（热能工程专业论文）300mw直流锅炉动态特性仿真与建模方法研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 目前，3 0 0 m w 以上的火力发电机组已成为燃煤电厂主力机组，直流锅炉运行方式在大机组中的 应用越来越广，而作为发展方向的大容量超f 临界机组锅炉则毫无疑问的采用直流运行方式，对机组 的自动化水平的要求会不断提高，火电机组安全经济运行问题将更加突出。为了提高电站操作人员 的操作水平，电站仿真系统的开发和应用会愈来愈重要。 本文以姚孟电厂3 0 0 m w 火力发电机组的直流锅炉为对象，对其全工况运行特性进行了较为详细 的仿真研究。仿真过程中，采用先进的仿真支撑系统a p r o s ，建立了该机组锅炉系统的全工况仿真 动态数学模型软件，通过深入、全面的测试，现已成功投入使用。 论文主要内容包括： ( 1 )了解芬兰国家技术中心研发的高级过程仿真支撑系统a p r o s 的建模和调试方法，对其软 件的图形化建模进行了较为深入的研究。 ( 2 )以实际机组的设计、运行资料为依据，把锅炉分为汽水系统，风烟系统、燃烧系统和制 粉系统等子系统，建立并调试各子系统的仿真模型。 ( 3 )与汽机系统，电气系统，控制系统进行联合调试，使整套仿真系统的各种启停过程、扰 动和事故工况的运行特性能够与现场一致，并达到相应的精度要求。 ( 4 )选择了一些典型工况，对其动态特性作了深入的理论分析 ( 5 )初步研发了一套热力系统仿真软件，该软件具有模块化，图形化，开放性等特点，建立 了火电厂常见设备的模块库、水蒸汽等热力性质资源库。 关键词，直流锅炉，仿真，a p r o s ，动态特性 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t u pt od a t e ，m o s tf o s s i lf i r e dp o w e rp l a n t sw h i c hm o r et h a n3 0 0 m w a r ec o a l f i r e dg e n e r a t i n gu n i t s , a n dt h eo n c e - t h r o u g hb o i l e ro p e r a t i o ni sw i d e l yu s e di nh i g h - e a p a c i t yu n i t s a st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n o fs u p e r c r i t i c a lb o i l e r , o n c e - t h r o u g hb o i l e ro p e r a t i o ni su n d o u b t e d l yu s e d w 甜lt h er e l a t e da u t o m a t i o n s y s t e m si r e p r o v e d t h ep r o b l e mo fs a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o ni so u t s t a n d i n g f o ri m p r o v i n gt h e o p e r a t o r s s k i l l t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f p o w e rp l a n ts i m u l a t i o ni sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t w i t ht h ed e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho fy a o m e n g3 0 0 m wo n c e - t h r o u g hb o i l e r s l a r g e s c a l e o p e r a t i o nc h a r a c t e f i s t i c ，b a s e do nt h ea d r a n t e ds i m u l a t i o ns 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 c s i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e d a t i e rt h ed e t a i l e da n df u l l - s c a l et e s t , t h em o d e lh a sa l r e a d yb e e np u ti n t o o p e r a t i o n t h em a i ni d e a so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： n m e t h o d so f m o d e