張 剛，曹福毅，王祥鳳，孫 力，胡俊宇

(沈陽工程學院遼寧省電力仿真控制重點實驗室，沈陽110136)

隨著垃圾焚燒發(fā)電站在我國得到越來越廣泛的應用，設(shè)計開發(fā)適合我國垃圾特點的垃圾焚燒發(fā)電機組仿真系統(tǒng)，不僅能對新建和已運行的垃圾焚燒發(fā)電機組提供技術(shù)支持，對垃圾處理的新方法提供技術(shù)保障，而且對于垃圾焚燒發(fā)電機組的設(shè)計、運行指導和人員培訓具有重要意義.

1 仿真對象及仿真范圍

仿真系統(tǒng)的仿真對象:無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的UG-400-75/3.82/450-F 型自然循環(huán)鍋爐;汽輪機是南京汽輪機廠生產(chǎn)的C12-3.43/ 0.981-12 型單缸、沖動、軸流、抽凝式式汽輪機;發(fā)電機是南京汽輪機廠生產(chǎn)的QFW-15-2A 型15 MW 空冷汽輪發(fā)電機. 仿真的范圍是從鍋爐燃料制備到發(fā)電機出口主開關(guān)為止的整個生產(chǎn)過程，而且包括實際生產(chǎn)過程中所必需的就地操作設(shè)備.仿真系統(tǒng)采用了全物理過程的模塊化的數(shù)學模型，客觀真實且全面地模擬了實際機組機、爐、電、熱控及附屬設(shè)備的啟停、運行調(diào)節(jié)、事故處理、仿真試驗等各種工況下的運行反應及操作過程.

2 仿真系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 仿真硬件

仿真系統(tǒng)構(gòu)成完全按照實際機組單元控制室的布置實現(xiàn)1∶1 仿真.如圖1.

圖1 仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)成

教練員站兼做服務器，除實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的運行控制及過程監(jiān)視等教練員站功能外，還具有仿真模型開發(fā)、調(diào)試及修改、數(shù)據(jù)庫管理等服務器功能. 系統(tǒng)配置5 臺操作員站供培訓人員進行操作，操作員站的人機界面及所有操作功能與實際機組完全一致. 為了和現(xiàn)場控制室操作界面保持一致，系統(tǒng)配置了2 臺投影儀及投影幕布，實現(xiàn)發(fā)電機組的單元控制室大屏幕的操作環(huán)境仿真.另外，為了滿足實際運行時就地操作的要求，配置2 臺就地操作站，其功能是實現(xiàn)實際機組單元控制室以外所有系統(tǒng)的手動操作及相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)視. 教練員站與操作員站、就地站、投影儀之間以網(wǎng)線通過網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)連接通訊.

2.2 仿真軟件

系統(tǒng)仿真開發(fā)環(huán)境SimuEngine 是1 個可視化的科學計算仿真支撐系統(tǒng)，具有良好的可維護性和可移植性，可運行于Windows2000/XP/2003/Vista /2008/7等多種Windows 操作系統(tǒng)，是介于仿真系統(tǒng)和計算機操作系統(tǒng)之間的可視化仿真支撐系統(tǒng). 它提供了專用的實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、可視化的動態(tài)數(shù)據(jù)顯示、在線數(shù)據(jù)修改、模型調(diào)試、圖形化的建模環(huán)境并具備齊全的仿真功能.該系統(tǒng)具有界面友好、功能齊全、通用性強和開放度高等特點.

仿真模型是基于仿真引擎SimuEngine 支撐下的圖形化建模工具軟件SimuBuilder 開發(fā)的，包括鍋爐系統(tǒng)、汽輪機系統(tǒng)、發(fā)電機及廠用電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、邏輯保護系統(tǒng)仿真模型.整個仿真模型全部依據(jù)仿真對象的設(shè)計資料建立，實現(xiàn)對垃圾焚燒發(fā)電機組的正常運行、啟停、異常和特殊工況的全范圍、全過程仿真，能夠滿足機組設(shè)計優(yōu)化、運行指導和人員培訓等的各項需求.

3 仿真系統(tǒng)功能

仿真引擎SimuEngine 提供了先進的多任務實時調(diào)度功能，可以在系統(tǒng)中同時執(zhí)行多個數(shù)學模型程序，并使之自動保持同步;仿真周期精度高，最小仿真步長可以達到10 ms，數(shù)據(jù)刷新時間步長可以達到50 ms;具有多流程支持功能，可以同時運行多個仿真進程;支持多臺計算機的分布式仿真運行.

