水泥生產(chǎn)線余熱電站仿真系統(tǒng)

WHRSimulation System in Cement Production Line

王 林，祝 強

近些年來，余熱電站作為水泥生產(chǎn)線的一個必不可少的附屬車間要充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益，必須減少設備故障率并且降低運行維護成本，這就對余熱電站操作員的操作水平有了更高的要求。以往的培訓受各方面條件限制，只能進行理論知識講解和運行電站現(xiàn)場觀摩，無法讓操作員進行實際操作，嚴重影響了培訓效果。為進一步提高操作培訓水平，提升企業(yè)的自主創(chuàng)新能力和科技發(fā)展水平，并為后續(xù)研發(fā)與工程建設提供可靠的技術支持，有必要建立一套針對水泥生產(chǎn)線的余熱電站仿真系統(tǒng)（以下簡稱仿真系統(tǒng)）。本文就我公司水泥生產(chǎn)線余熱電站仿真系統(tǒng)的構成和基本功能做了簡單的論述。

水泥生產(chǎn)線；余熱電站；仿真系統(tǒng)

水泥生產(chǎn)線余熱電站仿真系統(tǒng)是在火電機組仿真技術的基礎上結(jié)合水泥生產(chǎn)線余熱電站的技術特點建立的。仿真系統(tǒng)可以作為實驗平臺進行不同方式的機組啟停操作實驗，監(jiān)視各種過程運行參數(shù)和運行指標，優(yōu)化電站運行方式，進行控制系統(tǒng)的研究和改進工作；還可作為運行操作人員的培訓平臺，實現(xiàn)機組正常工況和異常工況下的運行操作訓練，培訓復雜的、長周期的順序操作流程，加強對過程因果關系的理解，節(jié)約培訓經(jīng)費，達到使受訓人員能夠在各種狀態(tài)下進行正確的判斷和事故處理操作的目的。以下就仿真系統(tǒng)的軟硬件組成和功能等做詳細的介紹。

1 系統(tǒng)軟硬件構成

考慮仿真系統(tǒng)的主要應用目的，采用軟件與硬件結(jié)合的模式。本系統(tǒng)采用了和利時公司產(chǎn)品，該公司的仿真軟件集成在其自主開發(fā)的HOL?LiAS MACS系統(tǒng)產(chǎn)品線之中，仿真機使用真正的DCS軟件和先進的虛擬DPU技術，即仿真中操作員站軟件和工程師軟件與現(xiàn)場完全一致，現(xiàn)場DCS組態(tài)可直接復制到仿真機中，最大程度地提高了仿真真實度、開發(fā)效率及培訓效果，拓展了仿真功能。

軟件系統(tǒng)包括：

（1）MACSV_OPS：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺DCS操作員軟件。

（2）MACSV_ENG：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺DCS離線組態(tài)軟件。

（3）MACSV_SERVER：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺DCS數(shù)據(jù)服務軟件。

（4）SimuRTS：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺DCS虛擬DPU軟件。

（5）DPUOPC Server：：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺虛擬DPU及OPCClient服務器軟件。

（6）SimuWorks：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺仿真運行支撐軟件。

（7）YRFD：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺余熱發(fā)電數(shù)學模型。

（8）OPCClient：基于和利時集成化系統(tǒng)1.0平臺通訊軟件。

硬件系統(tǒng)包括：

（1）服務器1臺：作為數(shù)學模型站兼教練員站。用于過程模型的開發(fā)，在培訓過程中還可以加載冷態(tài)、熱態(tài)、正常運行、故障等各種工況，且切換簡便；作為教練員平臺考察培訓人員對于現(xiàn)場工況變化的應變能力和操作水平。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

