（热能工程专业论文）扬州第二发电厂600mw发电机组锅炉系统建模与仿真.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 为了保持我国电力工业的迅速而稳定的发展，近年来在各地纷纷新建了许多6 0 0 m w 的大型 火力发电机组。出于培训这些电站生产运行人员的需要，以及为了进行电厂的性能分析和故障诊 断的要求，对于6 0 0 m w 火电机组的仿真机的需求量也在增加。 本文以a p r o s 软件为仿真支撑系统，把扬州第二发电厂6 0 0 m w 火电机组的锅炉系统作为 研究对象。在参考了锅炉的运行规程、p i & d 系统图、全厂热力系统图和锅炉结构图的基础上， 根据对象的结构特点和运行特性，对整个锅炉系统进行划分。对各个子系统分别进行建模和调试 的工作，然后再台并各子系统进行联合调试。并且针对a p r o s 软件中无法计算汽包壁温的问题， 在分析了汽包上下壁温差的产生机理的基础上，推导出了相关的数学模型，以外部模块的形式通 过动态连接库联入a p r o s 的模型中。 以现场运行数据为基础，对整个锅炉系统进行调试。将模型在满负荷工况下的运行数据与额 定数据比较，达到了相应的精度要求。分析了锅炉在冷态启动过程中的运行过程，与现场的运行 基本一致。此外通过在不同扰动条件下的检验，得到了锅炉系统的响应曲线，对运行结果进行了 理论性的分析和解释。最后还模拟了锅炉故障，其仿真结果与实际机组的运行过程有较好的一致 性。 a p r o s 所提供的强大的仿真功能使锝本文所建立的锅炉系统的仿真模型能够满足实时仿真 的需求。把该锅炉模型与汽轮机系统仿真模型、发电机系统仿真模型相连接，就能实现对扬州第 二发电厂的6 0 0 m w 火力发电机组的全范围仿真。并且可以以此为平台对电厂运行作经济性分析 和故障诊断。 关键词：锅炉，a p r o s ，支撑系统。仿真建模 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h er a p i da n ds t e a d yd e v e l o p m e n to fo u re l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , n e a r l ym a n y6 0 0 m wl a r g e f i r e p o w e ru n i t sa r eb e i n gb u i l ti no u rc o u n t r y f o rt h en e e do ft r a i n i n gs k i l l f u lo p e r a t o ra n dt om e e tt h e i m p r o v i n gr e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i s ，m o r ea n dm o r es i m u l a t o rw i l lb e p r o d u c e d b a s e do i lt h ea d v a n c e ds i m u l a t i o ns y s t e ma p r o s ，t h em o d e l so fa l ls u b s y s t e m so fb o i l e r i s l a n d f o ry a n g z h o un o 2p o w e rp l a n tw e r ed e v e l o p e dr e f e r r i n gt os o m ed o c u m e n t ss u c ha sb o i l e r r u n n i n gr u l e s ，p i & dg r a p h s ，p o w e rp l a n ts y s t e md r a w i n g sa n db o i l e rf r a m e w o r k ，t h eb o i l e rs y s t e mw e r e d i v i d e di n t os e v e r a ls u b s y s t e m sa c c o r d i n gt ot h ef r a m i n gc h a r a c t e r i s t i c t h ed r u mw a l lt e m p e r a t u r ec a n n o th ec a l c u l a t e di na p r o ss o f t w a r e s ot h em o d e lw a sd e d u c e db ya n a l y s i st h em e c h a n i s m a n dt h e n t 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 