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(qiáng)

近些年來，余熱電站作為水泥生產(chǎn)線的一個(gè)必不可少的附屬車間要充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益，必須減少設(shè)備故障率并且降低運(yùn)行維護(hù)成本，這就對(duì)余熱電站操作員的操作水平有了更高的要求。以往的培訓(xùn)受各方面條件限制，只能進(jìn)行理論知識(shí)講解和運(yùn)行電站現(xiàn)場觀摩，無法讓操作員進(jìn)行實(shí)際操作，嚴(yán)重影響了培訓(xùn)效果。為進(jìn)一步提高操作培訓(xùn)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(shè)提供可靠的技術(shù)支持，有必要建立一套針對(duì)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(gòu)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(jī)組仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合水泥生產(chǎn)線余熱電站的技術(shù)特點(diǎn)建立的。仿真系統(tǒng)可以作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行不同方式的機(jī)組啟停操作實(shí)驗(yàn)，監(jiān)視各種過程運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行指標(biāo)，優(yōu)化電站運(yùn)行方式，進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究和改進(jìn)工作；還可作為運(yùn)行操作人員的培訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常工況和異常工況下的運(yùn)行操作訓(xùn)練，培訓(xùn)復(fù)雜的、長周期的順序操作流程，加強(qiáng)對(duì)過程因果關(guān)系的理解，節(jié)約培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)，達(dá)到使受訓(xùn)人員能夠在各種狀態(tài)下進(jìn)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(xì)的介紹。

1 系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

考慮仿真系統(tǒng)的主要應(yīng)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(shí)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(jī)使用真正的DCS軟件和先進(jìn)的虛擬DPU技術(shù)，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(fù)制到仿真機(jī)中，最大程度地提高了仿真真實(shí)度、開發(fā)效率及培訓(xùn)效果，拓展了仿真功能。

軟件系統(tǒng)包括：

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

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

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

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

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

（6）SimuWorks：基于和利時(shí)集成化系統(tǒng)1.0平臺(tái)仿真運(yùn)行支撐軟件。

（7）YRFD：基于和利時(shí)集成化系統(tǒng)1.0平臺(tái)余熱發(fā)電數(shù)學(xué)模型。

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

硬件系統(tǒng)包括：

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 雙壓熱力系統(tǒng)圖

（2）工程師站1臺(tái)：模擬電站工程師站權(quán)限，對(duì)實(shí)時(shí)DCS系統(tǒng)組態(tài)編程。

（3）操作員站5臺(tái)，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(quán)限，包括煙風(fēng)和汽水流程中所有設(shè)備啟/停操作，各測(cè)點(diǎn)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(quán)限，包括煙風(fēng)和汽水流程中所有設(shè)備啟/停操作，各測(cè)點(diǎn)監(jiān)控。

c汽機(jī)控制站：包括汽機(jī)熱力系統(tǒng)、油系統(tǒng)設(shè)備的各種操作，DEH系統(tǒng)的監(jiān)控和操作。模擬汽機(jī)冷態(tài)、沖轉(zhuǎn)、空載、升負(fù)荷、降負(fù)荷等各種運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)功能的投/退。

d就地操作控制站：實(shí)際中所有需要就地手動(dòng)操作的設(shè)備，如手動(dòng)閥門的開閉，就地按鈕的控制等由就地操作控制站實(shí)現(xiàn)模擬。

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

（4）交換機(jī)1臺(tái)：用于組建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

（5）電氣控制屏2面：用于模擬實(shí)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(lì)磁系統(tǒng)操作等。

（6）42寸液晶電視2臺(tái)：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(tái)用于連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和累計(jì)發(fā)電量參數(shù)，1臺(tái)用于余熱鍋爐汽包水位、振打電機(jī)工作狀態(tài)及各主要輔機(jī)（如鍋爐給水泵、配電室、除氧器、油站等）的運(yùn)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(shí)時(shí)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(xùn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)，熱力系統(tǒng)見圖2。作為建?；A(chǔ)的主要系統(tǒng)參數(shù)見表1、表2。

表1 建模基礎(chǔ)的主要系統(tǒng)參數(shù)

表2 汽輪機(jī)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(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，但考慮到培訓(xùn)需要，要求窯頭、窯尾余熱鍋爐廢氣溫度隨機(jī)變化的頻率為20s，3h（工程師級(jí)別可調(diào)整時(shí)間）為一個(gè)幾率計(jì)算周期。根據(jù)多個(gè)實(shí)際投運(yùn)5000t/d生產(chǎn)線窯頭、窯尾廢氣參數(shù)的標(biāo)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(tái)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(duì)象的組成，用圖形的方式進(jìn)行模塊組合，構(gòu)建仿真系統(tǒng)配合SimuEngine的仿真支撐，利用SimuBuilder對(duì)所構(gòu)建的仿真系統(tǒng)進(jìn)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(duì)模型源程序進(jìn)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(shí)時(shí)變量數(shù)據(jù)庫共享，采用變量名對(duì)數(shù)據(jù)辨識(shí)的方法，對(duì)變量進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線修改，從而達(dá)到對(duì)模型程序進(jìn)行在線調(diào)試的目的。開發(fā)流程如圖4所示。

（1）對(duì)源程序進(jìn)行編寫、掃描，其中SimuEngine對(duì)變量的描述進(jìn)行了擴(kuò)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(gòu),利用這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以完整描述一個(gè)變量的所有性質(zhì)。整個(gè)系統(tǒng)基于此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義變量數(shù)據(jù)庫，利用結(jié)構(gòu)中包含的變量名稱實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索和存取。

