摘要：為提高司爐工的節(jié)能操作水平，以燃燒調(diào)整為培訓(xùn)重點，提出一種節(jié)能操作仿真培訓(xùn)原理及裝置。依據(jù)質(zhì)量及能量守恒原理，采用分塊建模方法分析DZL4-1.25-All鍋爐的數(shù)學(xué)模型，采用vc++編制仿真程序并結(jié)合真實能效測試數(shù)據(jù)驗證模型的準(zhǔn)確性。運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)設(shè)計由鍋爐實體物理模型及PLC傳感檢測電控系統(tǒng)組成的硬件結(jié)構(gòu)，采用組態(tài)技術(shù)開發(fā)上位機(jī)仿真培訓(xùn)考核軟件。試點應(yīng)用效果表明：研制的裝置能有效實現(xiàn)燃煤鍋爐節(jié)能操作技術(shù)的仿真培訓(xùn)，提高培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)建模；鍋爐節(jié)能；仿真培訓(xùn)；模擬機(jī)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）03-0073-05

0 引言

工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)裝置是一種由縮小比例的鍋爐實體物理模型和后臺仿真計算機(jī)組成的半物理式仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)，又稱為鍋爐模擬機(jī)。由于這類系統(tǒng)中沒有燃料、水、汽等介質(zhì)，也不存在真正的燃燒、蒸發(fā)等物理化學(xué)過程；所以，利用鍋爐模擬機(jī)對司爐人員的實際操作技能進(jìn)行培訓(xùn)考核，能在保證人員安全性的基礎(chǔ)上取得較好的培訓(xùn)效果。

國外的大型企業(yè)很早就利用計算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)了鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，出于技術(shù)保護(hù)的考慮并沒有公開相關(guān)裝置，也未見報道。近幾年國內(nèi)在鍋爐模擬機(jī)方面開展了一些研究，研究單位以特種設(shè)備檢驗檢測機(jī)構(gòu)、石油化工企業(yè)、高校研究所為主，不少單位開展了鍋爐模擬機(jī)的研制。然而，這些模擬機(jī)系統(tǒng)仍存在功能單一、爐型單一、可靠性和可維護(hù)性欠佳、仿真效果有待提高等缺陷；尤其是在功能方面，其設(shè)計理念仍停留在安全操作仿真培訓(xùn)上，即以工業(yè)鍋爐的正確安全操作為準(zhǔn)則，僅能實現(xiàn)對操作正確性的培訓(xùn)，無法對操作的節(jié)能效果進(jìn)行評價。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文從操作節(jié)能的角度出發(fā)，針對具有較大節(jié)能空間的DZL型工業(yè)燃煤鍋爐，研制一種基于節(jié)能操作仿真培訓(xùn)原理及有機(jī)聯(lián)動數(shù)學(xué)模型的鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案及實現(xiàn)原理

1.1 系統(tǒng)方案

燃煤鍋爐的節(jié)能操作包括兩步，首先對鍋爐運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷和分析，然后再根據(jù)鍋爐的狀態(tài)采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，目的是使鍋爐保持高效、穩(wěn)壓、穩(wěn)水位運(yùn)行用。燃燒調(diào)整是鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)節(jié)能操作技能培訓(xùn)的重點內(nèi)容。因此，所研制的模擬機(jī)系統(tǒng)在硬件方面需要對爐排的進(jìn)煤量、爐膛的進(jìn)風(fēng)量、鍋筒的進(jìn)水量、汽包的出汽量進(jìn)行測量和計算；在軟件方面需要基于燃煤鍋爐全工況運(yùn)行精確完整數(shù)學(xué)模型的數(shù)字仿真程序，根據(jù)設(shè)置參數(shù)，如煤層高度、爐排速度、風(fēng)門開度等，計算出作為反饋信號和評價指標(biāo)的熱效率、排煙溫度、過量空氣系數(shù)、爐體外表溫度、爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力、水位、煤斗煤余量、爐膛火焰大小等熱力學(xué)參數(shù)，使學(xué)員操作時各物理量之間建立聯(lián)動關(guān)系。