r n a lm o d e l s w h i c hi sl i n k e dw i 血t h ef l o wn e t w o r ka n do t h e r m o d u l e so f a p r o s t h eb o i l e rm o d e lw a sd e b u g g e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n to p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so fp o w e rp l a n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eb o i l e r s y s t e mr u n n i n gu n d e rl u l ll o a d ，s t a r tu p ，d y n a m i ct e s ta n ds o m e m a l f u n c t i o n ，t h em o s tp a r a m e t e r sa n dd y n a m i cc u r v em e tt h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n ta n dt h ea c t u a l o p e r a t i n gs t a r e s t h es i m u l a t i o nf u n c t i o na n de x c e l l e n ta r i t h m e t i co fa p r o sg a v et h ep o s s i b i l i t yo fr e a lt i m e s i m u l a t i o n w i t ht h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h et u r b i n e i s l a n da n dg e n e r a t o r - i s l a n d t h eb o i l e r i s l a n dc a n c o m p o s et h e a l l r a n g es i m u l a t o r , w h i c hw i l lb eu s e df o re c o n o m ya n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s e 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 ra n dm 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： 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 兰磁 导师签名日期：i ：1 威 东南大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 建国5 0 年来，我国电力工业有了很大的发展，特别是改革开放2 0 年以来更有较快的发展， 连续跨上t - - 个台阶【l j ：1 9 8 7 年发电装机容量达到1 亿k w ，1 9 9 5 年又突破了2 亿k w i2 0 0 5 年， 我国电力装机容量突破了5 亿千瓦，成为继美国之后世界上重要的电力大国。在现有装机容量中， 6 0 万千瓦机组5 3 台，占总装机容量的1 6 ，大机组已经成为中国电力的主力。 由于大容量机组的出现，使得需要监视的参数和操作的开关大量增加。以一台3 0 0 m w 火电 机组为例h ，有1 0 0 0 多个监视的参数和2 0 0 0 多个操作量，集控室计算机屏幕上的操作画面达到 3 0 0 多幅。面对如此复杂的系统和工艺过程，启动和停运设备的过程和事故处理过程将变得越加 困难。操作人员若不是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造成运行人员对发电设备和生 产过程的干预机会的大大减少。所以，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机上接受培训，经考核方能上岗。 清华大学1 9 8 8 年曾经对电厂运行人员仿真培训效果进行调查，结果是某电厂未经过仿真培 训的一组运行人员在连续1 8 个月内出现7 次事故，其中6 次未能正确操作处理而被迫停机。其中 一次事故造成人员受伤，还有一次事故造成停机长达1 5 天。另一电厂在1 0 个月内发生4 次甩负 荷事故，由于是参加过仿真培训的炉、机、电运行人员操作，相互配合，均能正确处理事故。还 有一个电厂在1 1 个月内发生过5 次事故，包括保护动作、甩负荷、锅炉灭火等，也是由经过仿真 培训的人员操作，结果有4 次均能很快消除事哉，1 0 m i n 内恢复了正常的生产。