50MW熱電站仿真機研制及運行侯小剛（南京動力高等專科學校 南京210042）［內(nèi)容摘要］文章論述了熱電站仿真機在仿真范圍、數(shù)學模型、計算機系統(tǒng)、控制盤臺設計等方面的主要特點，介紹了熱電站仿真機運行的情況。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，發(fā)電設備向著高參數(shù)、大容量、高度自動化方向發(fā)展，對運行人員的要求越來越高，原有的學徒式跟班培訓方法已相對落后。由于計算機的迅速發(fā)展，仿真培訓裝置在工業(yè)化國家已普遍采用。仿真技術逐漸從航空航天領域、核電領域擴展到火力發(fā)電領域。近十多年我國各類仿真機應用方興未艾，已建立了數(shù)十套電站仿真系統(tǒng)，配置在有關電廠、電力局培訓中心、有關專業(yè)院校。電站仿真機在培訓電廠運行人員提高運行水平方面效果極為明顯，對電廠的安全、經(jīng)濟運行起到很好的作用；對有關院校提高學生工程實踐能力也起到了很好的作用。仿真范圍及深度的確定本仿真機以一石化企業(yè)自備熱電站為仿真對象。鍋爐為HG—220/100—YM10型自然循環(huán)汽包爐，汽機為CC50—90/42/15調(diào)整抽汽式供熱機組，發(fā)電機為QFS—60—2雙水內(nèi)冷機組。熱力系統(tǒng)為母管制。汽機的兩級調(diào)整抽汽分別供應大型石化企業(yè)中工業(yè)透平用汽、工藝用汽、低壓蒸汽用戶等。50MW供熱機組屬于高壓機組，在我國石化、冶金、化工等企業(yè)自備電站及區(qū)域熱電站中較為典型，裝機量較多。該仿真機主要用于運行人員培訓。初學者經(jīng)過培訓應能掌握機、爐等熱動設備及其輔機在各種啟停方式下的運行操作、故障處理等技能。熟練操作人員經(jīng)過仿真機反事故演習培訓，在事故處理能力方面有顯著提高。基于上述仿真對象的特性及仿真機的使用要求，首先應確定仿真范圍。汽機部分：包括主蒸汽系統(tǒng)、汽機本體、凝結水及給水回熱系統(tǒng)、射水抽氣系統(tǒng)、除氧給水系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)及油系統(tǒng)、發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)、熱網(wǎng)系統(tǒng)等。鍋爐部分：鍋爐本體、制粉系統(tǒng)、燃燒及風煙系統(tǒng)、蒸汽及汽水系統(tǒng)、吹灰及排污系統(tǒng)、、安全保護及聯(lián)鎖報警等。發(fā)電機部分：發(fā)電機本體、發(fā)電機保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、主變及保護系統(tǒng)、線網(wǎng)、廠用電系統(tǒng)、開關刀閘系統(tǒng)、自動裝置聯(lián)鎖等。考慮到培訓的需要，為了便于學員熟悉熱動設備的真實操作環(huán)境和真實熱力系統(tǒng)，增強舉一返三、觸類旁通的能力，對于仿真范圍內(nèi)的熱力系統(tǒng)和設備基本不作簡化。如回熱加熱器疏水，不僅考慮了正常疏水，而且考慮了加熱器故障從系統(tǒng)中切除后疏水的切換操作，故障時水位過高緊急疏水的需要等。對各種非正常運行工況，都有相應的管路和閥門供切換操作。二數(shù)學模型特點電站仿真技術是隨著計算機技術在工業(yè)中的普遍應用而發(fā)展起來的，是計算機技術與電站設備、熱工過程數(shù)學模型研究的有機結合。目前國內(nèi)已有的仿真機組，均是模擬電力系統(tǒng)中功率在200MW以上的單元制機組，考慮母管制系統(tǒng)特性的仿真機組還未見報道。本仿真機仿真對象是母管制系統(tǒng)。各設備工況相互牽連、相互影響。為了能夠反映母管制電廠的運行特點，不能將其化簡為1爐1機的單元制來處理，故將仿真范圍確定為2爐1機、2臺除氧器、2臺給水泵互為備用。這樣勢必在數(shù)學模型上作更多的處理以體現(xiàn)母管制的特點，使之能夠反映鄰機鄰爐等并列運行設備工況變化的影響。該機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)為旋轉阻尼全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于有兩級調(diào)整抽汽，為了實現(xiàn)熱電負荷的獨立調(diào)節(jié)（即靜態(tài)、動態(tài)自整）。