l i n ga n dd e b u g g i n gw l 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 sw h i c hi sd e v e l o p e d b yv r ro f f i n l a n da r es t u d i e d ，a n dt h eg r a p h i c a lm o d e l i n gi sd e t a i l e dr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n dr u n n i n gp r o c e s so ft h ea c t u a la n i t , t h eb o i l e rs y s t e mw a sd i v i d e di n t o s e v e r a ls u b s y s t e m s ，s u c ha ss t e a ma n dw a t e rs y s t e m ，a i ra n df l u es y s t e m , c o m b u s t i o ns y s t e m , a n dc o a l p u l v e r i z i n gs y s t e m a l lt h es u b s y s t e m s s i m u l m i o nm o d e la r ed e v e l o p e da n dd e b u g g e d ， a 舭rd e b u g g i n gw i t ht u r b i n es y s t e r n , g e n e r a t o rs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u i t so f t h ew h o l es y s t e mn m n i n gu n d e rs t a r tu p ，s h u td o w n , d y n a m i ct e s ta n ds o m em a l f u n c t i o nm e tt h ep r e c i s i o n r e q u i r e m e n ta n dt h ea c t u a lo p e r a t i n gs t a t u s s o m er e p r e s e n t a t i v el o a dc h a n g e sa r es e l e c t e d a n dt h ed y n a m i c sa r ed e t a i l e dr e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y at h e t m a ls y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e d , i th a sm o d u l a r i z a t i o n , g r a p h i c a lm o d e l i n ga n d o p e n i n g i ta l s os e t su pb a s i ce q u i p m e n t sm o d u l eo f p o w e rp l a n t sa n dw a t e ra n ds t e a mt h e r m a lp r o p e r t y r e a n n r c e k e y w o r d s ：o n c e - t h r o u g h b o i l e r , s i m u l a t i o n , a p r o s ，d y n a m i c s 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：盟日 期：塑丑：! ：! 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：盔丑导师签名：日期：业 东南大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 我国9 0 年代新建大型电厂的机组大多采用计算机集散控制系统，其中很少是由中国自己设计 的，大都是从外国进口的，或国内代理的外国产品“，由于各公司技术派别不同，所以主设备、热 力系统、控制系统是各式各样的组合，设备启停方式各不相同，启停过程十分复杂。新机组、新技 术要求运行人员必须具备较深厚的过程对象和自动控制的专业知识、熟练的操作技能、对事故的应 变能力、稳定的心理素质、严谨的工作态度等。老的运行人员由于基础知识的限制，很难适应新的 控制系统的要求。新参加工作的运行人员，特别是多数新电厂的运行人员来自大、中专技校毕业学 生，他们没有任何运行实践和操作技能，更谈不上对事故的判断和应变能力。这种运行人员不能适 应电力工业迅速发展需要的矛盾，是中国电力工业中迫切需要解决的问题。 1 9 7 5 年美国联邦能源部提出的安全性专题报告中就已经指出：“电厂的可靠性可以由改进设计 和加强维护来改善，但是它只占可靠性的2 0 - 3 0 。