这些例子说明仿 真培训对电力生产的安全性起着重要的作用。 但是，传统的建模方法效率很低，建模时间长，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。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) 是仿真建模自动化的个方向。随着计算机硬、软件技术的飞 速进步，以及工程应用对仿真提出的通用、及时、方便、面向工程技术人员等技术要求的需要， 在电站仿真技术领域中，明确提出了模块化建模的思想，它把电站仿真技术推上了一个新台阶。 1 2 电站仿真机的研究现状 1 2 1 电站仿真机的发展历程 由于仿真机在电站培训中的重要性被人们逐渐认识，各国【2 l 根据自己的需求不约而同的开始 开发自己的仿真机。 英国中央发电局为了培训运行人员于1 9 5 9 年建立了它的第一台核电仿真机。1 9 6 4 年美国纽 约爱迪生电力局为2 0 0 m w 的一台锅炉安装了仿真机。在日本，1 9 6 6 年东京电力公司建立了一台 燃油电厂火电仿真机。到1 9 7 8 年，全世界约有5 2 台电厂仿真机，其中核电为3 5 台，火电为1 7 台。1 9 7 9 年3 月2 8 日，美国三涅岛核电站2 号机组发生核泄漏。随后此事件调查委员会提出了 东南大学硕士学位论文 报告，建议“每个电力公司应有完全仿真电厂控制室的仿真机。操作人员和管理人员应在该仿真 机上进行培训。) y o 建议对以后的电厂仿真技术和仿真机工业的发展有着深远的影响。主要是：在 硬件上力图全面地仿真电厂控制室，不仅控制室盘台本体和上面安装的各种仪表、记录仪和显示 设备的型号、外观、位置等要和被仿真电厂控制室一致，甚至提出色彩和环境气氛也要一致的要 求；在对象的建模方面要求仿真对象的动态过程与被仿真电厂一致，因而提出了物理基础的建模 原则，以质量、能量、动量三大守恒定律为基础建立设备的数学模型：软件结构上逐步发展为模 块化结构的建模方法。 相对于其它发展中国家，我国的大型火电机组仿真机起步较早。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。此后，清华大学又为原水利电力 部东北电管局完成了2 0 0 m w 全仿真培训系统，荠于1 9 8 8 年5 月投入使用。1 9 8 3 年，华东电管 局组织力量开发了1 2 5 m w 火电仿真机。1 9 8 8 年，西安热工研究所计算机室和自动化室也分别与 山西电力局和华中电管局联合研制了5 0 0 m w 和3 0 0 m w 火电仿真机。 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，华 北电力学院从美国s i m c o n 公司进口了一台5 5 0 m w 火电机组的原理型仿真机；1 9 8 7 年，北京电 力专科学校从美国k 公司进口了一套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 压水堆核电站仿真机，安装在清 华大学；此外，于1 9 8 8 年，从日本引进2 套3 5 0 m w 火电仿真机 1 2 2 仿真支撑系统 仿真支撑系统是一组软件的集合，这些软件包括了辅助建模、建模调试和运行支撑等系统， 通过将它们有机地结合起来，可以在整个仿真周期内为仿真系统开发者和最终用户提供一个开发 和运行环境。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 o 、美国电力研究所研制的m m 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 r 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q h a m s 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 - - 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i 为# l - 仿真支撑环境的发展来看，其主要特点体现在以下方面【3 h 埘： 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体系，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。 