（2）設(shè)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(huì)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(duì)源程序掃描完成后，用Fortran語言對(duì)源程序進(jìn)行編譯，編譯完成后，會(huì)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(jìn)行任務(wù)的生成與管理，以便進(jìn)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(dòng)態(tài)曲線、趨勢(shì)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(biāo)和對(duì)話框?qū)︼@示畫面進(jìn)行修改，包括畫面標(biāo)題的修改、可視單元的增減與屬性修改等。

（7）當(dāng)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(jìn)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(shè)備，以一種規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)建立這些基本部件和設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，再將其開發(fā)成通用的基本模塊，連接組合得到整個(gè)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(shí)際設(shè)備的數(shù)學(xué)建模以及圖形化的過程：首先按照實(shí)際設(shè)備的物理特性和工作原理，用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述；其次建立實(shí)際設(shè)備的機(jī)理模型；最后用形象的圖形來表示這段機(jī)理模型。

4 功能介紹

仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面分為教練員級(jí)和培訓(xùn)員級(jí)。培訓(xùn)員級(jí)操作界面與實(shí)際運(yùn)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(xué)員從整體上理解整個(gè)余熱電站的汽水流程。培訓(xùn)過程中學(xué)員根據(jù)運(yùn)行規(guī)程對(duì)系統(tǒng)中各主輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行操作。運(yùn)行界面分為鍋爐控制、汽機(jī)控制、循環(huán)水控制、化學(xué)水處理、電氣綜保、就地操作、主頁7個(gè)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(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)等8個(gè)子界面。窯頭、窯尾操作員控制各自的子界面，余熱鍋爐運(yùn)行中所有參數(shù)和設(shè)備均能從各自的子界面中進(jìn)行監(jiān)控。為了增加操作員實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，操作過程中可根據(jù)需要調(diào)整設(shè)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(fēng)量，鍋爐內(nèi)各段負(fù)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(xué)模型

（2）汽機(jī)控制界面分為汽機(jī)熱力系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、汽機(jī)順控、電調(diào)主控、ETS保護(hù)5個(gè)子界面。汽機(jī)電調(diào)主控界面參照和利時(shí)DEH電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，涵蓋了汽機(jī)從冷態(tài)到?jīng)_轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、增負(fù)荷至額定功率運(yùn)行所有狀態(tài)。汽輪機(jī)是余熱電站中重要的設(shè)備，一般培訓(xùn)只能理論講解和現(xiàn)場觀摩，不能親自動(dòng)手操作。加入電調(diào)主控界面使學(xué)員能夠模擬汽機(jī)的啟動(dòng)、沖轉(zhuǎn)、增負(fù)荷等操作。例如在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)，用DEH緩慢給定升速值，當(dāng)達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，汽機(jī)各項(xiàng)振動(dòng)指標(biāo)會(huì)達(dá)到最大，學(xué)員可清晰看到整個(gè)沖轉(zhuǎn)過程中各個(gè)參數(shù)的變化情況，這樣既能使學(xué)員學(xué)習(xí)理論知識(shí)，也能增加實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，是仿真教學(xué)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(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)和站用電輔機(jī)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(hù)、電氣綜合故障組成。模擬并網(wǎng)前后所有電氣過程，包括設(shè)備送電、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前投入保護(hù)、發(fā)電的同期并網(wǎng)等。目前余熱電站多采用自動(dòng)并網(wǎng)，本仿真系統(tǒng)模擬自動(dòng)并網(wǎng)過程（圖8）。

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

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(tái)機(jī)加載不同的故障，每個(gè)故障都會(huì)引起相應(yīng)的參數(shù)變化（見圖9），加載后學(xué)員通過不同故障在仿真系統(tǒng)中的表現(xiàn)和故障報(bào)警來判斷故障類型，通過相應(yīng)操作來消除故障，使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。該部分仿真可使學(xué)員在培訓(xùn)時(shí)接觸大部分故障現(xiàn)象，當(dāng)在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí),能夠及時(shí)分析原因，找出故障點(diǎn)并排除故障，減少損失。教練員還可以實(shí)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(dāng)?shù)匾呀ǔ傻捻?xiàng)目進(jìn)行培訓(xùn)，國內(nèi)現(xiàn)場觀摩又受到語言文字等條件限制。考慮到這一情況，仿真系統(tǒng)建立了中英文界面切換功能。面對(duì)國外項(xiàng)目可以方便地切換成英文界面，便于教練員與學(xué)員溝通，提高培訓(xùn)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(shí)地采集，教練員在實(shí)際講解過程中可任意調(diào)出對(duì)應(yīng)的設(shè)備，更加形象地對(duì)學(xué)員進(jìn)行講解。所有設(shè)備圖片均來自已經(jīng)投運(yùn)的余熱電站現(xiàn)場，采集時(shí)間分為早晨、黃昏、夜間，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)運(yùn)行時(shí)間調(diào)出不同時(shí)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(duì)國內(nèi)和國外業(yè)主進(jìn)行了多次培訓(xùn)，收到了良好的效果。隨著培訓(xùn)次數(shù)的增加和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，也顯現(xiàn)了一些問題，例如故障報(bào)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(duì)仿真系統(tǒng)的熟練掌握將來還會(huì)在該仿真平臺(tái)上進(jìn)行其他熱力系統(tǒng)的模擬，對(duì)公司業(yè)務(wù)的拓展也有十分積極的作用。

[1]DLT 1022-2006,火電機(jī)組仿真技術(shù)規(guī)范[S].

TQ172.625.9

A

1001-6171（2013）05-0099-06

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2012-12-27； 編輯：呂 光