火电厂自动化专题2.doc

科技学院火电厂自动化专题结课报告( 2012 - 2013 年度 第 1 学期)课程名称： 火电厂自动化专题 院 系： 动力工程系 班 级： 自动化09K1 学 号： 091912010105 学生姓名： 董庆峰 成 绩： 2012 年10月仿真技术在火电厂中的应用火电厂仿真机利用计算机仿真技术进行培训的设备。发电设备数学模型计算机提供实时数据， 配合部分或全部真实控制台屏或表示监控台屏的屏幕 显示(CRT)画面，演示与真实情况相同的电力设备各种运行方式的状态，包括起动、正常运行、停机和事 故情况下的状态，可以满足各种目的的培训要求。目前，培训仿真机已广泛用于培训操作人员和工程技术及管 理人员，提高他们的监控能力和运行技术水平。培训仿真机是以计算技术和仿真技术为基础并应 用电网、自动控制、仪表和电厂的锅炉、汽轮机、透平 发电机以及运行专业的理论和实践知识而研制的一种实用装置。仿真机的分类从培训仿真机的培训目的的功能来分类，可 以划分为基本原理型和全仿真型。 甚本服理型所配置的控制台屏不是以某一实际电站为目标，而是从基本原理出发模拟某类型、某容量机组的主要设备和系统，并配置简化的供学员学习和掌握基本原理的台屏或可以进行操作和显示操作结果参数的CRT画面，或兼有台屏和CRT画面。用以培训新的操作员或在校学生，使其从直观上学习和掌握 电厂设备和系统特性、物理过程、介质流程及故障的原 因和结果。为在全仿真型培训仿真机或实际电厂操作打基础。硬件系统一般包括:微型机或小型计算机; 磁盘、打字机等外围设备;输人/输出接口和教学考核设施;台屏。台屏仿真有两种型式:模拟台屏型。 模拟屏上布里有主要设备和系统流程图，配有主要参数指示仪表;操作台与屏一般联成一体，台上布置有控制台硬件设备诊断;显示图像;在线数据库监视. 学员成绩评价;计算机辅助练习等。通过教练员台控制屏和CRT画面配合实现功能选择.画面选择有专家方式和菜单方式。虚拟DCS仿真虚拟DCS(Virtual DCS)是相对于在过程工业系统中运行的真实DCS(Real DCS)而言的，虚拟DCS就是将真实DCS在非DCS的计算机系统中以某种形式再现。虚拟是现今广泛使用的一种高新技术概念，比如有实现视景模拟的虚拟现实、采用CRT交互的虚拟仪表、构建远程多媒体双向通信的虚拟会议等等。当然，虚拟技术是完全建立在当今高性能的计算机硬件、软件和网络系统之上的。虚拟DCS不同于其它虚拟技术的是，其被虚拟对象也是计算机系统，而不是一般的物理系统。虚拟DCS就是要在计算机系统上再现计算机系统，具体地说，就是要在一种通常为开放平台计算机信息管理系统中，尽可能真实地再现集散控制计算机系统。虚拟DCS正是过程工业数字化的基础之一。在实际应用中，为了达到设计调试、人员培训、检测诊断等系统应用目标，需要将真实DCS在非DCS的计算机系统中再现。目前共有三种形式，是分别根据DCS的控制设计、离线组态和构成运行系统等生命周期的不同阶段获取系统资源而实现的1. 激励DCS(Stimulation)通常是简略输人/输出板卡和外设，采用真实DCS的硬件、软件和网络系统的适当或最小配置，再现DCS。激励DCS具有最高的软硬件逼真度，但是软硬件实现成本很高，与对象模型系统连接较难，无法完成复杂的仿真应用功能。2. 虚拟DCS(Virtual DCS)在完成 DCS组态之后，采用对DCS网络下载文件迸行智能编译转换的方式，实现DCS的平台转移和再现。虚拟DCS应具有极高的软件功能逼真度，实现成本不高，能够完成复杂的仿真应用功能。3. 仿真DCS(Simulation)只要DCS完成控制功能和逻辑设计，就可以根据设计图纸进行仿真。仿真DCS是多年来培训仿真系统的通常采用的形式，虽然实现成本不高、能够完成复杂的培训仿真应用功能，但软件功能逼真度和可信度相对不够高，跟踪修改较难，几乎不能完成人员培训功能以外的高级应用功能。虚拟DCS的特点，就是控制参数和算法完全来自于下载文件，使用与DCS相同的算法、模块、时间片、位号等，可以同步修改更新，软件功能逼真度很高。可以说，虚拟DCS能够真正有效、经济和广泛地应用于人员培训和在线检测诊断，满足火力发电等过程工业数字化的需求。正文：一、引言 火电厂是由一系列相互作用、相互关联的部件组成的大型系统，对其整体的认识是需要一个周密、完善的组织和计划。运行人员在真正进入到电厂操作DCS之前需要进行仿真机培训，当培训人员在仿真机上培训时可以体会到在真实电厂里操作的感觉，通过培训进行仿真机的学习。那么仿真机就需要有能够真实模拟DCS的功能。仿真技术在电厂中的应用已有相当长的历史，它主要应用于新型控制系统的设计控制器参数的优化、运行人员的操作培训、火电厂中事故分析、优化运行规程等。仿真技术带来了巨大的社会效益。二、仿真在了解电厂仿真技术之前首先要知道什么是仿真。