2 ) 模块库图形建模技术：使用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 备与部件的精细数学模型，可仿真1 0 0 m w 、2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、5 0 0 m w 和8 0 0 m w 等 不同容量的主力机组和自然循环炉、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，如基本输入廓出模块、p i d 调节 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， 能仿真r l e p e r m - m e 、w d p f 、i n t i 9 0 、m d d 一3 0 0 及m a x - 1 0 0 0 等各种控制系统。库中 2 东南大学硕士学位论文 3 ) 4 ) 5 ) 每个模块均与图形库中的相应图形对应，便于模块化图形建模。 仿真算法及专家知识库技术的应用：将模糊数学、模式识别、神经网络及人工智能等专 家知识库技术引入电站仿真机中，并采用多种仿真算法，以适应电站仿真机不同用途需 要，并为电力生产提供状态监测、性能分析和故障诊断等科学研究环境。 探索系统拓扑结构自动识别和模型自动生成技术：一种面向对象的模块连接与数据通讯 新方法。根据电厂系统图中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，经实例化后就能自动生成仿真程序的目的。 与实际机组联网通讯功能：通过数据库管理系统中的客户，服务器模型，实现与外界的 联网通讯功能。配有多种通用的网络接1 2 、通讯协议( t c p i p 、n f s 等) 及加输入输出 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。 1 2 3 仿真技术的发展趋势 由于现代科学技术在各个领域中的迅速发掌，给火电站的仿真技术带来了良好的发展空间。 随着相关学科的技术进步，火电机组的仿真技术在下列几个方面将会有一个较大的发展： 1 ) 系统计算机软硬件的功能和性能的提高 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，己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 ) 软件对仿真对象的刻画更深入、机理更强 随着计算机速度、容量等性能的提高，我们可以应用更加复杂、全面、深入的数学模型 软件来实现实际机组的动态特性。随着对各个相关学科的研究的加深，应用它们的最新 研究成果，使得数学模型的机理更强，对仿真对象的描述更逼真，数学模型的可信度更 高。 3 ) 仿真系统的应用范围更广 由于上述两个方面的发展，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。 4 ) 仿真内容更丰富、效果更逼真 在利用了先进的多媒体、硬件和机械传动、传感、智能化等技术，使得在仿真系统运行 过程中，操作人员的视觉、听觉、动感等感觉环境更加逼真。 1 3 本文研究内容 1 3 1 本文的研究对象 本人的研究对象是扬州第二发电有限公司# 2 机组的锅炉系统。该锅炉采用n 型布置、全 吊挂结构，炉膛高度为5 6 m ，断面为矩形，其宽度为1 9 5 m ，深度为1 7 3 7 m ，采用s a 2 1 0 a 1 及 s a 2 1 3 t 1 2 两种不同材质的鳍片管构成膜式水冷壁。过热系统采用辐射一对流组合式过热器。过 3 东南大学硕士学位论文 热器由4 级组成：炉项及包覆过热器、低温对流过热器、屏式过热器及高温过热器。再热器由两 级组成：低温再热器、高温再热器。锅炉辅机主要包括；给煤机、磨煤机、一次风机、送风机、 引风机、空预器及除尘器等。 1 3 2 本文的研究内容 本人的主要工作是在分析扬卅第二发电厂2 # 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( 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 ) 模拟的对象包括锅炉本体系统、汽水系统、风熠系统、制粉系统、吹灰系统和排污系统。 2 ) 模拟的运行方式包括从冷、温、热态到满负荷，从满负荷到停炉到全冷态，自动或手动 加减负荷以及在各种误操作下符合实际的运行。 3 ) 模拟各种不同严重程度的故障，故障加入后的仿真结果应符合实际电站运行经验、过程 分析得出的结论。故障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故障的后果，而如果操作不当，则 会使故故障进一步扩大。 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 ) 稳态运行时，运行参数与机组设计参数相比，关键参数误差不大于2 ；其它参数误 差不大于5 动态过程满足：启停机时符合机组运行规程，在正常运行和故障状态 下各参数的动态变化符合物理规律，系统运行参数与参考机组动态参数偏差满足：关键 参数误差不大于1 0 、其它参数误差不大于2 0 。