建模的基本出发 点。 建立在这一基本出发点之上的模块划分原则，除了满足第一原则外，还应满足以 下规定： 1、模块是组成热力系统模型的基本单元，热力系统动态模型程序是由这 些基本的模块子程序组成。 2、模块划分完全以独立的物理设备或部件为基础。比如，透平模块， 反应堆模块，过热器模块，阀门模块，锅炉汽包模块，水泵模块等。它们具有清 晰的物理边界和足够的物理独立性。 3、模块具有高度的数学独立性,既可以作为一个基本单元参加到一个较大 的系统中去，也可以单独地、不附加任何其它模块来仿真确定的物理设备。 4、模块具有良好的兼容性。为了保证在用模块组成更大系统时，模块间 连接的相互兼容和工质流动耦合关系(耦合力应尽量小)，mms使模块做到了四个 规范化，即流动属性规范化，连接关系规范化。信息供求规范化和命名方式规范 化。 1.3.2 仿真环境 12 13 14 仿真活动的支撑平台对于提高建模和仿真的效率尤为重要。为了能快速地自 动化的完成模块化建模任务，必须有一个适宜于建模的环境，这里主要是指要有 一个建模的支持软件系统。支持软件系统至少应有以下内容： 1、模块库。模块库中的模块是经过验证的，表征某个物理部件的，某种语 言写成的子程序。模块库可以方便地被访问，模块库可扩充，可修改。 2、模型库。存放建立的模型的地方。建立的模型以可执行文件方式随时准 备被调用。模型库中还应存放与模型配对的仿真试验文件。 3、 数据库。 以文件形式存放仿真结果或中间结果的地方， 以及存放其它文 件及表格的目录的地方。 5、算法库。提供各种仿真积分算法。 6、支持软件的操作管理系统。 7、支持语言：如fortran,acsl及其编译系统。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 8 现代仿真系统和分布式控制系统(dcs)工程，都使用支撑软件作为开发工具和 运行环境。国内外有关各公司均拥有自行开发的这类软件，比较著名的有加拿大 cae公司的rose，美国abb公司的cetran，法国汤姆森公司的flownet、 logenet和reganet，芬兰fortnum nuclear services ltd的apros，我国清华大 学的gnet，华北电力大学的star-90，重庆大学的sws等支撑软件。 rose系统的基本思想是实现图形建模，将各种设备以图符表示，通过管道实 现设备的连接，经软件处理后自动形成仿真模型软件，所以利用rose系统开发仿 真软件的过程与画系统流程图和组态图的过程非常相近。rose允许使用者使用对 象库中的组件来画出所仿真系统的流程示意图，从对象库中选择组件并将它们连 接起来就很容易的，因为对象图标和rose画出的流程示意图与实际系统中设备符 号和流程图非常相似。rose对所画出的图形进行处理，自动生成模型代码，对核 电站仿真机和常规电站仿真机，rose能够处理流体网络系统、电网分配系统和控 制系统。当上述3种系统完成后，rose将它们连接在一起，形成一个总体的仿真 软件，所需的文档由预先定义的文档模板自动生成。对象库中的对象由图标和模 型构成，每个图标代表某一个物理设备，并与一模型相对应。对核电站仿真机和 常规电站仿真机 ，已经有标准的对象库。rose系统是一个功能强大的仿真开发 软件，它集成了模型的开发、模型的调试、文档生成以及其它工具。主要由数据 库、图形编辑器、对象编辑器、模型编辑器、模型生成器、代码生成器、实时运 行、文档生成器、集成工具等几个工具构成。 清华大学的gnet是基于x-window环境和unix操作系统，使用c、c+ 语言 开发而成的多用户图形化电站仿真模块化建模系统。通过gnet提供的图形化界 面，用户可调用gnet模块库中的资源，建立所需的热力系统模型，并进行调试。 用户亦可通过gnet资源管理系统对gnet资源库进行修改和扩充。gnet能支持 从建立模型到模型测试运行的全过程，能做到大型仿真机模型的在线调试。gnet 中有6大部分的功能，即网络图形定义系统，参数定义连接系统，任务生成管理系 统，模型试验系统，资源管理系统和帮助系统。gnet包含火电厂常见的设备模型 算法，单相可压缩热流体网络模型和蒸汽参数库，因此可用于开发火电厂热力系 统仿真模型，所建模型可用于开发电厂实时仿真培训器，亦可为控制系统的设计 与调试提供对象模型。 star-90仿真支持系统向建模人员提供了一种模块化建模手段， 模型人员不再 需要直接编写程序，而可以通过采用交互方式在线建立、修改和调试模型。与传 统的建模方法相比，大大提高了建模效率，缩短了模型开发周期，给建模人员带 来了极大的方便。