加上保安系統(tǒng)、整個調(diào)節(jié)保安部分就較為復雜。在建立調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型時，考慮到符合培訓的需要，仿真模型內(nèi)部應是“能觀”的，即不能作為“黑箱”處理。因此，仿真機盤臺上不但要顯示熱電負荷、調(diào)節(jié)閥開度、高中低壓油動機行程等，而且對調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部的一些重要參數(shù)也要監(jiān)視。如放大器和各調(diào)壓器的脈沖油壓、一次油壓等。所以必須按照真實的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將各環(huán)節(jié)之間的邏輯聯(lián)系、數(shù)量關系、相互作用在數(shù)學模型中完整地反映出來。這樣處理有助于學員深入地認識系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參量之間的關系。如放大器、調(diào)壓器碟閥的相對位移與轉速、一次油壓、熱網(wǎng)蒸汽壓力變化之間的關系。油動機行程與放大器、調(diào)壓器碟閥的相對位移的關系。油動機行程與調(diào)節(jié)閥開度之間的關系等。圖1調(diào)節(jié)系統(tǒng)各參數(shù)關聯(lián)圖在電站控制系統(tǒng)中，除了水位、溫度、壓力等一些模擬量的控制外，還大量存在開關量的控制：如聯(lián)鎖保護、熱工信號報警、順序控制等。這些量之間的邏輯關系反映正確與否往往對仿真質(zhì)量有重大影響，可以說比模擬量控制中某個參數(shù)偏差一些影響更大，所以要給予充分地注意。在軟件中編制相應的邏輯模塊，才能全面地描述和表達機組從暖管、沖轉、暖機、升速、并網(wǎng)、帶負荷、熱電負荷的綜合調(diào)整，故障設置與處理的全部過程，實現(xiàn)全工況仿真。該機組為了提高啟停速度和減少啟停時主設備的熱應力，設置了法蘭螺栓加熱裝置。故在仿真模型中對汽缸轉子溫度場計算，熱傳導，熱應力，熱膨脹計算等方面作了許多工作。既要考慮啟停時的動態(tài)傳熱，又要考慮法蘭加熱投入與否等各種情況。這部分模型有很好的表現(xiàn)并可用于大機組熱應力計算。（集控大機組自動啟停時熱應力控制就是根據(jù)蒸汽溫度及溫升速度利用上述模型計算的）由于是雙抽機組抽汽口與熱網(wǎng)管道容積大，抽汽容積時間常數(shù)在很大范圍變化。因為與其它環(huán)節(jié)時間常數(shù)相差過大，形成所謂的病態(tài)系統(tǒng)，容易造成仿真結果的發(fā)散。在解決這個問題時，主要用內(nèi)部變時間步長的方法來解決。在保證模型穩(wěn)定的情況下，還可少占用計算時間。可以由指導員方便地設置故障，由學員根據(jù)聲光信號、儀表指示分析、判斷并處理，防止事故擴大，這些故障可以是單項的，也可是組合的，并可在短時間內(nèi)反復強化訓練。有存盤凍結功能，可以使培訓在任何時候中斷，間隔一段時間后，再從中斷處繼續(xù)進行訓練。仿真軟件在總體設計上還可滿足某些特殊需要。如單獨培訓汽機崗位人員或鍋爐崗位人員，這時鍋爐、汽機可分別單獨啟動直至滿負荷。這樣在培訓或實習安排上具有更大的靈活性。三計算機系統(tǒng)與接口系統(tǒng)硬件環(huán)境的配置必須在總體設計時加以仔細考慮。因為配置的結果，對仿真機的性能、軟件結構都有很大的影響。本仿真機的計算機系統(tǒng)及硬件環(huán)境如圖2所示。圖2仿真機硬件環(huán)境主機采用普通的PC機，在PC機的擴展槽上加插FORCED板。FORCED板中包含的TRANSPUTER處理器為INMOS公司開發(fā)的一種并行處理機。主處理機（如T8）與接口處理機（如T2）可構成一并行處理機網(wǎng)絡，系統(tǒng)實現(xiàn)同構，發(fā)揮并行處理的強大功能。圖3TRANSPUTER的連接0為PC主機接口。1、2、3為LINK高速數(shù)據(jù)通訊鏈接口。可以20Mbit/S的速度實現(xiàn)雙向串行方式通訊，并可加遠程驅動，滿足電站仿真機系統(tǒng)規(guī)模大、實時性的要求。UP、DOWN、SUB為形成TRANSPUTER加速網(wǎng)絡所需的子系統(tǒng)接口。