圖2 雙壓熱力系統(tǒng)圖

（2）工程師站1臺：模擬電站工程師站權限，對實時DCS系統(tǒng)組態(tài)編程。

（3）操作員站5臺，分別用于：

a窯頭余熱鍋爐控制站：模擬窯頭余熱鍋爐操作員站權限，包括煙風和汽水流程中所有設備啟/停操作，各測點監(jiān)控。

b窯尾余熱鍋爐控制站：模擬窯尾余熱鍋爐操作員站權限，包括煙風和汽水流程中所有設備啟/停操作，各測點監(jiān)控。

c汽機控制站：包括汽機熱力系統(tǒng)、油系統(tǒng)設備的各種操作，DEH系統(tǒng)的監(jiān)控和操作。模擬汽機冷態(tài)、沖轉(zhuǎn)、空載、升負荷、降負荷等各種運行狀態(tài)和保護功能的投/退。

d就地操作控制站：實際中所有需要就地手動操作的設備，如手動閥門的開閉，就地按鈕的控制等由就地操作控制站實現(xiàn)模擬。

e電氣綜合控制站：模擬電站綜合自動化保護系統(tǒng)和400V低壓配電系統(tǒng)的操作，繼電保護功能投/退，設備送電/斷電，同期并網(wǎng)等操作均由此站實現(xiàn)模擬。

（4）交換機1臺：用于組建內(nèi)部網(wǎng)絡。

（5）電氣控制屏2面：用于模擬實際電站中/低壓系統(tǒng)的電參數(shù)顯示，斷路器分合閘操作，勵磁系統(tǒng)操作等。

（6）42寸液晶電視2臺：此部分用于模擬余熱電站中控室內(nèi)工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。1臺用于連續(xù)運行時間和累計發(fā)電量參數(shù)，1臺用于余熱鍋爐汽包水位、振打電機工作狀態(tài)及各主要輔機（如鍋爐給水泵、配電室、除氧器、油站等）的運行狀態(tài)監(jiān)視?，F(xiàn)場采集視頻和照片，由仿真軟件加載模擬。余熱鍋爐汽包水位為實時變化，在圖片中將水位部分用紅/綠棒狀圖表示水位的變化，與水位參數(shù)變化保持同步，便于培訓。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

2 參數(shù)的確定

本仿真系統(tǒng)目前選擇的是國內(nèi)典型的5000t/d水泥生產(chǎn)線，配套9MW余熱電站，雙壓系統(tǒng)（可切換為單壓系統(tǒng)）作為建?；A，熱力系統(tǒng)見圖2。作為建?；A的主要系統(tǒng)參數(shù)見表1、表2。

表1 建?；A的主要系統(tǒng)參數(shù)

表2 汽輪機系統(tǒng)參數(shù)

由于水泥生產(chǎn)線窯頭、窯尾排出廢氣的溫度變化范圍大，且沒有規(guī)律，很難對其進行數(shù)學建模，但考慮到培訓需要，要求窯頭、窯尾余熱鍋爐廢氣溫度隨機變化的頻率為20s，3h（工程師級別可調(diào)整時間）為一個幾率計算周期。根據(jù)多個實際投運5000t/d生產(chǎn)線窯頭、窯尾廢氣參數(shù)的標定數(shù)據(jù)，最終確定仿真系統(tǒng)窯頭、窯尾廢氣參數(shù)變化范圍和幾率，如圖3所示。

3 建模組態(tài)

本系統(tǒng)由仿真支撐平臺SimuEn?gine和圖形化建模工具SimuBuilder搭建,在SimuBuilder環(huán)境中，利用系統(tǒng)提供的模塊和用戶自己開發(fā)的模塊，根據(jù)仿真對象的組成，用圖形的方式進行模塊組合，構建仿真系統(tǒng)配合SimuEngine的仿真支撐，利用SimuBuilder對所構建的仿真系統(tǒng)進行調(diào)試，直至形成穩(wěn)定的最終產(chǎn)品。

SimuEngine的模型開發(fā)，采用Fortran語言編寫，對模型源程序進行掃描、編譯并生成可執(zhí)行程序。Sim?uEngine與生成的可執(zhí)行程序通過實時變量數(shù)據(jù)庫共享，采用變量名對數(shù)據(jù)辨識的方法，對變量進行統(tǒng)一管理。既可以直觀的方式顯示數(shù)據(jù)，也可方便地對數(shù)據(jù)進行在線修改，從而達到對模型程序進行在線調(diào)試的目的。開發(fā)流程如圖4所示。