star-90用图形来表示模型，可以直观地反映出模型信息、模型 的特性和信号的连接与传递关系，便于分析维护。star-90在现有建模方法的基础 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 9 上，充分利用模块化建模的特点，将图形元素与模型模块有机结合的方法，实现 了在线式图形建模与仿真技术。当建模人员在计算机上编辑图符或连线时，计算 机便同步自动生成仿真模型，不需要离线翻译或编译，建成的模型可直接运行， 模型运行过程中也可以随时建立和修改模块。建模人员可直接在建成的模型上调 试和修改模型，系统提供了多种变量监视手段，在屏幕上可同时观察数十个模块 的数据，实现了模型图页间的快速切换。系统可将建成的模型图打印输出，并可 保证模型与图形文档保持一致。star-90系统采用开放式结构化设计，便于功能的 扩充和维护，适合于各种实际系统的仿真。主要适用于热控系统的图形建模。 芬兰fortnum nuclear services ltd的apros是可以用于工程分析、研究、人员 培训和管理等多方面的一个仿真软件，主要有：人员培训、过程和控制工程、安 全分析、优化设计、新型控制器和设备测试、运行优化、过程分析和故障诊断、 操作运行仿真等。它的模型有3维模型，一维分相、均相和单项模型，传递函数模 型和逻辑模型。仿真模块分为组件、设备和子系统三个层次。已构成了：过程部 件、锅炉部件、反应堆部件、控制部件、电力部件等对象模型库文件，以及通讯 库文件，具有多种可选择的通讯方式。是一个一体化仿真支撑软件。 1.4 模块化建模系统 mms 在电站培训装置的研究中，机组模型的建立是最主要的工作之一，很大程度 上影响着着培训装置的性能与成本。采用传统的建模方法，不仅周期长，工作量 大、模型的调试修改不方便，而且所建立的模型没有通用性，重复性劳动太多， 对于建模者的技术要求也很高。所以需要研制一种通用的、使用方便的、有效的 电站机组(或系统)的动态特性和运行分析的软件包。美国电力研究所(epri)认识到 开发这样一种通用型仿真软件包的必要性和迫切性，于 1978 年会同 b二是确保管道内凝结水的排放，以免启动时汽 轮机进水。系统简介：从凝汽器系统来的凝结水流经 1 号，2 号，3 号，4 号低加 时连续被来自中、低压缸抽出的加热蒸汽加热。4 号低加的疏水靠重力和压差经一 个装有 lcv003 的疏水回收箱的疏水回路流入三号低加； 3 号低加的疏水经过一个 装有调节阀 lcv001 的疏水回路排入低加疏水的回收箱； 1 号低加的疏水直接经一 u 型水封管排入凝汽器。疏水回收箱的水靠两台低加疏水泵(一台运行，一台备用) 打入 2 号低加入口的主凝结水回路。1 号和 2 号低加为立式表面换热器，水室在下 部，不带疏水冷却段；3 号和 4 号低加也是立式表面式，但带内置疏水冷。 高压加热器系统(ahp)： 高压加热器的作用是加热从除氧器给水箱来的给水； 对高加疏水进行冷却；对加热器进行排空气；防止疏水通过抽汽管道回流，保护 汽轮机；抽汽管道疏水的排放。系统简介：从给水泵来的高加给水流经 6 号、7 号 高压加热器以及 6 号前置高压加热器。6 号前置高压加热器。6 号前置高压加热器 也称外置式蒸汽冷却器，它利用 6 号高加抽汽的过热度，在蒸汽集态不变的情况 下加热高加系统终端给水，可以减少加热器传热端差，提高换热效率。从中压缸 和高压缸抽出的加热蒸汽经 7 号抽汽管输送至 7 号高压加热器，经 6 号抽汽管送 到 6 号前置高加级 6 号高加。6 号和 7 号高加的正常疏水逐级自流入除氧器。6 号 前置高加为立式表面热交换型，水室在下部，不带疏水冷却器。6 号和 7 号高加也 为立式表面型，但均带有内置式疏水冷却段。 系统功能 重庆大学硕士学位论文 2 仿真对象简介 17 1)把来自汽轮机的七段不调整抽汽供给七个表面式和混合式加热器，以提高锅炉 给水温度。 2)向辅助蒸汽系统供汽。 3)必要时，向锅炉暖风器供汽。 回热抽汽参数(ecr 工况) 该机经济工况下的回热抽汽参数见表 2-2 所示。 