仿真是实例每天都在我们身边发生。例如：当我们每天早晨让你起床的时候，我们的大脑中总要预想一下在我们周围将要发生的事情：今天将要遇到什么人、什么事情，将怎样处理这些事情。这一想象过程会使我们更有效的处理遇到的各种情况。可见，仿真包括两大过程：建模和仿真。1 模型是对真实世界过程、概念或系统的结构、行为等某些方面的特征的理想近似表述。模型又分为：物理模型和数学模型。物理模型是用物理相似的方法建立的模型。数学模型是用数学符号和关系式表达的模型。 仿真是建立物理或/和数学模型，使其与真实世界过程、概念或系统(仿真对象)在相同受控输入下的特性是相像的。仿真分为物理仿真和数学仿真。物理仿真是使用物理模型进行仿真对象的仿真。物理仿真的理论依据是相似理论，其必要条件是几何相似。数学仿真是使用数学运算工具和数学模型对仿真对象的仿真。数学仿真实质上就是对该数学模型进行求解。 数学仿真又分为模拟仿真、数字仿真和数模混合仿真。模拟仿真是使用模拟计算机和/或模拟电路进行仿真对象的仿真。数字仿真是使用数字计算机进行仿真对象的仿真。数模混合仿真是使用数字计算机和模拟计算机和/或模拟电路进行仿真对象的仿真。 除了要知道什么是物理仿真和数学仿真外还需要知道什么是实时仿真。实时仿真的英文名称：realtime simulation。实时仿真是系统仿真模型的动态过程与实际系统的动态过程的时间进程完全相同的仿真研究。实时仿真是在仿真过程中，在任一实际时间段内表达了仿真对象相同时间段的特性。与实时仿真相对还有非实时仿真(Non-real time)，非实时仿真时系统的响应速度与实际系统的响应速度不同。它包括亚实时仿真(Slow time)和超实时仿真(Fsat time)。亚实时仿真是系统仿真模型的时间过程慢于实际系统的时间过程的仿真研究。超实时仿真是系统仿真模型的时间过程快于实际系统的时间过程的仿真研究。 从现场取实际运行数据库然后进行仿真用得较多的就是实时仿真。 仿真根据所描述的系统类型来划分可分为连续系统仿真和离散事件系统仿真。连续系统是指其输出随时间连续变化的系统，它的输出在任何时刻或者任何时间间隔都可以测量到。在我们周围世界存在的系统大多数都是连续系统。离散事件系统则不同，其输出不随时间连续变化，它的输出仅能在一丁点离散时间间隔中测量到。三、仿真技术仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。信息处理技术和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。将先进的仿真技术与网络技术相结合，由真实装备和计算机仿真系统综合仿真系统组成仿真环境，用计算机网络把新武器系统和分散在不同地点的研制者、用户联系在一起，让用户在仿真环境中提前“使用“正在研制的武器，让研制者能提前了解武器的作战使用，双方共同研究，及时发现和解决问题。这样不仅加快了武器系统的研制进度，也缩短了新武器形成战斗力的时间。在部队训练方面，仿真技术同样大有用武之地。同样它也应用到了火电厂的运行人员培训。 美国陆军到 80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方法。战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局1983年开始实施 模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。仿真技术是一项国防关键技术，对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用 ，已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。同样它也广泛的应用到了工业领域、科技领域、航空、航天领域、经济领域、环境领域和社会学领域。 仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。 因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。所以仿真技术也不是什么新有名词，认识和学习仿真技术是我们作为当代大学生必要的一种技能。四、仿真技术在电厂中的发展电厂仿真系统是将仿真技术应用于电厂所构建的仿真系统，目前主要用于人员培训。其称呼还有很多，比如电厂仿真培训系统，电厂模拟培训器，电厂仿真机，等等3。 现代电厂仿真技术的发展，给电力工业的安全生产提供了坚强的物质基础；电厂机电一体化的普遍应用，自动化水平不断提高，又不断地给电厂仿真技术提出了新的课题。电厂仿真技术的合理应用与电力安全生产已经密不可分。 从20世纪50年代开始，西方几个主要发达国家，由于核电站安全运行的需求，开始研制核反应堆和核电站的操作模拟培训器。