張海燕，嚴(yán) 方，鄧艷霞

ZHANG Hai-yan, YAN Fang, DENG Yan-xia

（電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

170t/h流化床鍋爐全范圍DCS仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

The design and implementation of full-range-DCS simulation system for CFB boiler

張海燕，嚴(yán) 方，鄧艷霞

ZHANG Hai-yan, YAN Fang, DENG Yan-xia

（電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

針對(duì)國(guó)內(nèi)自備電廠對(duì)小型硫化床機(jī)組的運(yùn)行培訓(xùn)的需求，開發(fā)一臺(tái)170t/h流化床鍋爐的仿真機(jī)。仿真機(jī)采用了DCS全仿真技術(shù)以及流化床鍋爐燃燒小室模型，有效保障了仿真的精度以及真實(shí)度。該仿真機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于某機(jī)組投運(yùn)前培訓(xùn)項(xiàng)目，為確保機(jī)組良好投運(yùn)提供了保障。

全范圍DCS仿真；流化床鍋爐；投運(yùn)前培訓(xùn)

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)是新一代高效、低污染的清潔燃煤鍋爐，它的最大特點(diǎn)是燃燒過(guò)程處于流化狀態(tài)，燃料及脫硫劑需經(jīng)多次循環(huán)進(jìn)行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)。循環(huán)流化床鍋爐由于爐膛體積小，床內(nèi)傳熱系數(shù)高、燃燒熱度強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好，并且燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、脫硫效率高等優(yōu)勢(shì)備受國(guó)內(nèi)外自備熱電廠青睞。我們依據(jù)國(guó)內(nèi)某自備熱電廠機(jī)組原型研發(fā)了一套170t/h流化床仿真機(jī)組。該仿真機(jī)采用SIMSEVER作為仿真引擎，并采用激勵(lì)式的虛擬DPU技術(shù)作為DCS的全仿真技術(shù)，采用國(guó)內(nèi)外廣泛使用的流化床鍋爐小室燃燒算法作為仿真核心算法。整套仿真機(jī)投運(yùn)后運(yùn)行良好，并在該自備熱電廠投運(yùn)前員工培訓(xùn)中取得滿意的效果。

1 仿真機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的分布式仿真引擎SIMSEVER

SIMSEVER的吸收了DCS系統(tǒng)開發(fā)的分布式數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)，并吸收了國(guó)內(nèi)外仿真機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，自行開發(fā)的一套具有多種拓?fù)渥R(shí)別能力的高水平仿真引擎。SIMSEVER的采用圖形拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)的流體網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)、工藝流程的有向圖、控制系統(tǒng)的SAMA圖的識(shí)別，模型工程師可以利用廠家的一些原始技術(shù)資料直接生成仿真對(duì)象機(jī)、爐、電、控以及相關(guān)管理系統(tǒng)，大幅度降低了模型工程師的二次開發(fā)的勞動(dòng)強(qiáng)度以及系統(tǒng)調(diào)試的勞動(dòng)強(qiáng)度。SIMSEVER全面依循微軟.Net、OPC、DCOM等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全方位打造了SIMSEVER的接口規(guī)范性、數(shù)據(jù)開放性、數(shù)據(jù)兼容性以及代碼可移植性等技術(shù)特點(diǎn)。

SIMSEVER的功能包括仿真處理單元（SDU）管理、虛擬控制單元管理(VDPU)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布、教練員終端功能、歷史數(shù)據(jù)分析、OPC服務(wù)器等功能。仿真引擎SIMSEVER的功能架構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 SIMSEVER的功能架構(gòu)

圖2 SIMSEVER的通訊架構(gòu)

1.2 全范圍的DCS仿真系統(tǒng)

依據(jù)用戶需求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)DCS操作員站相同的操作員站軟件，提供現(xiàn)場(chǎng)所有功能，包括畫面顯示、操作和報(bào)警記錄顯示、多屏顯示、曲線和趨勢(shì)圖顯示等功能。