另外7 0 - 8 0 依靠于运行人员。” 为了有效地提高电厂运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，很多新上机组开 始配备仿真机，专门用于运行人员熟悉现场操作规程，并且训练他们对异常工况的处理能力，从而 提高电厂的安全性和经济性。 1 2 仿真技术的研究与发展 我国电站仿真技术的研究始于七十年代，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1 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，我国电站仿真机获得了迅速的 发展，并已成功生产了近百台不同规模基于局域网的电站仿真系统。 促进仿真技术发展的主要因素有1 3 - 1 2 ： ( 1 ) 系统计算机软硬件功能和性能的提高 现在的大型火电机组仿真系统大多利用高性能的服务器作为主机，随着这些设备容量、速度和 通讯能力的提高，已使人们不必考虑计算机系统对仿真性能的限制。另外，由于计算机网络设备和 技术以及i o 接口的通讯能力的发展得人们不必顾忌它们是否会成为仿真系统的瓶颈问题。 ( 2 ) 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小型计算机，工作站、微机和可编程控制器中运行，组成了协调动 作的分布式结构仿真技术，提高了系统的实时性和扩展能力。同时，运用网络通讯及信息处理技术， 利用数据压缩打包的计算方法，实现与实际参考机组联网通讯。 ( 3 ) 对机理性、精确性更好的仿真对象数学模型的深入研究和应用 由于建立数学模型的基础一一火电机组所涉及的各个相关学科的研究在不断深入，数学模型应 该及时采用更新、更好的研究成果代替模型中以前的某些不确定的、经验性的、有局限性的部分， 从而提高模型的机理性和使用范围，而且还能减少模型调试和维护的工作量。 随着计算机软件的发展。人们已经和正在开发各类图形交互式的仿真数学模型软件自动生成系 统，只要在图形界面上选择对应的设备图符，并按实际系统连接起来，输入实际系统相关数据，就 可以完成建模工作，这大大减轻了仿真软件开发的工作量，提高了开发效率和软件质量。同时研制 内容丰富的模块库和图形库，库中包含电站几乎所有典型设备和部件的精细数学模型，可仿真l o o l 椰、 2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、6 0 0 m u 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。库中还包含类型齐全的控制系统模块，如基本输入输出模块，p i d 调节类模 块、数学运行模块、逻辑功能类模块及特性专用类模块。利用这些基本模块，能仿真各种控制系统。 东南大学硕士学位论文 1 3 仿真技术的应用 仿真系统除了用于培训运行人员外，还可以应用于火电机组的设计分析、火电机组控制系统的 优化、火电机组运行和运行指导”“”“。 ( 1 ) 机组工程设计、机组逻辑保护和控制系统的设计调试 在仿真机具有机理性、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、 分析环境的基础上，当整套机组还仅仅在图纸上时，就可以用仿真机来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设备选型，系统布置等方面的不合理或被遗漏的地方，直到符合设 计要求。 随着机组自动化水平的提高，其逻辑保护和控制回路也愈来愈复杂。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 否有矛盾或考虑不全的地方，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 ) 运行人员的培训 火电站仿真机一直用于运行操作人员的培训，已经取得了非常好的效果。现在电厂上的仿真机 多为全范围型仿真机，而且是专门对于该厂某机组的仿真机，针对性很强，在实际机组投运前，就 应该让运行人员在仿真机上接受培训，使他们对该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，以及在机组启停、扰动和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。 在新机组投运后，运行人员接受仿真机培训的侧重点主要在机组启、停和事故工况这些平时出 现的频率较低或很少的运行过程，从而提高他们在实际过程中遇到这些工况时的判断和处理能力。 在对机组的设备和系统进行改造时( 其中最典型的例子是：过去采用常规仪表控制的机组改造 成d c s ，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 ) 事故分析 在火电站日常运行中，有时会发生一些意想不到的事故。在现在的大型火电站中，都有计算机 监控系统，当事故发生以后，监控计算机记录各开关动作顺序及一些重要监视参数。