（1）對源程序進行編寫、掃描，其中SimuEngine對變量的描述進行了擴充，用來描述變量的類是TVar類，也是SimuEngine的核心數(shù)據(jù)結(jié)構,利用這一數(shù)據(jù)結(jié)構，可以完整描述一個變量的所有性質(zhì)。整個系統(tǒng)基于此數(shù)據(jù)結(jié)構定義變量數(shù)據(jù)庫，利用結(jié)構中包含的變量名稱實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索和存取。

（2）設定變量的掃描規(guī)則。

圖3 窯頭/窯尾余熱鍋爐廢氣變化參數(shù)范圍和幾率

（3）生成變量批處理文件（CMD文件）。

（4）變量入庫：信息窗口中會提示變量入庫過程完成情況，表示變量入庫工作已經(jīng)完成，可以在“數(shù)據(jù)瀏覽”窗口中看到已經(jīng)加入數(shù)據(jù)庫的所有變量。

（5）對源程序掃描完成后，用Fortran語言對源程序進行編譯，編譯完成后，會在窗口下面的狀態(tài)欄中給出提示。

（6）模型開發(fā)完成后進行任務的生成與管理，以便進行數(shù)據(jù)可視化操作。數(shù)據(jù)可視化表現(xiàn)為數(shù)據(jù)表格、動態(tài)曲線、趨勢圖、直方圖、流程圖等。結(jié)合畫面組態(tài)功能，在任何一種顯示狀態(tài)下，使用鼠標和對話框?qū)︼@示畫面進行修改，包括畫面標題的修改、可視單元的增減與屬性修改等。

（7）當變量數(shù)據(jù)庫搭建完成后再結(jié)合SimuBuilder軟件用圖形的方式進行模塊組合。采用SimuBuilder模塊化建模的基本思想將大系統(tǒng)分解為數(shù)目合理、容易處理的基本部件和設備，以一種規(guī)范化的標準建立這些基本部件和設備的數(shù)學模型，再將其開發(fā)成通用的基本模塊，連接組合得到整個大系統(tǒng)的仿真模型。以水泵為例，如圖5所示。

通過上面的描述，可以看到實際設備的數(shù)學建模以及圖形化的過程：首先按照實際設備的物理特性和工作原理，用數(shù)學公式進行描述；其次建立實際設備的機理模型；最后用形象的圖形來表示這段機理模型。

4 功能介紹

仿真系統(tǒng)運行界面分為教練員級和培訓員級。培訓員級操作界面與實際運行的余熱電站DCS操作員控制界面完全一致，并且增加了主系統(tǒng)圖（見圖6），便于學員從整體上理解整個余熱電站的汽水流程。培訓過程中學員根據(jù)運行規(guī)程對系統(tǒng)中各主輔機設備進行操作。運行界面分為鍋爐控制、汽機控制、循環(huán)水控制、化學水處理、電氣綜保、就地操作、主頁7個界面。

（1）鍋爐控制界面分為鍋爐總貌、鍋爐集控、鍋爐順控、煙氣主參數(shù)、窯頭/窯尾余熱鍋爐煙風系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)等8個子界面。窯頭、窯尾操作員控制各自的子界面，余熱鍋爐運行中所有參數(shù)和設備均能從各自的子界面中進行監(jiān)控。為了增加操作員實際操作經(jīng)驗，操作過程中可根據(jù)需要調(diào)整設備參數(shù)。例如：通過調(diào)整AQC鍋爐入口閥門開度控制鍋爐入口煙風量，鍋爐內(nèi)各段負壓將發(fā)生改變，致使AQC鍋爐過熱蒸汽量發(fā)生變化，從而影響最終的發(fā)電功率。