锅炉关键参数包括主汽流量、压 力、温度；再热汽压力、温度；主给水流量、压力、温度；各层燃烧器二次风流量：锅 炉总风量；一次风母管压力、温度；二次风母管压力、温度；烟气氧量；各级减温水流 量：汽包压力。 4 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 仿真支撑软件介绍 仿真支撑软件为模型软件的开发、调试、维护和实时运行提供了一个环境。东南大学动力工 程系于2 0 0 2 年引进了由芬兰国家技术中心( v r r ) 和芬兰f o r i z i m 工程公司合作开发的应用于 热力系统工程分析的仿真支撑软件一- - a p r o s ( a d v a n c e d p r o c e s ss i m u l a t o r ) 。 a p r o s 软件基于w i n d o w s 操作系统，可以进行仿真的开发和实时运行，具有可视化、在线 交互、图形化建模功能，并且建模过程灵活、方便，可以在线监视和修改模型的实时运行数据， 可以用于电厂设计、运行、改造的各个阶段【8 训。 2 2a p r o s 系统的特点 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，可用来建立汽相腋相流体网络模型、 控制系统模型以及电气系统模型。仿真引擎包括各种求解器和模型库，图形用户界面为图形组态 和仿真模型的运行提供了一个方便、在线的方式。 a p r o s 支持在线建模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。一旦仿真机 模型再设计阶段完成，然后只需要花费少许代价就能使之成为校验和训练工具与d c s 一起重复使 用。 2 2 1 丰富而精确的过程模块库 a p r o s 提供了一个预先定义好的过程模块库，其中的每个模块都包含了求解算法。这些基本 模块具有很高的精度，并且模块划分合理，而且可以对某些同一类模块提供不同精度的版本。用 户在利用这些模块建立模型时，只需要从模块库中选择适当的过程模块将它们联接起来，并给出 相关的初始设定参数就可以构建所需要的模型。 2 2 2 方便的图形建模 通过类似c a d 的用户界面程序g n d e s ，利用图形化模块组态和设置模块属性参数，就可以 实现图形化自动建模功能。a p r o s 所提供的模块库覆盖了电厂的大部分设备：管道，阀门，热交 换器，测量装置，发电机，变压器等等。 g r a d e s 包括一个带有对话框的n e t 编辑器，它可用于调整参数值，定义趋势图，修改模块的 图形图案。m t 编辑器是a p r o s 用户界面使用频率最高的工具。它所带有的参数编辑器可用于定 义和修改所仿真的模块。n e t 编辑器也可以用来控制仿真过程。通过创造模块的相关复制联接，模 型可以被分为好几个n e t 。在建立模型中n e t 的数目不受到限制。a p r o s 仿真支撑系统支持对仿 真模型的在线修改，修改后的模型不需再次编译、链接，即可投入使用。在任何时候，配置能被 保存为一个包含模型全部信息的“快照( s m p s h o t ) ”文件，使模型随时返回到前面保存的状态。 5 东南大学硕士学位论文 不管是完整的模型还是模型的一部分都可阻独立地从工作站上导入或导出。这有助于项目之间的 模型的重复使用。 除了提供模型组态和在线修改以外，系统还提供工具来管理模型及仿真计算过程，另外用户 还可以通过g r a d e s 提供的数值监控或者趋势图的方式监视仿真模型的动态特性，趋势图用来显示 模型参数的连续变化，数值监控用来监视指定模块数值监视的某一时刻的值。 用户不必熟悉热工过程微分方程的求解，也不必熟悉编程语言，就可以完成仿真建模。这使 a p r o s 作为一个工具方便于对动态建模没有研究的过程和控制工程师的使用。 2 2 3 与外部系统的通讯 a p r o s 仿真支撑系统具有开放的系统结构，提供了三种与外界进行数据通讯的方式。a p r o s 通讯库( a c l ) 是一个低级别的c 语言库，可使任何客户软件对a p r o s 发出命令以及进行数据 交换，它是基于 i x 2 p i p 协议的实现方式，并且可以在a p r o s 适用的任何硬件平台上使用， w i n d o w sn t 用户可以通过o p c 接口来访问a p r o s 模型。这种方式主要是用于控制系统和可视 化工具进行通讯，但是它也适合也满足o p c 标准的任何应用程序进行数据交换。外部模型机制使 用户在不访问a p r o s 源代码的情况下，向a p r o s 仿真周期插入用户开发的模型，这样就增强了 a p r o s 系统的可扩展性。通过系统提供的接口模块，用户把采用c 或者f o r t r a n 语言编写的 模型代码封装成为个标准接口，这样该自定义模型通过动态链接库，在a p r o s 系统中生成模 型，可以和系统提供的模块一样进行组合和连接。 