3.1 教練員站

仿真系統(tǒng)的教練員站的任務是控制仿真系統(tǒng)運行及監(jiān)視仿真過程，功能豐富，操作簡潔，功能強大，靈活方便.其功能包括:①常數(shù)的讀取與快速保存;②工況的讀取與快速保存;③模型的運行與停止;④模型的凍結(jié)與解凍:可以凍結(jié)所有模型程序，也可以凍結(jié)部分模型程序;⑤改變模型運行速度:可以將模型運行速度從實際速度的1/10 至10 倍之間進行連續(xù)調(diào)整;⑥故障設(shè)置:可設(shè)置實際發(fā)電機組運行當中的典型及常見故障，故障庫可以跟據(jù)實際需求添加與管理故障;⑦回退功能:可啟/停用回退功能，回退數(shù)據(jù)的保存長度與間隔均可以靈活設(shè)定;⑧追憶功能:可啟/停用追憶功能，追憶數(shù)據(jù)的保存長度與間隔、以及需要追憶的變量均可以靈活設(shè)定;⑨運行狀態(tài)顯示:可以顯示當前仿真狀態(tài)、故障設(shè)置情況、運行時間、仿真速度等;⑩單步及多步執(zhí)行.

3.2 操作員站和就地站

仿真系統(tǒng)操作員站及就地站的人機界面均采用DataView 圖形軟件開發(fā). 操作員站人機界面完全仿真了仿真對象機組操作員站的運行操作界面，包括系統(tǒng)布置、參數(shù)顯示、實時曲線、模擬量及開關(guān)量操作、控制方式、連鎖保護、聲光報警等與仿真對象機組完全一致，操作及參數(shù)顯示的實時性與仿真對象機組相符.就地站人機界面風格、系統(tǒng)布置與操作員站一致，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真對象機組單元控制室以外爐、機、電等系統(tǒng)的手動操作及相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)視，滿足仿真系統(tǒng)全工況下的各項操作及數(shù)據(jù)監(jiān)視的要求.

4 仿真系統(tǒng)性能測評

4.1 模型穩(wěn)態(tài)仿真

仿真機組模型的穩(wěn)態(tài)仿真，主要是對垃圾焚燒發(fā)電機組100%額定負荷穩(wěn)態(tài)正常運行工況進行仿真，仿真模型計算輸出的主要參數(shù)與實際機組設(shè)計值的比較見表1.

表1 100%額定負荷穩(wěn)態(tài)運行主要參數(shù)仿真比較

從表1 中可以看到，在經(jīng)過的30 ～60 min 的穩(wěn)態(tài)運行后，兩者吻合得很好，穩(wěn)態(tài)偏差不大于0.5%.

4.2 模型動態(tài)及事故仿真

發(fā)電機組運行的動態(tài)過程包括內(nèi)外部擾動、故障、以及其他不穩(wěn)定的變化過程，共選取了機組在帶100%額定負荷的穩(wěn)定工況下，機組降20%負荷、鍋爐降20%燃料量、鍋爐滅火3 種典型的擾動，測試其關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢，測試結(jié)果如下.

4.2.1 機組降20%負荷

機組為100%額定負荷穩(wěn)定工況，機、爐所有調(diào)節(jié)器均在自動狀態(tài)，將機組負荷降至80%額定負荷，其他無任何操作，其主要參數(shù)動態(tài)趨勢如圖2.

圖2 機組降20%負荷擾動的動態(tài)趨勢曲線

4.2.2 鍋爐降20%燃料量

機組為100%額定負荷穩(wěn)定工況，機、爐所有調(diào)節(jié)器均在自動狀態(tài)，將鍋爐燃料量降至80%額定燃料量，汽輪機調(diào)節(jié)閥開度不變，其主要參數(shù)動態(tài)趨勢如圖3.

圖3 鍋爐降20%燃料量擾動的動態(tài)趨勢曲線

4.2.3 鍋爐滅火

機組為100%額定負荷穩(wěn)定工況，機、爐所有調(diào)節(jié)器均在自動狀態(tài)，鍋爐手動MFT，汽機不跳閘.

測試結(jié)果表明，在相同的操作條件下，主要參數(shù)動態(tài)趨勢正確，動態(tài)精度、實時性高，動態(tài)偏差不大于2%(相對監(jiān)測參數(shù)的變化量程而言). 各專業(yè)的仿真模型采用實時計算的動態(tài)模型，快過程模型運算的周期≤0.2 s，最小0.05 s;慢過程模型運算周期≤1 s;可以很好的滿足熱力系統(tǒng)動態(tài)計算的要求.

5 結(jié)束語

該仿真系統(tǒng)是對垃圾焚燒發(fā)電機組的生產(chǎn)過程1:1 的全范圍、全過程仿真.能夠滿足垃圾焚燒爐發(fā)電機組的設(shè)計優(yōu)化、運行指導和人員培訓等的需求.通過對垃圾焚燒發(fā)電機組運行人員的培訓，可以有效地提高運行人員的水平，減少事故的發(fā)生;在仿真系統(tǒng)上進行相關(guān)的仿真試驗，可以優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電機組的設(shè)計.在一定程度上可以促進國內(nèi)垃圾爐電站運行技術(shù)的發(fā)展，對于減少垃圾污染，節(jié)能減排具有重要意義.

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