1.2.1 工程師站軟件實(shí)現(xiàn)功能

使用現(xiàn)場(chǎng)工程師站完全相同的工程師站軟件，工程師站提供功能有：

1）建立、修改、刪除組態(tài)，上裝、下裝控制邏輯組態(tài)文件；

2）對(duì)組態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和查找，可以查看組態(tài)中各個(gè)功能塊當(dāng)前的輸入輸出接口及其內(nèi)部參數(shù)的實(shí)時(shí)值；

3）對(duì)操作員畫面進(jìn)行配置和修改；

4）在線調(diào)試修改組態(tài)，包括重新搭建某一功能的組態(tài)，添加或刪減功能模塊，對(duì)功能塊凍結(jié)并對(duì)其輸出進(jìn)行置值，對(duì)功能模塊的輸入輸出接口進(jìn)行改變，對(duì)功能塊的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且修改產(chǎn)生的變化應(yīng)能夠立刻反映在仿真虛擬DPU的環(huán)境中；能夠保存修改后的組態(tài)文件；

5）能夠查找某一單個(gè)IO點(diǎn)，并查看該點(diǎn)的實(shí)時(shí)值及狀態(tài)值等，能夠?qū)O點(diǎn)進(jìn)行凍結(jié)，并對(duì)其實(shí)時(shí)值和狀態(tài)值進(jìn)行置值；

1.2.2 虛擬DPU軟件的功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)DPU基本一致的功能，包括：

圖3 虛擬DPU智能編譯流程

1）虛擬DPU使用與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)DPU相同的DPU組態(tài)文件。現(xiàn)場(chǎng)的組態(tài)文件不需要經(jīng)過(guò)修改即可應(yīng)用到虛擬DPU中。

2）虛擬DPU提供與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)DPU相同的運(yùn)算功能。即：同樣的組態(tài)文件，在虛擬DPU和現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)DPU上運(yùn)行的結(jié)果完全相同。

虛擬DPU功能開發(fā)應(yīng)包括標(biāo)簽量訪問(wèn)、組態(tài)文件讀取、組態(tài)文件解析與解釋、數(shù)據(jù)通訊等功能。實(shí)現(xiàn)虛擬DCS的技術(shù)關(guān)鍵，就是開發(fā)智能編譯轉(zhuǎn)換軟件和建立虛擬運(yùn)行技術(shù)平臺(tái)。圖3給出了本文實(shí)現(xiàn)虛擬DPU技術(shù)的關(guān)鍵流程。

2 流化床鍋爐仿真對(duì)象

某鋁熱電廠以供氧化鋁生產(chǎn)用汽為主，考慮到燃料的適應(yīng)性及清潔燃燒、有害物質(zhì)的排放等因素,工程安裝2臺(tái)額定蒸發(fā)量為170t/h的中溫、次高壓循環(huán)流化床鍋爐，二臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，不設(shè)備用鍋爐（仿真仿1臺(tái)）。項(xiàng)目同時(shí)安裝一臺(tái)B15-4.9/0.8型背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)C15-4.9/0.8型抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組（仿真用）。

鍋爐總體結(jié)構(gòu)型式：中溫中壓循環(huán)流化床、單鍋筒橫置式自然循環(huán)單汽包、旋風(fēng)分離器、膜式壁爐膛、全懸吊、全鋼架п型結(jié)構(gòu)、室外布置型鍋爐。

給水系統(tǒng)采用切換母管制系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)配容量大于額定給水量110%的電動(dòng)給水泵。設(shè)置三臺(tái)電動(dòng)給水泵，二臺(tái)使用，一臺(tái)備用。

點(diǎn)火燃油采用輕柴油，由熱電廠內(nèi)設(shè)置的油庫(kù)及油泵房里的油泵把燃油送至爐前，鍋爐水冷風(fēng)室后側(cè)設(shè)置2臺(tái)燃油啟動(dòng)點(diǎn)火燃燒器，啟動(dòng)燃燒器采用機(jī)械霧化，其容量為鍋爐額定負(fù)荷時(shí)所需熱量的35%。

爐內(nèi)燃燒加石灰石粉脫硫(碳酸鈣含量大于90%)技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫，當(dāng)Ca/S=2.3 時(shí)，脫硫效率可達(dá)90%左右。實(shí)際運(yùn)行中項(xiàng)目燃煤含硫約為0.6%（最大0.8%）,排煙SO2濃度達(dá)到中國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)≤400 mg/m3，脫硫效率η≥85%即可。