表 2.2 ecr 工况抽汽口蒸汽参数 table2.2 steam data taken out from cylinder 抽汽级数 流量(kg/s) 压力(bar.abs) 温度() 1 级(至 1 号低加) 10.7 0.27 67 2 级(至 2 号低加) 9.3 0.77 92 3 级(至 3 号低加) 6.7 1.45 137 4 级(至 4 号低加) 16.2 5.35 265 5 级(至除氧器) 11.8 11.0 356 6 级(至 6 号高加+冷却器) 13.1 21.3 451 7 级(至 7 号高加) 25.7 41.7 326 2.4 汽机设备各部件的物理参数 表 2.3 低压加热器数据 table2.3 data of low pressure heater 项目 单位lp1 lp2 lp3 lp4 备注 形式 立式 立式 立式 立式 加热总面积 m2 655 k584 616 925 厂家资料 管束材料 lp1-4 均为 z2cn18.10 厂家资料 管径 mm 16 0.8 16 0.8 16 0.8 16 0.8 厂家资料 水通道数 2 2 2 2 厂家资料 每个水通道管子数 703 645 642 887 厂家资料 外壳直径 mm 1400 1200 1300 1400 材料 a42cp 外室外部直径 mm 1100 1050 1050 1200 材料 a48cp 加热器总长度 mm 10918 10630 11200 12100 厂家资料 加热器空载重量 kg 12900 11200 1210016200 厂家资料 加热器运行状态重量 kg 16300 14200 1430021300 厂家资料 加热器抽汽流量 kg/s10.4 9.6 7.6 15.2 厂家资料 加热器抽汽压力 bar 0.25 0.75 1.4 5.2 厂家资料 加热器抽汽温度 66 92 136 278 厂家资料 加热器充满水重量 kg 27700 21500 2470031900 厂家资料 加热器水侧压降 mwc6.6 6.8 8.6 5.5 厂家资料 重庆大学硕士学位论文 2 仿真对象简介 18 表 2.4 高压加热器系统 table2.4 data of high pressure heater 项目 单位 #6 高加 #7 高加 #6 前置高加 布置形式 直立式 直立式 直立式 饱和温度端差 4.1 0 疏水温度差 8 8.1 过热段换热面积 m2 148 206 冷凝段换热面积 m2 540 827 疏水过冷面积 m2 86 76 总面积 m2 721 1095 208 管子数 根 790 859 436 管子外径壁厚 mm 181.8 181.8 181.8 管子节距 mm 23.5 23.5 23.5 流程数 2 2 2 管内水流速 m/s 2.49 2.4 2.69 水室外径壁厚 mm 144070 144070 111065 筒体外径壁厚 mm 135016 150028 100214 管板厚度 mm 306 325 235 无水重量 kg 26100 40300 14000 运行重量 kg 31000 45600 16000 充水重量 kg 39000 58100 18000 总长度 mm 11387 11387 7528 安全阀数量 2100% 2100% 最大容量(只) t/h 133 132 开启压力 bar 36.2 61.5 回座压力 bar 29.8 50.5 重庆大学硕士学位论文 3 仿真对象的数学描述 19 3 仿真对象的数学描述 3.1 基本守恒方程3 19 20 21 无论是经典的传递函数方法还是近代的数值仿真计算，都是基于一种数学模 型来描述设备的动态特性。由于电站设备及系统是一种复杂的多变量、多输入和 多输出系统，它的运行过程包含多种物理和化学过程，用传递函数建模相当困难。 因此，一般采用偏微分方程的办法建模。 3.1.1 集总参数的动态守恒方程 热力系统本身占有很大的空间，其中包括处于不同热力学状态的几种介质， 并且各处参数都不相同，也就是说绝大部分参数都是三维空间的函数，具有明显 的分布参数特点。同时，在动态过程中，系统的参数还要随时间变化。因此，描 述系统内部的动态特性就必须用偏微分方程。这样一个分布参数系统的数学模型 显然是十分复杂的，一般都是进行适当的近似或简化。否则将复杂得无法求解。 mms中的模块是通过把流道离散为有限的节点以减缓分布性的影响而得到的集总 参数模型。 模块化的概念要求对每个模块所建立的数学模型必须独立于其它任何一个模 块，因此不可能有所谓“典型的” ，即对每一个模块都适用的节点或控制体。用图 3.1所示的节点表征一个通用的节点可以说明模块的建模理论及建模方法，同时可 以阐述标准的限制假设。在节点的守恒方程描述中，同一个控制体使用了全部的 三个守恒方程，而不是像传统的处理方法那样，用质量方程和能量方程来描述控 制体，而动量方程则用于描述包括控制体在内的一个局部子系统。 