圖4 SimuEngine模型開發(fā)流程圖

圖5 數(shù)學模型

（2）汽機控制界面分為汽機熱力系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、汽機順控、電調(diào)主控、ETS保護5個子界面。汽機電調(diào)主控界面參照和利時DEH電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，涵蓋了汽機從冷態(tài)到?jīng)_轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、增負荷至額定功率運行所有狀態(tài)。汽輪機是余熱電站中重要的設備，一般培訓只能理論講解和現(xiàn)場觀摩，不能親自動手操作。加入電調(diào)主控界面使學員能夠模擬汽機的啟動、沖轉(zhuǎn)、增負荷等操作。例如在汽輪機沖轉(zhuǎn)時，用DEH緩慢給定升速值，當達到臨界轉(zhuǎn)速時，汽機各項振動指標會達到最大，學員可清晰看到整個沖轉(zhuǎn)過程中各個參數(shù)的變化情況，這樣既能使學員學習理論知識，也能增加實際操作經(jīng)驗，是仿真教學中十分重要的一環(huán)。電調(diào)主控操作界面如圖7所示。

（3）電氣綜保界面主要模擬余熱電站綜合自動化保護系統(tǒng)和站用電輔機系統(tǒng)等，由10kV系統(tǒng)接線圖、站用電系統(tǒng)接線圖、電氣保護、電氣綜合故障組成。模擬并網(wǎng)前后所有電氣過程，包括設備送電、發(fā)電機啟動前投入保護、發(fā)電的同期并網(wǎng)等。目前余熱電站多采用自動并網(wǎng)，本仿真系統(tǒng)模擬自動并網(wǎng)過程（圖8）。

（4）仿真系統(tǒng)模擬了現(xiàn)場實際運行中出現(xiàn)的各種故障，系統(tǒng)建模時就已經(jīng)在故障庫里添加了電氣保護、電氣故障、鍋爐故障、汽機故障四個組。每一個故障組分別包含若干個

圖6 總系統(tǒng)流程圖

圖7 電調(diào)主控界面

圖8 10kV系統(tǒng)接線圖

圖9 故障管理界面

圖10 英文操作界面

圖11工業(yè)電視監(jiān)控畫面仿真子故障。教練員可以在教練后臺機加載不同的故障，每個故障都會引起相應的參數(shù)變化（見圖9），加載后學員通過不同故障在仿真系統(tǒng)中的表現(xiàn)和故障報警來判斷故障類型，通過相應操作來消除故障，使設備恢復正常運行狀態(tài)。該部分仿真可使學員在培訓時接觸大部分故障現(xiàn)象，當在實際運行現(xiàn)場出現(xiàn)相應故障時,能夠及時分析原因，找出故障點并排除故障，減少損失。教練員還可以實際添加故障，完善故障仿真的功能。

（5）國外很多工程不能在當?shù)匾呀ǔ傻捻椖窟M行培訓，國內(nèi)現(xiàn)場觀摩又受到語言文字等條件限制?？紤]到這一情況，仿真系統(tǒng)建立了中英文界面切換功能。面對國外項目可以方便地切換成英文界面，便于教練員與學員溝通，提高培訓效率（圖10）。

（6）仿真系統(tǒng)還增加了工業(yè)電視監(jiān)控畫面功能。所有圖片均為現(xiàn)場實地采集，教練員在實際講解過程中可任意調(diào)出對應的設備，更加形象地對學員進行講解。所有設備圖片均來自已經(jīng)投運的余熱電站現(xiàn)場，采集時間分為早晨、黃昏、夜間，系統(tǒng)自動根據(jù)運行時間調(diào)出不同時段的現(xiàn)場圖片充分模擬現(xiàn)場工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)（圖11）。

5 結(jié)語

仿真系統(tǒng)自建成以來已對國內(nèi)和國外業(yè)主進行了多次培訓，收到了良好的效果。隨著培訓次數(shù)的增加和運行經(jīng)驗的積累，也顯現(xiàn)了一些問題，例如故障報警英文界面顯示數(shù)量有限，不能用完整的英文單詞描述；工業(yè)電視監(jiān)控畫面不能加載視頻只能采用多圖循環(huán)播放等，這些都需要完善。隨著對仿真系統(tǒng)的熟練掌握將來還會在該仿真平臺上進行其他熱力系統(tǒng)的模擬，對公司業(yè)務的拓展也有十分積極的作用。

[1]DLT 1022-2006,火電機組仿真技術規(guī)范[S].

TQ172.625.9

A

1001-6171（2013）05-0099-06

材節(jié)能股份有限公司，天津 300400；

2012-12-27； 編輯：呂 光