运行工程师根 据这个记录以及其它一些记录仪表的记录分析事故原因。但是当事故发生时，有诸多的开关动作， 有些动作是同时发生的，发生时间相差在毫秒或微秒级，监控系统及记录仪的分辨率是有限的，它 不能确切地反应出各动作发生的先后顺序。特别是，当一个事故发生后，会引起一连串的其它事故。 所以在这样的复杂事故中，根据记录分析的有些事故产生原因有时是不准确的。使用仿真机可以核 实事故原因，亦可以分析事故原因。 当运行工程师分析出事故原因后，可以在仿真机再现这个事故，观察仿真机的反应。当其反应 与实际电站一致时，即可证明事故原因是正确的；当不一致时，做出其它事故的假设，在仿真机上 进一步测试论证。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。 ( 4 ) 机组改造仿真试验 当机组在投运之后由于某种原因需要对某些设备( 如泵、换热设备、电气设备等) 或控制系统 进行修改或更换时，可以预先在仿真机上对设备、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，使机组整体性能达到最优。 1 4 仿真支撑系统 仿真支撑系统是支持软件开发、调试、维护、修改、运行和管理的软件系统“o 。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质量和水平。有人 把在没有支撑系统情况下开发仿真机比喻为“手工操作”，而把有支撑系统开发仿真机比喻为“自动 化操作”。因而支撑系统不仅是所有仿真机制造厂商竞争的热点，也是客户选择仿真机时关心的重要 问题。 自8 0 年代初开始，国外各大公司相继开发了大量仿真支撑软件，如意大利自动化和计算研究中 心开发地l e g 0 、美国电力研究所研制的h n l s 、德国西门子公司的n l o o p 、美国a b b ( 原c e ) 公司的 c e t r a n 、美国原l i n k 公司的s 3 、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 、芬兰技术研究中心( v t t ) 的a p r o s ，以及加拿大c a e 公司的r o s e 、s a c d a 公司的s a c d a 等等。而在我国，进行自主开发的仿 2 东南大学硕士学位论文 真支撑环境主要有清华能源仿真公司开发的电站图形化仿真建模系统g e n t 和仿真支撑环境i s s e 、 清华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 惦等。华北电力 学院在引进美国原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了s t a r 一9 0 模块化建模环境，亚洲仿真公司也使用了s 3 的部分建模和支撑环境。 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 )模块化建模 即将实际对象中独立的物理设备作为研究对象，利用模块化建模的思想和方法，生成仿真程序。 ( 2 )高度的图形处理能力 系统应具备功能强，使用方便的图形环境，图形对象应能与实际对象做到内延与外涵的相似， 使得可以根据实际系统方便快捷地以图形方式构造出来。 ( 3 ) 适用范围广 尽可能做到通用性，而不仅仅局限于某个部分或某具体对象。 ( 4 ) 很好的开发性 仿真支撑系统不可能满足用户的所有需求，有时用户需根据特性需求编写特定的模块加入仿真 支撑系统中，以a p r o s 为例，该仿真支撑系统就没有制粉系统模块，这就需要开发人员根据a p r o s 编码规定，自行编写制粉系统各模块，添加至 p r o s 中。 1 5 本文工作 1 5 1 本文的研究对象 本文的研究对象是河南姚孟电厂# 3 机组的锅炉系统。该锅炉为瑞士苏尔寿专利，由比利时考 克利尔钢铁公司制造的半塔式中间再热直流锅炉。过热器和再热器都是二级布置，制粉系统为正压 直吹式系统。锅炉额定出力为9 2 3 7 6 t h ，主蒸汽和再热蒸汽温度均为5 4 3 ，主蒸汽压力为 1 8 3 9 m p a ，排烟温度为1 2 9 1 c ，给水温度为2 5 7 c 。 1 5 2 本文的研究内容 ( 一) 姚孟电厂# 3 机组全范围仿真机锅炉系统的建模与调试 本人参与了河南姚孟电厂1 # 、3 # 3 0 0 1 唧火力发电机组全范围仿真项目，本文主要以3 # 机组 的锅炉系统为研究对象，1 # 机组锅炉系统的建模与仿真研究可见本人发表的论文“3 0 0 m w 直流锅炉 数学模型及动态特性”。 在分析姚孟电厂# 3 机组锅炉系统的设计和运行资料的基础上，建立该锅炉系统的全范围仿真 系统结构框架。通过分析、消化并应用由芬兰国家技术研究中心( v t t ) 开发的高级过程仿真系统 a p r o s ，开发出该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 ) 仿真程度与范围必须符合执行标准的要求，因此需建立从零负荷到满负荷的机组全范 围数学模型，对主控制室内控制台所控制的主设备系统测量仪表和控制系统进行仿真。 ( 2 ) 对整个电站系统的全过程数学模型，能在实时条件下连续计算，能完成冷态、温态、 热态、极热态启动和停机，带到满负荷，实现负荷的手动、自动调整等条件下的仿真。另 外对于规定的非正常操作和故障操作也被仿真。 ( 3 ) 能够真实地仿真在不同压力、给水流量、燃料量、主汽温度、安全门动作及各种设备 故障等内部和外部的扰动下过程的动态特性。 ( 4 ) 模拟环境温度、原煤水份、原煤硬度、原煤灰份和发热量等外部参数的变化所引起的 机组运行的变化。 ( 5 ) 电站仿真机组运行的静态和动态变化以及运行人员进行操作时，控制器、报警和状态 指示出现与实际电站应具有一致的反应。各设备和部件系统反应的时间特性，应符合设计 材料和数据中的动态特性参数。当电站的某些特性参数未能提供时，则根据典型的特性进 行设计和假设。 ( 二) 火电厂热力系统仿真支撑软件的开发 正是由于a p r o s 具有便捷的图形建模环境，本人参照a p r o s 仿真支撑软件，采用c # n e t 和 a c c e s s 数据库开发了一套热力系统图形建模软件。建立了火电厂常见设备的模块库、水蒸汽等熟力 性质资源库，并对流体网络算法进行了研究。 3 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 1a p r o s 仿真支撑系统简介 仿真支撑系统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 ) 是芬兰国家科学院( v t r ) 和芬兰富腾公司 ( f o r t u m ) 联合开发的同时具有电厂过程和自动控制系统设计、安全性分析和培训仿真机开发等多 功能的仿真软件。并且已成功应用于常规电厂、核电厂，和化工厂的初步设计、过程设计、自动控 制系统设计、安全性分析、操作规程验证和仿真机的开发“”。 东南大学动力工程系于2 0 0 2 年引进a p r o s 火电站版本，用于大型火电厂全范围的建模与仿真， 并且已成功应用于平圩6 0 0 m w 机组，扬州第二发电厂6 0 0 砌机组，姚孟1 # 、3 # 两台3 0 0 m w 机组等 全范围仿真。 a p r o s 仿真系统由a p r o s 仿真引擎、模块库、热力学计算库、仿真实时数据库、通讯接口以及 图形用户界面等组成。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 用户通过图形或字符方式发出的请求，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。 p r o s 的基本概念 ( 1 ) 工程，工作区和模型 模型是登陆、存储和运行的基本单位。在项目中可以创建工作区，而在工作区中可以创建模型， 工作区用于预定义a p r o s 运行的初始参数。建议将工程和工作区建立在同一目录下。 模型由一个a p r o s 快照文件( s n p g zf i l e ) ，一系列g r a d e s 图像文件( a p tf i l e s ) 和图像 模块库( c u i f i l e s ) 组成，这些文件都位于模型根目录下。 a p r o s 同一时间只能运行一个模型，每个模型包括各种组件类型，以及用于控制仿真试验的预 定义模块。创建新模型时，工程属性中的模型模板将打开，因此，建议不要修改模型模板，除非用 户有特殊需要。 ( 2 )n e t 模型由多个n e t 组成，n e t 又由各种图符组件、终端和连接构成。n e t 是模型重复使用的最小单 位，通过导入导出功能，可以将当前模型中的n e t 拷贝到另一个模型中。 s l a v ec o p y 可以将当前n e t 的节点拷贝到其它n e t 中，所有参数都一致。一般一些在多个n e t 中用到的节点，可专门建立一张主点表，其它n e t 用到该节点可通过s l a v ec o p y 建立副点，当删除 一个副点时，该节点的其它副点和主点都没影响，但是当删除主点时，所有建立的副点都会被删除， 专门建立主点表，也就是为了避免误操作。 ( 3 )模块( m o d u l e ) 在a p r o s 仿真引擎中，模型由各个层级的模块组成。例如，每个物理过程单位的数据都被封装 到相应的过程单位模块中，另外，还专门有些模块用于管理这些过程模块。 ( 4 )模块类型( m o d u l e t y p e ) 模块被分门归类，模块类型定义了模块的参数与功能。 ( 5 )属性( a t t r i b u t e ) 通过属性可以访问模块，属性参数可以在对应的属性变量表中设定。 ( 6 ) 变量( v a t i a b l e ) 为了获得最佳的计算效果，a p r o s 数据库中的数据是按照表的形式组织起来的。用户可以通过 d o s 窗口的命令来访闯变量。大多数变量是与模块属性对应的，但仍有些变量并不对应于任何模块 属性。 & p r o s 中变量类型包括： d 0 双精度类型 r e 单精度类型 i n 整型 l 0 逻辑型 c 0 复型 4 东南大学硕士学位论文 0 n 对象引用名。