表1 鍋爐仿真參數(shù)

3 流化床鍋爐系統(tǒng)建模

流化床鍋爐爐內(nèi)燃燒是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，它包括化學(xué)反應(yīng)、氣固兩相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)以及由于燃燒、破碎及其他原因造成的顆粒尺寸減小等過(guò)程，過(guò)程之間又相互影響。

3.1 循環(huán)流化床流動(dòng)模型

為了仿真機(jī)的實(shí)時(shí)計(jì)算效率與運(yùn)算負(fù)荷，燃燒室仿真模型采用分段集總參數(shù)法，即把燃燒室沿高度劃分成一系列串聯(lián)的小室，并認(rèn)為各小室內(nèi)的過(guò)程參數(shù)是均勻的。實(shí)際的仿真計(jì)算是將燃燒室根據(jù)物料的濃度分為密相區(qū)（1個(gè)小室）和稀相區(qū)（3個(gè)小室）。顯然每個(gè)小室必須遵循兩個(gè)最基本的方程，即室內(nèi)的物料（包含空氣、焦炭、石灰石等）的動(dòng)態(tài)質(zhì)量守恒和室內(nèi)的動(dòng)態(tài)能量守恒方程。

3.1.1 流化床密相區(qū)的高度

依據(jù)文獻(xiàn)[1]可以求得流化床密相區(qū)的高度 ：

其中Uf為流化風(fēng)速，Umf為設(shè)計(jì)最小流化風(fēng)速，Ub為氣泡速度，ε為調(diào)試經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與固體顆粒狀相關(guān)，取值0.4～1。

3.1.2 小室固體夾帶流率計(jì)算

小室物料流率模型采用When和Chen提出的指數(shù)衰減模型[2]。

與固體夾帶率分布情況相似，空隙率的分布也呈同樣的指數(shù)分布規(guī)律，可由下式計(jì)算[3]：

3.2 流化床鍋爐燃燒模型

各小室的氣體成分可以根據(jù)空氣的氣體成分以及揮發(fā)份的計(jì)算可以采用Loison & Chauvin(1964)提出的關(guān)系式計(jì)算[4]。這些成分比較少，并且我們可假定揮發(fā)份在給煤點(diǎn)附近已經(jīng)完全釋放并燃燒殆盡[5]，這樣我們即可根據(jù)各成分的化學(xué)方程式利用代數(shù)式即可算出。

焦炭顆粒的燃燒模型可以采用Field等（1967）年提出的同時(shí)考慮氧氣擴(kuò)散以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)等因素影響的焦炭燃燒理論：

顯然當(dāng)φ=1時(shí)為充分燃燒。φ為化學(xué)反映的機(jī)械因子，與燃燒溫度以及焦炭顆粒等因素相關(guān)。 φ的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[4]。

如果將小室內(nèi)的物料近似為均勻分布的，則小室內(nèi)碳總體燃燒反應(yīng)速率應(yīng)當(dāng)?shù)扔趩蝹€(gè)焦炭顆粒的反應(yīng)速率乘以小室內(nèi)焦炭顆粒的總數(shù)目。

單個(gè)焦炭的反應(yīng)速度為：

Ks與Kd的計(jì)算方法可以參看文獻(xiàn)[4]提出的經(jīng)驗(yàn)公式。其中Ks稱為焦炭表面反應(yīng)速率，Kd稱為氧氣擴(kuò)散速率，φ為化學(xué)反應(yīng)得機(jī)械因子。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，碳粒直徑采用統(tǒng)計(jì)平均直徑代表床內(nèi)的寬篩分尺寸分布。 假定小室i中焦炭顆粒含碳量用δi表示，焦炭顆粒利用統(tǒng)計(jì)平均直徑近似為均質(zhì)，Vi表示網(wǎng)格i中體積，表示焦炭顆粒統(tǒng)計(jì)平均直徑，則網(wǎng)格i焦炭顆粒的數(shù)目為：

此處，ρk為一個(gè)體積比經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，需要在仿真調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整與匹配。