采用這樣的系統(tǒng)配置有很高的性能價格比，并為聯(lián)機調(diào)試、軟件設計帶來了很大的靈活性。盤臺操作開關、按鈕、手柄等動作后，相應觸點閉合，作為數(shù)字量輸入“DI”信號經(jīng)I/O接口轉換后送入主機處理。由數(shù)學模型給出的有關熱工信號、指示燈狀態(tài)、各顯示儀表參數(shù)值，分別作為數(shù)字量輸出“DO”或模擬量輸出“AD”信號經(jīng)I/O接口送到控制盤臺相應光字牌、指示燈、顯示儀表處。由于電站系統(tǒng)龐大復雜，I/O接口通道均在2000路以上。本接口系統(tǒng)按模塊化設計。每個接口箱有16x32路I/O通道，便于接口板互為插接替換。各接口箱經(jīng)高速數(shù)據(jù)鏈遠程驅動互連。各接口箱采用16位并行處理機（T2）作為控制芯片與主機構成并行處理機網(wǎng)絡。若主機不使用并行處理機，直接由高性能PC機擔任主機工作，仍可使用該接口系統(tǒng)，發(fā)揮其高速通訊和處理的性能優(yōu)勢。在這種情況下，只需要在接口系統(tǒng)與主機之間加裝一適配板，解決主機總線與并行處理機數(shù)據(jù)LINK之間串/并轉換，提高通訊速度，實現(xiàn)遠程驅動。采用上述接口系統(tǒng)，接口管理軟件可與主機上的應用系統(tǒng)軟件一同加載后運行，為軟件設計與調(diào)試帶來了方便。采用上述計算機系統(tǒng)，在仿真軟件的編制上有許多特點。如仿真數(shù)學模型在FORCED板上運行，其宿主機（PC機）僅對仿真過程進行管理。如啟動數(shù)據(jù)從磁盤機上讀取或存入、仿真速度的切換、工況的變換、是否凍結、是否需打印報表等。PC機的處理能力便游刃有余。這樣的特點對于大型的軟件工作是有利的。對仿真過程的管理軟件部分，使用C++編制。由對計算機系統(tǒng)比較熟悉的人員承擔。他們無需顧及對專業(yè)知識要求較高的數(shù)學模型部分。仿真數(shù)學模型部分，用并行FORTRAN編制。專業(yè)知識豐富的數(shù)模軟件開發(fā)人員，往往對FORTRAN等用于科學計算的程序設計語言熟悉。電站設備及過程仿真方面、前期積累的成果用FORTRAN語言編制的較多，可以在數(shù)模軟件設計中方便地引用。數(shù)模軟件開發(fā)人員可更多地專注于自己專業(yè)領域的問題，使數(shù)模軟件開發(fā)的效率和質(zhì)量都大大提高。四控制盤臺設計仿真機盤臺基本上與真實控制室設備相一致，有各類顯示儀表、記錄儀表、各類手操器、聯(lián)鎖開關、電動門按鈕、熱工報警光字牌、巡檢儀等。作為培訓用仿真機組并非要與真實控制室絲毫不差，全盤“映射”過來，而是根據(jù)實際需要有所取舍。如現(xiàn)場控制室有好幾個記錄儀，累積流量計等，這些表計較貴且占盤臺面積較大，可省去這些儀表。而這些熱工參數(shù)的記錄、累積可由軟件很方便地實現(xiàn)。需要對這些重要參數(shù)的“歷史”回溯時（如事故分析）可能隨時在計算機顯示屏上調(diào)閱記錄曲線。對一些不在主控制室內(nèi)完成的操作，如除氧給水部分、熱網(wǎng)控制部分以及一些手動閥門的操作，則在就地操作站上進行。所謂就地操作站，就是一臺或數(shù)臺與主機相連的計算機，可在其屏幕上顯示仿真對象各系統(tǒng)圖，通過人機交互用鼠標移動光標至相應閥門處完成啟閉操作。應用多媒體技術，使用觸摸屏，在屏幕相應位置直接用手完成閥門啟閉操作則更為便捷。輔助顯示為一臺或數(shù)臺計算機支持的大顯示屏，可在上面動態(tài)顯示機組運行曲線，幫助學員把握運行趨勢；可與預先給定的參考運行曲線比較；可分頁顯示各系統(tǒng)圖并在相應位置動態(tài)顯示各參數(shù)值。這些功能既直觀、又醒目，為培訓學員帶來了極大方便。圖4冷態(tài)滑參數(shù)啟動曲線五運行情況眾所周知電廠是個自動化程度較高、設備投資巨大、安全連續(xù)生產(chǎn)要求高的企業(yè)，學員實習時心存疑慮，害怕誤動，誤碰而出現(xiàn)安全責任事故。因而電廠運行人員的培訓、提高比在其它專業(yè)困難。有人戲謔地稱為“君子動口不動手”。可以看，可以問，但不能動手。實習成了大型參觀，下馬看花而已。更由于電廠的啟停是由電網(wǎng)調(diào)度決定的，因而即使能動手進行一些操作，在短短幾周內(nèi)也不可能進行電廠的全部啟停、并網(wǎng)、事故處理等操作。可以說連“看花”也難以看到全貌。