到20世纪70年代，已建起了相当数量的核电站培训仿真中心，对提高运行人员的操作水平，起到了非常重要的作用。我国最初没有自己的仿真技术，到20世纪80年代初，清华大学热能工程系开始研制自己的电站模拟培训系统，并于1982年完成了我国第一台电站仿真机的研制。 随着单元发电机组容量越来越大，系统越来越复杂，对它的经济运行、安全生产提出了更高的要求，仿真系统是实现这个目的的最佳途径。通过仿真系统可以优化运行过程，可以培训操作人员。电站仿真系统己成为电站建设与运行中必须配套的装备。早期培训用仿真机大都包含对DCS系统的仿真，但往往比较简单，基本都是“黑盒子”模型，与实际系统有着很大的差别。其主要作用是对机组运行人员的培训。现代的仿真系统，不但可用于对运行人员培训，而且可对热控人员进行DCS组态与培训。 另外，针对新型发电技术，也有相应的仿真机问世，例如循环流化床电站仿真机，超临界机组电站仿真机，IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle, 整体煤气化联合循环)电站仿真机、垃圾焚烧电站仿真机，等等。 现代的电站仿真技术，比早期的电站仿真有了非常大的发展，具有不可比拟的优势。但随着技术的进步和实践，性能不断趋于完善，涉及的领域和服务功能将更为广泛。 (1)电厂仿真目前最小仿真步长达到10个毫秒，是否实现精度更高的仿真周期，将是一个研究的方向。(2)由于仿真功能的强大，仿真机已经纳入电力培训领域上岗前的必备内容。随着技术的发展和实践，电站仿真系统在电力生产的安全管理、事故分析、经济运行、调节优化等方面的模拟实验上，将得到更为广泛的应用。(3)建模理论和方法，仍然是推动仿真技术进步发展的重点研究方向。它是系统仿真可持续发展的基础五、火电厂仿真机的应用随着仿真机水平和开发能力的不断提高，以及对仿真机功能的需求面不断扩大， 仿真机的应用范围也愈来愈广。相应地把仿真机分成了不同的类型，其主要分类依据如下。a.仿真对象：是一般的典型机组，还是专门针对某一套机组；b.仿真范围：是覆盖一套火电机组的全部内容，还是部分内容；c.仿真深度：是仿真机组的全工况范围（正常、启停、事故等工况），还是部分工况；d.仿真用途：用于培训或工程设计、分析；e.仿真DCS（集散控制系统）的方法：是全部或部分采用真的DCS计算机软、硬件与仿真机相连（激励方式），还是用仿真方式实现DCS软、硬件的功能。5.1用于机组设备和系统的工程设计 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，当整套机组还仅仅是在图纸上时，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在设备选型、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。 5.2 用于机组逻辑保护和控制系统的设计、调试 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。 这种用途的仿真机通常应采用激励(stimulation)方式，即直接把实际机组今后投运时所要用的或等同的计算机控制系统的软、硬件与仿真机相连，仿真机上运行除控制系统以外的机组仿真软件。这样修改、调试后的控制系统软件就可以直接被复制到实际机组上。 5.3 为确定机组运行方式、制订操作规程提供依据 在上述5.1节、5.2节的基础上，机组与控制系统形成一个协调的整体，这时可在仿真机上进行机组在各种运行工况（包括手/自动切换、联锁保护投/切等状态下的正常扰动、启停、事故工况）下的仿真试验，确定机组在各种工况下的最佳运行方式和操作步骤，以及对事故工况的判断和处理方式，为制订正确的机组运行规程提供依据。 5.4 用于机组在运行过程中的设备和系统改造的仿真试验 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）或控制系统进行改造或更换时，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。 5.5 用于运行人员的培训 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，以及在机组的正常扰动、启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。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计算机集散控制系统（DCS），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。 