它用来存储引用其他模块，对应的变量类型是整型 在采用a p r o s 建立模型时，每一个n e t 包含的模块除了用户添加的以外，还存在一个“n e t 模 块”和一些预定义好的模块。n e t 模块是用于管理模型中直接对应于节点，终端，和联接的模块。 预先定义好的模块包括e x p o 、e c c o 和s p e e d 。 2 2a p r o s 仿真支撑系统特点 2 2 1 丰富的模块库 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，按其用途分为如下六种类型： ( 1 ) 基本热工过程模块 熟工过程模块库中包括容积模块( 节点和箱体) 、管道模块、阀门模块、泵与风机模块、换热器 模块等以及其它有特殊功能的模块( 图2 1 ) 。 图2 1 热工过程模块 ( 2 ) 控制模块 在a p r o s 软件中的自动控制模块库为用户提供了丰富的建模模块，主要的种类有：基本模拟量 运算模块、模拟量动态计算模块、模拟量静态计算模块、基本数字量计算模块、特殊的数字量计算 模块，p i d 控制器模块、设备控制器模块、测量器模块和信号发生器模块( 图2 2 ) 。 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 电气模块 电气模块包括发电机模块，变压器模块，电气节点等( 图2 3 ) 。 ( 4 ) 边界条件模块 边界条件模块库包括一些常用的代数函数模块、表格模块和积分模块等( 图2 4 ) ( 5 )仿真控制模块 为了有效的对模型的仿真状态进行控制，a p r o s 仿真支撑系统为此提供了仿真控制模块库，包 括试验控制模块、速度控制模块、试验模块和输入输出模块等( 图2 5 ) 。 ( 6 ) 外部模块 开发人员可以根据特定需求编写自己的模型，通过外部模块，以及a p r o s 模块库提供的其它相 关模块开发a p r o s 中没有的仿真模型，本文的制粉系统就是利用外部模块开发的( 图2 6 ) 。 ( 7 )连接模块 把不同的模块进行连接所使用的连接线模块有：数字量连接模块、模拟量连接模块，管道连接 模块和通用连接模块等。 图2 2 控制模块 图2 3 电气模块 囤j 囤回 亍页定义酌嚣靛义麟礅嚣磺定义总和黝嚣 图2 4 边界条件模块 6 东南大学硕士学位论文 2 2 2 图形化建模 圈；| 圈 试验模块输入腧出模块 图2 5 仿真控制模块 图2 6 步 部模块 采用a f r o s 开发仿真系统的过程中，用户通过图形用户界面的交互方式来定义仿真模型，可通 过选取代表实际对象的相对图标，并用连线连接图标，以建立起实际对象之间的数据流和信息流的 关系，自动完成建模。 图2 。7n e t 工具栏和e d i t 工具栏 n e t 工具栏以树形控件的形式分类，包含了各种与实际火电站设备及控制单元相对应的图符组 件。如选择节点模块时，只要选中节点符号( p o i n t ) ，拖至n e t 中即可。 e d i t 工具栏可以对图形实现选定、移动、缩放、翻转、对齐等编辑功能( 图2 7 ) 。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 3 开放的系统结构 a c l ( a p r o sc o m u n i c a t i o nl i b r a r y ) 是基于t c p i p 通讯协议，可使外部程序与a p r o s 建立通 讯数据通道的通讯库。a c l 有两种通道：命令通道和同步数据通道。通讯通道的作用是允许客户端 向a p r o s 传送命令，并将a p r o s 对命令的响应返回给客户端；同步数据通道在a p r o s 的仿真周期内 完成数据的读写操作。教练台可以通过a c l 通讯对仿真模型进行监控，如对模型的运行冻结，工况 存储工况恢复、故障设置、外部参数设置和趋势监视等。 2 2 。4 简便的调试环境 该仿真支撑软件在图形建模环境下，具备在线修改模型功能，并可立即得到修改后的结果。在 模型开发调试中，要对每次仿真过程反映的现象进行综合分析，改进后再进行仿真计算，如此反复， 直到模型的运算结果正确，能够准确反映被仿真对象的物理过程。在模型调试过程中，可以控制模 型的计算步长及计算速度，同时在正常运行时，只有被激活的模块参与过程运算，如需要排除故障 或只运行若干子系统，可将不参与运算的模块或子系统退出模拟而作为边界条件，以提高模型软件 组态和调试的效率。 在模型调试中，a p r o s 可以动态监视参数变化( 图2 8 ) ，选择下拉菜单中的m o n i t o r ，以定义 监视阀门参数为例，选择d e f i n e ( 图2 9 ) ，弹出o b j e c tm o n i t o r 对话框( 图2 1 0 ) ，在右侧的多 文本选择中列出了该阀门所有变量，选中添加即可，同时，监视的参数可以更详细的定义，包括小 数点位数，字体，显示颜色等( 图2 1 1 ) 。当要更进一步知道变化的速率时，可以使用趋势图( 图 2 1 2 ) 。 图2 8 在a p r 0 s 中的数据监视功能 图2 9m o n i t o r 监视 0 东南大学硕士学位论文 图2 1 0 监视参数选择 图2l l 监视参数定义 图2 1 2 在a p r o s 中数据变化趋势 9 东南大学硕士学位论文 在调试的过程中，为了方便用户检查错误。