DZL鍋爐節(jié)能操作仿真培訓(xùn)模擬機(jī)的系統(tǒng)方案由鍋爐實體物理模型、操作控制臺、傳感檢測控制器、仿真微機(jī)4部分組成。其中，鍋爐模型上的各操作機(jī)構(gòu)是在真實的閥門、儀表、輔機(jī)內(nèi)部安裝的各類傳感器、數(shù)碼顯示裝置，經(jīng)電氣化改裝而成。操作控制臺上布置有操作按鍵、儀表指示燈，在保留真實鍋爐控制臺布局的基礎(chǔ)上配置一臺用來顯示鍋爐運(yùn)行熱力學(xué)參數(shù)動態(tài)曲線的觸摸屏顯示器。仿真微機(jī)上運(yùn)行著包含燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序及操作記錄評分程序的培訓(xùn)考核軟件，本系統(tǒng)每臺模擬機(jī)配置一臺仿真微機(jī)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用C/S構(gòu)架，仿真微機(jī)通過以太網(wǎng)將學(xué)員信息、考試信息等存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，同時服務(wù)器也可隨時調(diào)用各仿真微機(jī)的監(jiān)控界面。在操作控制臺內(nèi)，用傳感檢測控制器集成處理傳感顯示元件和仿真微機(jī)之間的信息交換。

1.2 實現(xiàn)原理

節(jié)能操作仿真培訓(xùn)過程的信號流如圖1所示，鍋爐設(shè)置為低效運(yùn)行的初始狀態(tài)工況下，學(xué)員通過觀察鍋爐模型及操作控制臺上的各類顯示裝置以及觸摸屏顯示器上呈現(xiàn)的熱力學(xué)參數(shù)曲線，對鍋爐的運(yùn)行工況及低效原因做出分析和判斷，然后調(diào)節(jié)鍋爐模型上相關(guān)的操作機(jī)構(gòu)，同時根據(jù)模擬鍋爐出現(xiàn)的狀況，對排氣閥、安全閥、排污閥等進(jìn)行操作。安裝在操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳感器將操作產(chǎn)生的機(jī)械信號轉(zhuǎn)換成狀態(tài)信號，再由傳感檢測控制器將各狀態(tài)信號處理成操作信號，通過以太網(wǎng)輸入仿真微機(jī)。仿真微機(jī)一方面根據(jù)操作記錄評分程序判斷學(xué)員操作的正誤，另一方面依托燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序計算鍋爐仿真運(yùn)行的各參數(shù)信號，如蒸汽壓力、水位、爐膛火焰大小、熱效率、排煙溫度、爐膛負(fù)壓等，并輸出給傳感檢測控制器及控制臺顯示器?？刂破鲗?shù)信號處理成驅(qū)動信號輸出至鍋爐模型上的顯示裝置及儀表，觸摸屏顯示器將參數(shù)信號顯示成動態(tài)曲線形式，從而將鍋爐的運(yùn)行工況反饋給學(xué)員，使學(xué)員做出進(jìn)一步的判斷和調(diào)節(jié)。當(dāng)培訓(xùn)練習(xí)完成后，操作記錄評分程序根據(jù)操作時間內(nèi)鍋爐仿真運(yùn)行的平均熱效率、平均排煙溫度以及操作步驟進(jìn)行評分，并在顯示器上顯示得分和扣分信息。依此實現(xiàn)燃煤鍋爐節(jié)能操作技能及安全操作技能的仿真培訓(xùn)。

2 DZL鍋爐數(shù)學(xué)模型分析

精確的數(shù)學(xué)模型對實現(xiàn)節(jié)能模擬操作必不可少。以某鍋爐廠型號為DZIA-I.25-AII鍋爐為對象，根據(jù)燃料及煙氣的流程采用分塊建模法將燃煤鏈條鍋爐分成8個子模型，分別建立燃料模型、燃料燃燒模型、爐膛煙溫模型、第1對流管束模型、第2對流管束模型、省煤器模型、鍋爐負(fù)壓模型以及汽包模型。

2.1 燃燒過程建模

燃燒模型是鍋爐建模的核心，根據(jù)煤燃燒過程可分成水分析出、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭燃燒和灰分4個子模型，建模依據(jù)質(zhì)量及能量守恒原理，下面以水分析出過程為例介紹建模方法。