5.6 用于热控人员的培训 与控制系统的设计、调试一样，这种用途的仿真机一般应采用激励方式。电站热控人员通过仿真机可以熟悉DCS的组态环境和调试方法，进行控制系统优化试验，以及在机组改造后对DCS进行修改的仿真试验。到目前为止，在我国采用激励方式的仿真机还不多，其主要原因是价格问题。而在国外一些公司（如ESSCOR）就比较倾向于用激励或部分激励方式的仿真机，尤其是控制系统的算法和组态软件与实际控制系统相同，原因主要是他们的仿真机人工开发、维护费用较高，且激励式的应用范围广。 5.7 用于对实际机组的运行数据分析、故障诊断 通过把仿真机与实际机组的数据采集系统（DAS）相连，把现场数据传到仿真机上，与仿真机上的运行数据、曲线等资料进行分析、比较，为了解实际机组的运行过程，尤其是对事故工况的分析提供参考，并作为选择系统改造方案、改进对事故工况的诊断和操作规则的依据。 我国火电机组仿真机的应用始于80年代。1983年和1988年，清华大学先后开发了我国第1台200 MW部分范围和全范围仿真机，1988年东南大学与原华东电管局合作开发了我国第1台125 MW全范围仿真机。在这期间，华北电力大学、北京电力专科学 校从国外引进了550 MW和300 MW火电机组仿真机。进入90年代，随着电力部门对仿真机的需求量增加，以及对仿真机研究、开发能力的提高，我国火电机组仿真技术得到了迅速发展，仿真机的软、硬件技术都有了很大提高，仿真机的研制、开发单位也增加了很多，包括有些购买仿真机的单位，现在也已具备了一定的仿真机开发能力。但是，目前国内火电机组仿真机的应用范围仍比较窄，主要集中在运行人员培训用仿真机，而用于工程设计、控制系统调试、分析等其他用途的仿真机还很少。六、 当今火电机组仿真技术的特点当今火电机组仿真技术的特点当今火电机组仿真技术的特点当今火电机组仿真技术的特点 先进的仿真支撑软件。在数据库、模块库、仿真机运行控制等基本功能的基础上，仿真软件的重点主要放在：建立机理性、精确性更好的仿真对象数学模型（模块）；图形交互式程序自动生成系统；功能丰富、使用方便的软件调试环境；性能价格比高的仿真机硬件系统（包括计算机I/O接口、网络通信设备等）。高性能、低价格的计算机（工作站、服务器、高档微机）为建立更加复杂、准确、全面的仿真软件（包括模型软件、支撑软件等）提供了良好的环境；采用与计算机硬件无关的软件平台（UNIX，Windows NT等）给机型选择，软件的维护、升级、移植带来了很大的方便；完整的仿真系统设计、开发、检查、验收的规范体系，为仿真机在研制过程中各个阶段的质量和工期提供了保证；能够支持机组从设计、调试到运行、优化、改造各个阶段的多功能仿真机，如：工程分析、人员培训等。或者适合某个阶段的仿真机只要在其基础上做少量、局部的改造就可以满足另一阶段的要求；详细、有针对性的仿真机应用指导及其辅助软件，如美国EPRI的仿真机与培训中心的ITS（intelligent tutoring system）,CBT（computer-based training）,OJT(on-thejob training)等，其作用是根据不同的培训对象、培训时间、仿真机类型等制订有针对性、科学的培训计划，提供生动、灵活的培训教学方式和自我学习、自我评价的智能化手段，以提高仿真机的使用效率，减少盲目性和随意性，充分发挥仿真机应有的作用；灵活的仿真机提供方式。例如：EPRI的仿真机与培训中心，在仿真机用户不能或不想提供足够的经费来购买一台专门针对本机组的全范围仿真机时，可以有不少30种类型的已有仿真机供用户选择。使用户得到的仿真机功能虽不如专用仿真机，但优于一般的通用仿真机，而价格却大大低于专用仿真机4。该中心甚至可以向用户出租仿真机，给用户提供了一种更加经济、灵活的仿真机使用方式当今火电机组仿真技术的特点当今火电机组仿真技术的特点当今火电机组仿真技术的特点 先进的仿真支撑软件。在数据库、模块库、仿真机运行控制等基本功能的基础上，仿真软件的重点主要放在：建立机理性、精确性更好的仿真对象数学模型（模块）；图形交互式程序自动生成系统；功能丰富、使用方便的软件调试环境；性能价格比高的仿真机硬件系统（包括计算机I/O接口、网络通信设备等）。高性能、低价格的计算机（工作站、服务器、高档微机）为建立更加复杂、准确、全面的仿真软件（包括模型软件、支撑软件等）提供了良好的环境；采用与计算机硬件无关的软件平台（UNIX，Windows NT等）给机型选择，软件的维护、升级、移植带来了很大的方便；完整的仿真系统设计、开发、检查、验收的规范体系，为仿真机在研制过程中各个阶段的质量和工期提供了保证；能够支持机组从设计、调试到运行、优化、改造各个阶段的多功能仿真机，如：工程分析、人员培训等。或者适合某个阶段的仿真机只要在其基础上做少量、局部的改造就可以满足另一阶段的要求；详细、有针对