2 2 4 基于物理建模的求解算法 a p r o s 的热力系统计算是建立在质量、动量、能量以及组分守恒的基础之上的。它提供了设 备流量、固体结构热传导、流体与固体间热传导的求解方法。在求解守恒方程时，模型被分解成 节点( n o d e ) 和连接节点之间的分支( b r a n c h ) 组成的热力计算网络。这个网络由过程组件模型 自动管理，并且生成相应的计算级模型，计算级模型中的属性参数通过过程级模型推导获得。例 如，管路损失系数是通过阀门模型计算求解的。热力节点的主要状态变量包括压力、焓、质量组 分以及管路对应的流量、密度和运动粘度等变量。流量、密度和运动粘度可阻利用压力、焓以及 质量组分通过物性函数计算得到。节点以及分支的状态量会被系统整理成为矩阵方程，方程求解 器可以求解大型非线性方程组。基于物理建模的求解方法使得系统能够快速实时的进行仿真计算。 2 2 5 不同精度等级的设备模型 a p r o s 模型库提供了不同的精度模式，对于每一个模块都可以选择不同的精度等级，而且在 以后也很容易进行修改。这种方式有助于根据模型的精度和仿真的速度建立最佳的模型结构。仿 真的速度是十分重要的。在分析型仿真机上，对模型的精度有比较高的要求，以便对设备的特性 有一个比较深入的了解，对实际系数的动态过程和特性有一个比较好的预测，仿真的速度应当比 实时速度要明显的快，。在仿真机培训时，大型电厂全范围仿真模型必须至少在实时速度下仿真。 在个别的情况下，仿真的速度可以比实时速度要快。 2 2 6 适合各种硬件平台和软件配置 对于a p r o s 多功能仿真支撑系统而言，各种硬件配置的计算机都是可行的。目前a p r o s 6 东南大学硕士学位论文 几乎适用于所有的工业计算机工作站，包括u n i x 、w i n d o w s n t 和w i n d o w s 2 0 0 0 。在图形用户界 面和a f r o s 仿真服务器之间的数据通讯通过基于t c p i p 的a p r o s 命令来实现。在这种情况下 选择客户端和服务器的操作系统时相互独立的，比如w i n d o w sn t 的客户端可以连接到u n i x 的服 务器。升级的过程也很简单，甚至原来的基于w i n d o w sn t 操作系统的a p r o s 服务器被基于u n i x 系统的服务器替代也没有问题，反之亦然。 如果模型太大或者过于复杂，从而导致不能进行实时仿真，那么这个模型可以分成两个或者 多个子模型，分布在不同的工作站上同步运行，通过网络通讯将它们联接成一个整体，组成分布 式并行仿真系统。在多处理器的计算机中，求解过程可以分配给几个处理器同时执行，从而提高 求解的效率。 2 。3a p r o s 的模型结构 2 3 1p r o j e c t ，w o r k s p a c ea n dm o d e l 工程( p r o j e c t ) 是工作组共同开发的项目。它的属性包括可执行文件路径和工程中所有工作 区使用的模型模板。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 模型目录在工作区间进行交互。 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。它的属性包括工作区目录和g r a d e s 用户最大个数，工作区目录是仿真引擎进行读写文件的工 作目录，g r a d e s 用户最大个数是为了避免冲突，限制连接到同一a p r o s 服务器的建模用户的个数。 模型( m o d e l ) 是存储和加载的单位，同时也是仿真运行的单位。仿真系统应用的所有文件都 保存在模型目录下，这些文件包括a p r o s 数据库快照文件( s n p ) ，g r a d e s 图形文件( a p r ) ，图 形符号库文件( c u i ) 以及一些其他类型文件。模型包含所有用于构造模型的组件类型定义和一 些用于控制仿真过程的模块。 在a p r o s 5 系统中，一个工程可以包括若干工作区，一个工作区可以包括若干模型。a p r o s 管 理员或者用户通过工程管理器来管理工程和工作区。通过它，客户程序如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 3 2n e t a p r o s 系统中，模型是在n e t 上进行表达，一个完整的仿真模型由许多n e t 组成。每个n e t 都有一个名称和一个i d 。n e t 名也是图形文件( a p r ) 和窗口的名称，由卜8 个字符组成，它们 也是生成n e t 上模块的模块名的基础。 n e t 也是模型重复使用的单位，即通过导出和导入功能，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 3 3 模块( m o d u l e ) 在a p r o s 仿真引擎中，模型由各个层次的模块组成，比如与每个简单物理过程相关的数据被 归类成对应于过程的一个模块。