对质量、能量、动量守恒方程做如下假设：(1) 控制体内质量不会创生，也不 会毁灭；(2) 系统内能量不会创生，也不会毁灭；(3) 电磁场对工质质量的影响忽 图3.1 模块的通用节点 fig3.1 general node of model 重庆大学硕士学位论文 3 仿真对象的数学描述 20 略不计；(4) 控制体内不发生化学反应；(5) 控制体是一个惯性参考系，即所研究 的容积相对于空间中的固定参照物没有加速运动，也设旋转运动；(6)电磁场对体 积力的分布没有影响。对通用节点做如下假设：(7)无轴功产生轴功的模块用另 外的方法处理并单独描述；(8)流体速度失量与控制体横截面垂直；(9)控制体内的 流动是一维的；(10)流动边界上的剪应力可用控制体壁面上的摩擦损失代表；(11) 不考虑控制体本身势能和动能的变化； (12)控制体进出口表面积不随时间变化； (13) 流体沿流动方向无导热和其它热交换，换热只在径向进行；(14)节点出口参数的导 数等于平均参数的导数；(15)平均流量的变化率等于进口流量的变化率。 以上假设使问题的复杂程度大大降低，假设(14)是为了避免出现see-saw效应， 即初始负偏移现象。 1、质量守恒方程 lel dww dtv = (3.1) 式中： l 介质离开时的密度，(kg/m3)； e w 介质流入控制体的流量，(kg/s)； l w 介质流出控制体的流量，(kg/s)； v控制体体积，(m3)； t时间，(s)。 2、 能量守恒方程 l eell du w hw hqw dt =+ (3.2) 式中： l u 离开控制体时介质的内能，(kj)； q总的热量交换，(kj)； w总的流动功，(kj)； e h进入控制体时介质的焓，(j/kg)； l h离开控制体时介质的焓，(j/kg)。 3、 动量守恒方程 ()() 2 eelsel wcppgzz=+ (3.3) 式中：c流导系数，(kg/s)/(pa*kg/m3)0.5)； e p进入控制体时介质的压力，(pa)； l p离开控制体时介质的压力，(pa)； e z 控制体入口高度，(m)； l z 控制体出口高度，(m)； g 重力加速度，(m/ 2 s)； s 蒸汽的密度，(kg/ 3 m)。 重庆大学硕士学位论文 3 仿真对象的数学描述 21 3 .1.2 热力学状态方程 () 1 /|, hp hfh p= = (3.4) () 2 /|, ph pfh p= = (3.5) () 3 ,tfh p= (3.6) () 4 ,fh p= (3.7) 系统中每个模块都是以连续性方程，能量方程，动量方程，状态参数方程， 再加上传热方程构成的封闭方程组。 3.2 实时模块压力流量方程及算法24 31 42 3.2.1 方程及算法介绍 实时模块是用来做仿真培训机模型的，所以实时模块在计算模型的压力和流 量分布时，客观上要求其计算速度要快，这和做工程分析的非实时模块有很大的 区别。下面就结合流体的控制微分方程来说明实时模块的连续性方程和动量方程 以及解算这些方程的方法。 流过管道截面流体的控制微分方程为： () () 1 | inoutriseqqdw dw pppkw wk ldt a =+ (3.8) 式中： w 流量，(kg/s)； l a 管长与管的截面积之比，(1/m)； in p管道的入口压力，(pa)； out p管道的出口压力，(pa)； rise p高度带来的压差，(pa)； k流阻，(pa/(kg/s)2)； qqdw k转换常数； t 时间，(s)。 对方程(3.8)有以下四种解算方法： 方法一：1、直接法，直接对流量导数 dw dt 积分。这种方法有个难点就是当流导 系数很大的时候，要求很小的时间步长来保持稳定性。 2、 方法二：以下面这种形式得到w的解： ()() 1111 inoutriseinoutrise qqdwqqdw l dwl dw wpppsignppp kka dtkka dt =+ (3.9) 当 l a 为零时，方程(3.9)解算w是精确的。 重庆大学硕士学位论文 3 仿真对象的数学描述 22 3、 方法三：用有限差分近似 1ii ww t 代替 dw dt ，即： 1ii wwdw dtt = (3.10) 式中： i w在当前时间步长时的流量(kg/s)； 1i w在前一个时间步长时的流量(kg/s)。 用 i w代替w，并把方程(3.10)代入方程(3.9)可得： () () 1 1 | ii inoutriseiiqqdw ww pppkwwk lt a =+ (3.11) 可以把方程(3.11)看作关于 i w的一个二次方程， 解一个关于 i w的二次方程就可 以得到新的要求解的流量。这种方法在计算流量时可以采用较大的时间步长，同 时方程可以忍受大流导系数，避免了方