a p r o s 提供了两种静态检查方法和一种动态检查方 法。这两种静态检查方法分别为：一种是使用的h i l i t e ( 高亮显示) 功能，在g r a d e s 的n e t 的空 白处单击右键后会弹出一菜单，将鼠标移到h i l i t e 项上又会弹出一个子菜单，选择子菜单中的 d o e s n th a v em o d u l e 项，如图2 1 3 所示，则a p r 0 s 会将未初始化的图符组件和仿真之外的模块 以高亮度标识出来，提醒用户把没有初始化的模块进行初始化和了解那些模块已经在流体网络中运 算了；如图2 1 4 所示，另一种静态检查方法是在a p r o s 的d o s 窗口中输入命令a r r a n g e _ c o m m o n s 和 p r e p a r e ，可用于检查在逻辑上和物理上的错误，如错误的连接方向、错误的连接类型、阀门模块没 有与进口节点相连、管子太短、节点容积太小等。 图2 1 3 通过高亮显示静态查错 图2 1 4 通过a p r o s 的命令窗口静态查错 1 0 东南大学硕士学位论文 2 3 a p r o s 系统基本数学模型 应用a p r o s 仿真建模时，整个热力系统网络可抽象为容积模块和支路模块组成的流体网络，支 路模块通过容积模块相连。 a p r o s 的整个热力计算过程是基于以下三个基本守恒方程来实现的， 质量守恒方程： 丝+ o a p v ：0( 2 1 ) 出瑟 能量守恒方程： 丝坐+ a a p v h ：s( 2 2 ) 西出 动量守恒方程： 一o a t w + 垫蔓：s ( 2 3 ) 出色 式中( 2 1 ) 、( 2 2 ) ，( z 3 ) 中： p 一一密度； t 时间； 、p 一流速； z 一位置； l r 焓； s - - - - - 源项。 求解过程： 图2 1 5 中，i ，j 表示节点，i j 表示支路，上标k 为迭代次数，通过对质量方程和动量方程的 迭代求解，可以产生一组线性化压力方程组。 u i o 一一o j 图2 1 5 压力流量计算通道 矩阵方程 + p ；= 6 i 密度线性化： p = p + 罢( p 一p ) 中 质量流速： v k 。= f 妓p ：一p ：) ，p ：1 物性方程： 密度： p ，= f ( p ，啊) 蒸汽质量份额： x ，= f c p 。，啊) 蒸汽容积份额： 口= 厂( x i ，一) 液位： l 。= ，( 睇) 压力和焓不计算时的密度算法 对于仿真外的边界点，该点的压力和焓一般设定为常数， ( 2 4 ) 不参与计算，那么密度如果取为常数 东南大学硕士学位论文 的话，相邻节点之间会存在流量偏差，密度可以通过如下质量方程求解 m p 5 v 东南大学硕士学位论文 第三章3 0 0 m w 直流锅炉模型的开发 本文的仿真对象是河南姚孟电厂# 3 机组的锅炉系统。该锅炉为瑞士苏尔寿专利，由比利时考 克利尔钢铁公司制造的半塔式中间再热直流锅炉。过热器和再热器都是二级布置，制粉系统为正压 直吹式系统。锅炉额定出力为9 2 3 7 6 t h ，主蒸汽和再热蒸汽温度均为5 4 3 ，主蒸汽压力为 1 8 。3 9 m p a ，排烟温度为1 2 9 c ，给水温度为2 5 7 c 。 锅炉系统主要包括汽水系统、燃烧系统、风烟系统和制粉系统，下面分别对各系统的建模进行 介绍。 3 1 汽水系统 汽水系统包括锅炉省煤器、蒸发区和过、再热蒸汽系统，图3 1 为姚孟电厂汽水系统的d c s 画 面。 3 i i 锅炉蒸发区的仿真 图3 1 汽水系统d l s 圊向 姚孟电厂# 3 机组锅炉的蒸发受热面考虑了锅炉在启动和低于3 5 负荷时保持最低的3 5 给水量 循环以保证蒸发段由适当的冷却和安全的流量分配，在锅炉水冷壁的出口设有一内径为6 0 0 、壁厚 为4 5 m m 、高为1 8 5 7 0m 的汽水分离器，分离器在正常运行时为干式，只有在锅炉启动和低负荷或 煤，水比失调时分离器内才可能有水，在分离器底部分别有排放凝汽器、给水箱和地沟的排水系统， 以保证锅炉的水循环和正常排水。 省煤器总重量约为3 7 0 t ，进口水温为2 5 7 ，出口水温为3 1 5 ，给水在进入省煤器前经一启 动热交换器，当分离器产水需排往除氧器时，排泄的饱和水在启动热交换器内被锅炉给水冷却，以 防止排放时给水箱超压。 图3 2 是对应的蒸发区模型组态图，省煤器过来给水经过水冷壁进入分离器。水冷壁使用管侧 热交换器模块( h e a te x c h a n g e rt s ) 来仿真，建模中把在炉膛中燃烧产生的热量对两个管侧换热器 1 3 东南大学硕士学位论文 模块进行辐射来仿真水冷壁受热的情况。在水冷壁模块中，根据要求需要输入结构参数，包括管长， 管径，壁厚，水冷壁的换热系数则应根据锅炉负荷的大小进行调整。分离器出来的蒸汽通过一个人 为设定的阀门来连接，导入过热器。 整个蒸发区采用6 精度级别求解器来解这些模型。 调试好的蒸发区仿真模型能达到如下的仿真效果： 模拟实际锅炉蒸发区的产汽过程： 模拟分离器的水位特性； 模拟锅炉蒸发区的熟惯性： 模拟水冷壁爆管、结渣等故障现象； 蒸汽量、汽压和汽温的动态变化。 