另外，还有系统中还存有一些把这些模块分别归类管理的模块。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 4 模型类型( m o d u l e t y p e ) 不同类型的模块被分别归类，每个模块类型定义了模块的参数及其功能。 2 3 5 属性( a t t r i b u t e ) 的。 属性是通过访闻模块得到的该模块特有的性质。属性的数值是从属性表中对应的元素中取得 2 3 6 变量( v a r i a b l e ) 为了获得最好的计算效果，在a p r o s 数据库中求解器访问的数据是按照表的形式组织起来的。 用户可以通过d o s 命令来访问变量。大多数变量和模块的属性是相对应的，但也有一些变量和任 何属性都不相关。 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 ，如图2 1 所示，这些预定义的模块保存了模型在仿 真运行时所用到的初始设定。 2 4a p r o s 系统的模型库 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、通讯接口和图形用户界面等组成。 8 东南大学硕士学位论文 2 4 1 p r o s 仿真支撑系统的基本模块库 1 ) 热工过程模块库 热工过程模块库中包括热交换器模块、管道模块、点与节点模块、泵与风机模块、阀门 模块以及其它有特殊功能的模块。 如图2 2 所示，热交换器模块主要有顺流管式热交换器、顺流平板式热交换器、凝结式 热交换器、凝汽器、交叉式管式热交换器和管侧热交换器等。 圈；曩：凰 图2 2 热交换器模块 如图2 3 所示，泵与风机模块中主要包括基本泵、普通泵、电动泵和离心式风杌等。 一_ ! 审一 参i ：j ： 图2 3 泵与风机模块 如图2 4 所示，阀门模块以基本阀、止回阀、控制阀和安全阀为主。 灏一：粕：湖 蓑幸阚止洱一安全问 图2 4 阀门模块 2 ) 自动控制模块库 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。 3 ) 边界条件模块库 9 东南太学硕士学位论文 边界条件模块库包括一些常用的代数函数模块、 4 ) 电气模块库 5 ) 连接线模块库 把不同的模块进行连接所使用的连接线模块有； 道连接模块和通用连接模块等。 6 ) 仿真控制模块库 表格模块和积分模块等。 数字量连接模块、模拟量连接模块、管 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。 2 4 2 热力学计算库 对于不同的仿真机类型，对仿真速度的要求也有不同。在分析型仿真机中，在保持必须的精 度的情况下，仿真速度应该比实时要快。在培训型仿真机中，大型电站模型起码应该达到实时仿 真运行。a p r o s 针对用户的不同需求，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。 在a p r o s 仿真支撑系统的热力学计算库中，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、1 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己。 1 0 精度级别求解器 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。与更高级别的压力一流量求解器不同，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 0 求解器一般只适用于简单、次要的仿真 对象，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。 2 1 精度级别求解器 1 精度级别求解器( 简称为 1 h 1 求解器) 是一个矩阵求解器，通过质量、动量和能量守恒方 程组求解流体网络的压力、流量和焓值。与2 精度级别求解器相比，1 精度级别求解器采用了简 化的质量、动量和能量守恒方程，流体的物性也比2 精度级别求解器少，而且无需进行迭代计算， 因此可以加快仿真速度。l 精度级别求解器只能用于计算流体和壁面不发生传热的单相流体网络。 3 2 精度级别( 3 方程) 求解器 2 精度级别( 3 方程) 求解器( 简称为q i - 1 2 求解器) 也是一个矩阵求解器，它将两相流体视 为均质流体，通过建立均质流体的混合质量、动量和能量守恒方程组来求解流体网络的压力、混 合流量和混合焓。另外，该求解器还建立了壁面摩擦、壁面传热的本构方程，进一步考虑了流体 和固体表面之间的传热现象。材料的物性参数作为压力和混合焓的函数计算得到。 