根據(jù)質(zhì)量守恒可得：式中：M，、M2——水分析出前后煤的質(zhì)量；

——析出的水分質(zhì)量。

根據(jù)能量守恒可得：式中：——水分析出前后燃煤具有的熱量；

——煙氣輻射、前拱輻射以及水冷壁

輻射的熱量；

——煤的對外輻射熱量、風(fēng)室進(jìn)風(fēng)吸

收的熱量以及水分析出過程吸收的熱量。

燃煤的熱量可表示為式中：——常溫，設(shè)為298.15K；

——水分析出前后燃煤的溫度；

——水分析出前后燃煤的比熱。

根據(jù)熱輻射公式，各項熱輻射能量可表示為式中：——爐膛煙氣、前拱、水冷壁及煤

的表面輻射系數(shù)；

——斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)；

——爐膛煙氣、前拱、水冷壁及煤

的溫度，其中；

——煙氣輻射、前拱、水冷壁及煤的

面積；

t——水分析出過程所需時間，取，其中

Lf為第一風(fēng)室對應(yīng)的爐排長度，v為爐排運(yùn)動

速度。式中：——溫度等于時的空氣焓值；

——第一風(fēng)室的進(jìn)風(fēng)速度。式中為溫度等于/2時的水蒸汽焓值。

根據(jù)式（l）-式（6），假設(shè)一個T2的初始值，采用數(shù)值迭代方法可算出經(jīng)過水分析出過程后燃煤的溫度T2。

2.2 仿真程序編制及模型驗證

在數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上采用C++語言編寫燃煤鍋爐的數(shù)字仿真程序，并采用VC開發(fā)工具編制用戶界面，如圖2所示。根據(jù)真實鍋爐的各項參數(shù)，依據(jù)該爐型的熱力計算設(shè)計書、熱工能效測試數(shù)據(jù)、日常運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)等對模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試及優(yōu)化修正。表1為在額定工況下使用所編制的仿真程序計算的鍋爐參數(shù)與熱力計算書的對比，可見所建數(shù)學(xué)模型的實用性和準(zhǔn)確性基本得到驗證。

3 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

鍋爐模擬機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)是指燃煤鍋爐實體物理模型，由DZL鍋爐本體、安裝在本體上的閥門儀表和安全附件以及配套的附屬設(shè)備等組成。

對于鍋爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，雖然直接采用真實的燃煤鍋爐本體最為真實，但是真實的燃煤鍋爐里最小規(guī)格的產(chǎn)品，其本體部分的質(zhì)量和體積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通培訓(xùn)教室的承載和空間限制，并給運(yùn)輸和移動帶來不便；此外，真實燃煤鍋爐的外包結(jié)構(gòu)是封閉的，不利于向?qū)W員清晰地展現(xiàn)鍋爐內(nèi)部爐膛結(jié)構(gòu)。本課題鍋爐本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路是以真實的4t/h蒸發(fā)量的單鍋筒縱置式鏈條爐排燃煤鍋爐為原型，在尺寸上按一定比例進(jìn)行縮小，在材料上進(jìn)行適當(dāng)?shù)木喓吞鎿Q，以便于控制模型的整體質(zhì)量和體積。鍋爐本體由真實運(yùn)動的鏈條爐排、鍋筒及外包結(jié)構(gòu)組成，鏈條爐排包括爐排底座、煤斗、爐排驅(qū)動裝置，爐排底座上設(shè)置有1個觀火窗、4個分段調(diào)風(fēng)門以及4根清灰桿；鍋筒的外包結(jié)構(gòu)上設(shè)置有撥火門、爐膛觀看窗、鍋筒觀看窗等剖析結(jié)構(gòu)，能使學(xué)員直觀地掌握燃煤鍋爐的內(nèi)部構(gòu)造。

安裝在本體上的閥門儀表和安全附件均采用真實部件，目的是增強(qiáng)用戶的操作真實感，其中閥門包括安全閥、主汽閥、排氣閥、快開排污閥、慢開排污閥、給水閥、止回閥等，儀表包括水位表、水位報警器、壓力表、給水壓力表等。