3 1 2 过再热蒸汽系统的仿真 图3 2 蒸发区模型组态图 锅炉的过热器分二级布置，两级过热器均为顺流布置，一级过热器的重量约1 2 8 t ，二级过热器 的重量约为1 5 9 t ，一级过热器的入口布置了一级喷水，最大的喷水量为1 2 8 6 t h ，在二级过热器入 口布置了二级喷水，最大喷水量为3 6 2 5 t h 。 锅炉的再热器分二级布置，布置在顺烟气流动方向的省煤器前部，再热器总重量约为3 8 2 t ，在 两级再热器之间装有三级喷水，喷水量为了1 4 t h ，在再热器的出口设有两只安全门，每个门的通 流量约5 3 0 t h ，开启压力为4 9 m p a ，为液动操作。 分离器出来的蒸汽经过锅炉悬吊管，一级过热器，二级过热器过热后进入汽轮机高压缸做功： 高压缸排出的低温蒸汽经一级再热器，二级再热器再次加热为具有一定做功能力的高温再熟蒸汽， 然后进入汽轮机中压缸继续做功。 在建模中，对所有的受热面都使用交叉式熟交换器模块( c r o s s h e a t e x c h a n g e r ) 。同样，换燕 器的结构参数需根据现场的结构参数来确定。同时根据现场运行人员的运行经验，结构参数可稍许 调整，以便模拟换热器的热惯性。模型组态图如图3 3 和图3 4 。 建立的过热区和再热区的仿真模型能够： 模拟各个过热、再热受热面动态运行； 模拟过、再热器进出口爆管、积灰、安全门拒动等故障； 1 4 东南大学硕士学位论文 3 2 燃烧系统 3 2 1 锅炉燃烧室 图3 3 过热区模型组态图 图3 4 再热区模型组态图 在锅炉炉膛四角布置了四个1 3 米高，由七组喷嘴组成的直流式喷燃器，每组包括五个煤粉喷嘴， 两个燃油喷嘴，燃烧器的运行方式为直吹式四角切圆燃烧。锅炉正常为负压运行。为保证锅炉尾部 受热面清洁，在锅炉上部的两侧共装有1 8 个长伸缩式吹灰器和1 8 个短伸缩式多嘴吹灰器。 煤粉燃烧模型中，按式( 3 1 ) ( 3 4 ) 进行热解反应，生成c 和各种挥发分，c 和挥发分再 按式( 3 5 ) ( 3 1 1 ) 发生化学反应，放出的热量与用户定义的低位发热值有关。 1 5 东南大学硕士学位论文 c r ! 啼c + v o l a t i l e s 一h c r 2 一c + l a t i l e s 一日， c r 3 一c + 场l a t i l e s 一日， c r 4 c + v o l a t i l e s a 矾 g - - a t c h 4 c h 4 + 2 0 2 专c 0 2 + 2 h p c + 0 1 _ c o , 2 c + n 一2 c o 2 c 0 + n 斗2 c d s + o ， s o 、 ( 3 i ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 2 日，+ d j 2 日，0( 3 1 1 ) 对入炉煤量，在a p r o s 系统的模块库中，没有考虑气固两相流动的模型，管道内流体种类中对 于燃科只考虑了燃油和燃气，而没有考虑煤粉和空气混合物，所以不能直接把磨煤机出口的煤粉和 空气混合物用管道送入炉膛。为此，在建模过程中通过以下方法进行模拟( 图3 5 ) ： 建立了外部模块计算一次风中煤粉浓度对管路流动阻力的影响； 通过s o l i d 模块来定义进入炉膛的煤粉组分； 对制粉系统送入炉膛的煤粉量，采用了边界条件模块，把煤粉量传值给仿真之外的管道流量( 该 管道与炉膛相连) ，即管道内的流量等于煤粉流量； 对于风粉混合物中的空气另外用管路与炉膛相连( 管路的阻力系数变化中考虑煤粉浓度的影 响) 。 3 2 2 锅炉燃油系统 图3 5 燃烧室模型组态图 为了锅炉点火用油和在低负荷下运行助燃的需要，每台锅炉在燃烧器的第三层和第七层配有八 只压力雾化式油枪和二套为锅炉额定负荷30 9 6 的燃油系统，在油泵房内安装有为两台炉燃油备用的公 用系统，该系统有明显的节能特点，在燃油系统处于备作状态时，利用小容量的油泵来保持油系统的 循环，并能使油温满足在锅炉运行中紧急投油助燃的需要。 油枪的自动伸进和退出以及油枪的电点火枪的动作，油阀的开、关均靠继电器控制、压缩空气为 动力的装置来完成，每个油枪均配有一台紫外线火焰监视器来监视油枪的火焰。 图3 6 为现场燃油系统d c s 图，图3 7 为燃油系统模型组态图，可以通过再循环阀来调整油枪 入口油压，控制油压在z m p a 4 m p a 之间，为了简化考虑，以再循环阀后的母管点作为边界点，该边 界点压力由燃油泵启动提供的额定压头，以及再循环阀开度对应下的压损来确定，燃油泵不启动， 边界点压力为o m p a 。 在建模时，将容积模块的f u i l ds e c t i o n 项取为o i l 。 1 6 东南大学硕士学位论文 该模型能达到如下效果： 模拟燃油泵的特性、再循环阀位与油压、流量的关系 模拟各层油枪的投停过程； 模拟压缩空气压力低时，油枪、点火枪失灵等故障。 图3 6 燃油系统d c s 回向 图3 7 七层燃油组态图 1 7 东南大学硕士学位论文 3 3 风烟系统 锅炉的风烟系统