4 5 精度级别( 5 方程) 求解器 5 精度级别( 5 方程) 求解器( 简称为 i h 5 求解器) 通过分别建立汽相和液相质量守恒方程、 汽相和液相能量守恒方程以及混合动量守恒方程可以求解出流体网络的压力、汽相工质的流量、 液相工质的流量、空隙率、汽相工质的焓值和液相工质的焓值等。1 h 5 求解器可用于计算汽、液 两相流体的流动和换热特性。 5 6 精度级别( 6 方程) 求解器 6 精度级别( 6 方程) 求解器( 简称为t h 6 求解器) 是这5 个求解器中最为复杂的求解器， 具有最高的计算精度。该求解器与t h 5 求解器的区别在于其分别建立了汽相和液相的动量守恒方 1 0 东南大学硕士学位论文 程以及相间摩擦的本构方程，进一步考虑了相间的动量传递。 2 5a p r o s 系统基本数学模型 a p r o s 系统中的基本热力算法是组建热力过程模型的基础。基本热力模块中包含的热力过 程求解算法对模型的仿真结果起着至关重要的作用。a p r o s 根据热工过程的特点，结合现存的理 论，提出了自己的求解方案，组建了丰富的基本热力模块库。以下为a p r o s 中一部分热力算法 的介绍。 2 5 1 基本守恒方程 a p r o s 系统的热力模型是建立在基本的质量、 质量守恒方程： 一o a p 兰型：0 m拓 动量守恒方程： 动量和能量守恒仿真基础之上。 ( 2 1 ) 塑+ o a p j _ 2 + a a _ p _ p ，s( 2 2 ) a ta za z 能量守恒方程： o a p h + d a p v h ：s m如 上式中a 表示截面积，表示流体密度， 表示焓，s 表示源项。 2 5 2 压力一流量计算模型 ( 23 ) 表示流体流速，t 表示时间，z 表示坐标位置，h 如图2 5 所示，i 、j 分别表示两个不同的节点，i j 表示管路，上标k 表示迭代次数。 将质量和动量方程迭代进行求解，这样会产生一组压力线性方程组。 矩阵方程： n “岔+ n 口p ；一也 密度线性化为： p p + a _ p a ( p 一p ) o p 质量流速： 瞄= ，“z p ；) 砖) i j i o 一一oj 图2 5 压力流量计算通道 1 1 ( 2 4 ) ( 25 ) ( 26 ) 东南大学硕士学位论文 对于不可压缩流体，在上述压力一流量计算模型中，线性化密度无法计算。如果由于焓变而 引起的密度变化能够通过流入和流出的流体补偿得到，例如，当流体流向外部节点或水箱，则密 度为； ，d = ，( p ， )( 2 7 ) 在式2 4 2 7 中，p 表示密度， 表示焓，p 表示压力，表示质量流速。 2 5 3 焓的计算模型 在a p r o s 系统中，基本物性参数如压力、温度、比容等可以通过表格查询方法快速得到，焓 的线性方程组为： n ；i 砧+ 嘞 岛 ( 2 8 ) 呸= 孵一瓦) 在式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 中，q 表示换热量 数，此系数由相关准则方程计算得到。 2 5 4 其它物性参数计算模型 ( 2 9 ) t 表示温度，下标w 表示外界环境，a 表示传热系 组分份额、容积份额等通过下述方程计算得到。 蒸汽质量份额： x i = f t 孙h 蒸汽容积份额： 口= f ( x 。，p 。) 水位： l = “回 2 5 5 压力和焓不计算时密度的算法 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 对于一些边界的节点，一般将这些节点的压力和焓设定为常数，不参与计算，此时密度如何 求解的问题仍然存在，因为密度如果取为常数的话，相邻节点间会存在流量差，因此，密度必须 计算，可以通过质量守恒方程得到： m p 。可 2 5 6 压力在固定或不固定时的算法 节点压力不固定时，压力计算公式为 见，2 见 + 只 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 东南大学硕士学位论文 节点压力固定时，压力的计算公式为 p 。m a x ( p ，p h ) ( 2 1 5 ) 在式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 中p k 为节点上的总压力，p d ，为节点上空气组分分压力，p ：为节点上 水蒸汽分压力，p h 为节点上人为设定的压力。 东南大学硕士学位论文 第三章6 0 0 m w 锅炉模型的开发 3 1 a p r o s 仿真建模、调试方法 a p r o s 仿真支撑系统中模块库中的模块一般都为具有过程级和计算级两级的模块。而且这些 模块所组成的网络结构是由热力学网络和组分网络所组成的双层网络结构。由于这些a p r o s 系 统的特点使得在a p r o s 的平台上进行建模和调试的工作与以前的传统方式有所不同。 3 1 1 & p r o s 建模方法 ( 1 、 过程级模块与计算级模块 在a p r o s 中所列出的模块中，大部分模块都预定义有两个级别，一