配套的附屬設(shè)備采用真實的部件外殼，從成本和質(zhì)量考慮去掉真實輔機(jī)部件的內(nèi)部元件和材料.附屬設(shè)備包括鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、除塵器、煙氣管道、給水泵、除渣機(jī)等。

3.2 電控系統(tǒng)

3.2.1 傳感檢測子系統(tǒng)

模擬機(jī)的傳感檢測子系統(tǒng)由安裝在鍋爐本體、儀表閥門、輔機(jī)內(nèi)部以及控制臺上的傳感檢測元件和數(shù)碼顯示裝置組成，是電控系統(tǒng)的輸入輸出裝置。除了要求采用合適的傳感、顯示元件來實現(xiàn)各類機(jī)械信號的采集及數(shù)碼信號的顯示外，還需要以隱蔽的方式將元件安裝在內(nèi)部以達(dá)到美觀真實、方便維護(hù)的要求。

3.2.2 傳感檢測主控制器

對于鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)，主控制器的作用是對系統(tǒng)內(nèi)的信號進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換、處理以及簡單的運(yùn)算?？紤]到PLC具有穩(wěn)定可靠、簡單易用、模塊化、接口豐富、開發(fā)周期短等特點，加上本系統(tǒng)涉及大量數(shù)字量和模擬量的輸入輸出；因此，選用三菱FX系列PLC作為主控制器，配置情況如表2所示。系統(tǒng)總共可以控制64路數(shù)字量輸入，32路數(shù)字量輸出，12路模擬量輸入，8路模擬量輸出以及實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。

4 仿真培訓(xùn)考核計算機(jī)軟件開發(fā)

運(yùn)行在上位機(jī)的仿真培訓(xùn)考核軟件是整套節(jié)能操作鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)仿真運(yùn)算和智能考核評分兩大作用，同時也為系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面。本文采用國內(nèi)主流的工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)一套基于C/S構(gòu)架的仿真培訓(xùn)考核計算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。軟件的開發(fā)過程包括設(shè)備定義、圖形界面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫構(gòu)造、動畫連接建立、運(yùn)行調(diào)試5個步驟。

開發(fā)的軟件內(nèi)容包括調(diào)試演示、培訓(xùn)考核、信息查詢、數(shù)據(jù)庫維護(hù)4個功能模塊；其中調(diào)試演示模塊可對鍋爐運(yùn)行時各子系統(tǒng)的流程進(jìn)行演示，此外當(dāng)系統(tǒng)需要維護(hù)時可支持軟硬件的調(diào)試；培訓(xùn)考核模塊實現(xiàn)對學(xué)員節(jié)能與安全操作技能的訓(xùn)練，考核試題包括節(jié)能操作和安全操作兩部分，當(dāng)選擇考核時成績才計入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；信息查詢模塊可實現(xiàn)學(xué)員信息、培訓(xùn)考核信息、試題信息等的查詢；數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊包含學(xué)員信息錄入、試題編寫、試卷編寫等功能。圖3為軟件中的組態(tài)監(jiān)控界面。此外，上位機(jī)軟件采用OPC標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)用基于燃煤鍋爐數(shù)學(xué)模型所編寫的DZL鍋爐數(shù)字仿真程序，實現(xiàn)與鍋爐熱力學(xué)模型的數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)束語

采用多傳感器信息融合技術(shù)、組態(tài)編程技術(shù)及分塊數(shù)學(xué)建模方法研制了一套基于燃煤鍋爐數(shù)學(xué)建模的DZL鍋爐節(jié)能操作仿真培訓(xùn)裝置。該系統(tǒng)由高仿真度的鍋爐實體物理模型、高可靠性及集成度的PLC傳感檢測電控系統(tǒng)以及集成燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序的智能化仿真培訓(xùn)考核軟件組成。通過試點應(yīng)用驗證了仿真培訓(xùn)裝置的操作感、仿真度、集成度及可靠性，應(yīng)用效果表明所設(shè)計的鍋爐仿真培訓(xùn)裝置能有效實現(xiàn)工業(yè)燃煤鍋爐節(jié)能操作技術(shù)的培訓(xùn)考核，提高了培訓(xùn)效果，在特種設(shè)備作業(yè)人員培訓(xùn)考核領(lǐng)域具有一定的貢獻(xiàn)意義。