為了讓學員深入掌握熱動設備啟停的一般規(guī)律，增強分析問題和解決問題的能力，為此我們將仿真機運行培訓分為三大塊，一部分是熟悉了解控制操作臺設備作用、功能、使用方法，熟悉熱力系統(tǒng)及各管路、閥門、設備的功能。第二部分則在實習指導老師的指導下完成鍋爐、汽輪機、發(fā)電機主機及其輔機的全部啟動、停機、負荷調(diào)整、故障處理等操作訓練。第三部分根據(jù)仿真機運行訓練過程，列出數(shù)百道思考題，學員一邊運行實習，一邊深入分析這些題目，還可以邊分析題目邊在仿真機上驗證。在實習指導老師的指導下，學員可輪流在鍋爐、汽機、電氣各崗位上完成了電站全部的啟停、正常運行調(diào)整，各種試驗、事故處理等操作訓練。結合現(xiàn)場認識實習對電站熱力系統(tǒng)，各控制盤臺操作設備，機組啟停的初步認識。再經(jīng)過仿真機運行實習，進一步深化這些認識，掌握機組各種啟停方式的全過程，進行事故設置和處理。在實習過程中經(jīng)指導老師的現(xiàn)場講解，在分析問題和處理問題的能力上也有較大提高。在仿真機運行培訓中，還可進行熱網(wǎng)管道、閥門的切換，熱負荷調(diào)整，調(diào)壓器的投入與切除等操作。這些功能特別適于化工、石化行業(yè)的自備熱電廠運行人員的訓練。學員反映：通過仿真機培訓能靈活運用基礎知識了。例如，對調(diào)速系統(tǒng)，理論課學習時盡管老師講得很多，也能看懂圖，但總覺得不夠具體，通過這次實習，自己邊動手操作，邊注意觀察現(xiàn)象，和理論聯(lián)系對照，終于有了更深刻的印象，也弄懂了許多問題。再有就是培養(yǎng)了自己的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。例如，在升速暖機時，發(fā)現(xiàn)后汽缸超溫，此時應將后汽缸噴水聯(lián)鎖投入，使后汽缸溫度降下來。對于運行人員最重要的就是要能在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，并及時處理問題。仿真機培訓的最大優(yōu)點，是指導老師能在學員操作完畢后，馬上進行講解，作進一步分析。從而讓學員知其然，且知其所以然，從操作到理論都心悅誠服，也在記憶里留下了深刻印象。搞熱工運行的人要膽子如天，心細如發(fā)。而這樣的經(jīng)驗和能力不是短期內(nèi)就可以形成的，仿真機的實習給了學員這樣的機會。不同的熱力系統(tǒng)，無非都是這種原理，大同小異。以后再見到別的機組，萬變不離其宗，就能夠舉一返三。該仿真機還可供電站運行人員進行反事故訓練。南京金陵石化公司熱電廠，山東濟寧里彥電廠、山東滕州熱電廠、常州橫山橋熱電廠、揚子石化熱電廠、廣州石化總廠熱電廠等單位運行人員分別在該仿真機上進行了反事故演習和操作運行培訓，對提高運行人員運行水平和處理事故的能力起到了很好作用。經(jīng)被培訓人員使用后認為：該仿真機性能良好、穩(wěn)定，可以實現(xiàn)電站各種運行工況的操作訓練。盤臺操作設備、顯示儀表、熱工信號等與現(xiàn)場一致，操作靈敏，反映正確。就地站和輔顯系

統(tǒng)圖對初學人員熟悉系統(tǒng)很有幫助。就地站各操作點，能滿足各種運行工況就地操作的需要。輔顯表格和曲線的設置為啟停等操作時運行人員控制啟停速度提供了極大方便。故障設置和處理訓練，為熟練運行人員提高反事故能力提供了強化訓練的方法。［參考文獻］[1][2][3][1][2][3][4][5]李天鐸.實時仿真培訓系統(tǒng).王揚，光衛(wèi).現(xiàn)代火力發(fā)電機組仿真技術.張家琛.侯小剛，侯小剛.北京：清華大學，1989北京：科學出版社，1993北京：水利電力出版社，1994南京動力高等專科學校，1995[6][7]侯小剛.侯小剛.火電廠仿真.陳敏，陳鳴山.50MW熱電站仿真機.CC50-90/42/15汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型的研制.南京：能源研究與利用，1995.6電站模擬培訓汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真.南京動力高等專科學校學報，1996.250MW電站仿真機汽機部分的總體設計. 北京：計算機仿真1998.4[作者簡介]侯小剛男西安交通大學畢業(yè)南京動力高等專科學校動力工程系副教授、系主任ThedevelopmentandapplicationOf50MW