3.3 流化床質(zhì)能平衡模型

床料的物料質(zhì)量平衡方程有焦炭、灰、脫硫劑三者的動(dòng)態(tài)平衡。流化床的床料平衡包括給煤量、脫硫劑、送風(fēng)、排渣量、爐膛飛灰量、燃燒耗量以及循環(huán)量等之間的平衡。

3.3.1 床料的質(zhì)量平衡

3.3.2 流化床的能量守恒方程

顯然流化床的能量累積是由煤、石灰石、空氣的固有能量以及碳質(zhì)、揮發(fā)份、燃油燃燒后的總能量與煙氣、灰渣帶走的余熱以及鍋爐有效傳熱和熱源損失決定的。

4 仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)功能

4.1 運(yùn)行培訓(xùn)功能

1）仿真機(jī)可以實(shí)現(xiàn)冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、常見(jiàn)事故處理等典型機(jī)組啟動(dòng)操作仿真功能。

2）仿真機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組從滿負(fù)荷正常停機(jī)至熱備用直至冷態(tài)停機(jī)狀態(tài)。

3）仿真機(jī)可以實(shí)現(xiàn)任意工況下的負(fù)荷調(diào)整或者機(jī)組的啟、停操作。

4）仿真機(jī)配有詳盡的就地功能，滿足小機(jī)組自動(dòng)化水平相對(duì)較差的培訓(xùn)要求。

4.2 控制系統(tǒng)培訓(xùn)、改造試驗(yàn)功能

1）全DCS仿真為熱工人員提供了最大范圍逼真的DCS學(xué)習(xí)、研究環(huán)境。

2）熱工人員可以在仿真機(jī)上作大量的測(cè)試試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證DCS的完整性，甚至DCS的一些設(shè)計(jì)缺陷。

3）可以作熱工改造、測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)。由于仿真機(jī)的DCS是全態(tài)DCS仿真，仿真機(jī)上的DCS操作環(huán)境與實(shí)際操作環(huán)境基本一致，使用的組態(tài)文件以及數(shù)據(jù)標(biāo)簽是完全一致，因此在仿真機(jī)上驗(yàn)證無(wú)誤的組態(tài)上裝到現(xiàn)場(chǎng)即可適用。

4）運(yùn)行人員可在仿真機(jī)上作運(yùn)行方式的探討，由于仿真機(jī)采用了高精度仿真算法，機(jī)爐模型有著非常逼真的數(shù)據(jù)響應(yīng)效果，因此運(yùn)行人員可以在仿真機(jī)上驗(yàn)證各種運(yùn)行方式下的設(shè)備狀況，或?qū)υO(shè)備改進(jìn)提出改進(jìn)的意見(jiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的170t/h流化床鍋爐全范圍DCS仿真系統(tǒng)由于采用了激勵(lì)式虛擬DPU技術(shù)以及流化床小室燃燒算法等先進(jìn)仿真技術(shù)，使得仿真機(jī)重要參數(shù)如主汽溫、主汽壓、給水壓力、給水流量、凝汽器真空、機(jī)組功率、主蒸汽流量等動(dòng)靜態(tài)精度完全符合仿真技術(shù)的要求，并且翔實(shí)的就地操作與逼真的DCS環(huán)境奠定了為培訓(xùn)的順利進(jìn)行提供了保障。

[1] 高建強(qiáng),馬良玉,王兵樹,等.450t/h循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004.

[2] D.Kunii and O.Levenspiel."Flow modeling of fast flu.idized beds"Circulating fluidized bed technology Ⅲ,ed.By P.Basu,M.Horio and M.Hasatan,Oxford:Pergamon Press,1991:91-98.

[3] Wen C.Y and Chen L.H.Fluidized Bed Freeboard Phenornena:Entrainmem and ELutriation.AIChE J,VOL.28:117-129,1982.

[4] 雍玉梅,呂清剛.130t/h循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J].鍋爐技術(shù),2003.

[5] 李政.循環(huán)流化床鍋爐通用整體數(shù)學(xué)模型、仿真與性能預(yù)測(cè)[D].清華大學(xué),1994.

TH166

A

1009-0134(2010)10(上)-0164-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).52

2010-03-17

張海燕（1967 -），女，副教授，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真技術(shù)與工業(yè)爐控制設(shè)計(jì)。