蔡旭槐

(1浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310053)

熱能電力實(shí)物仿真裝置

蔡旭槐

(1浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310053)

闡述熱能電力實(shí)物仿真裝置，以工廠真實(shí)裝置為背景，設(shè)備按比例縮小，采用替代物料模擬鍋爐循環(huán)流程，采用工業(yè)級的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高校學(xué)生及企業(yè)人員培訓(xùn)考核的功能。

熱能電力；高危行業(yè)； 仿真軟件

1 背景介紹

熱電聯(lián)供裝置是鍋爐中燃料燃燒的化學(xué)能通過與水換熱產(chǎn)生特定壓力、溫度的蒸汽，一部分蒸汽調(diào)溫調(diào)壓后供石化企業(yè)生產(chǎn)工藝需要，一部分蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)電補(bǔ)充石化企業(yè)生產(chǎn)工藝中動(dòng)力設(shè)備的需要。對供熱(蒸汽)有剛性需求的石化企業(yè)，因地制宜建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，在保證工廠工藝生產(chǎn)必須的熱能的同時(shí)，利用工藝生產(chǎn)對熱能需求的峰谷差提供工藝生產(chǎn)所需電能補(bǔ)充，使熱能裝置的能力得到充分利用。但是，熱能電力行業(yè)具有連續(xù)化、大生產(chǎn)、高技術(shù)、高危高壓等特點(diǎn)，因此在校學(xué)生去工廠實(shí)習(xí)時(shí)，從安全角度出發(fā)，工廠企業(yè)禁止學(xué)生對設(shè)備進(jìn)行親自操作，均為參觀性實(shí)習(xí)。因此，在校學(xué)生尤其是畢業(yè)生在進(jìn)行工廠實(shí)習(xí)時(shí)匱乏親自動(dòng)手的操作設(shè)備的機(jī)會(huì)，缺乏理論知識和時(shí)間結(jié)合的操作環(huán)節(jié)。所以，當(dāng)學(xué)生畢業(yè)后到企業(yè)參加工作時(shí)，熟悉設(shè)備需要很長的時(shí)間，上手速度慢，這對于企業(yè)及個(gè)人來講都是一種浪費(fèi)。本裝置針對這一社會(huì)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生可以對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場操作，并且有物料模擬運(yùn)行。有效的提供了學(xué)生及工人崗前操作裝置的實(shí)踐機(jī)會(huì)。強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)踐操作技能，提高了學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)能力。

2 工藝原理

2.1 干法脫硫反應(yīng)原理

煤中的硫根據(jù)其存在形態(tài)，可分為有機(jī)硫、無機(jī)硫兩大類。有機(jī)硫是指與煤的有機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的硫，如硫醇類化合物(R-SH)、硫醚(R-S-R)、二硫醚酸(R-S S-R)、噻吩類雜環(huán)硫化物和；硫醌化合物等。無機(jī)硫是以無機(jī)物形態(tài)存在的硫，通常以晶粒狀態(tài)夾雜在煤中，如硫鐵礦硫和硫酸鹽硫，其中以黃鐵礦硫(FeS2)為主，還有綠礬(FeSO4·7H2O)、方鉛礦(PbS)、閃鋅礦(ZnS)等。

可燃燒硫及其化合物在高溫下與氧放生反應(yīng)，生成SO2，其反應(yīng)可用如下方程式表示：

S+O2→SO2

3FeS2+8O2→Fe4O3+6SO2

在煤燃燒過程中，產(chǎn)生的二氧化硫與石灰石反應(yīng)，其反應(yīng)可用如下方程式表示：

CaCO3→CaO+CO2

CaO+SO2+1/2O2→CaSO4

2.2 濕法脫硫反應(yīng)原理

由于石灰石脫硫劑中有Ca、Mg及其他物質(zhì)，煙氣中有CO2、O2、SO2、HCl、Nox、N2等氣體，飛灰中含有Na、K、Cl及其他物質(zhì)，所以用石灰石漿液脫除煙氣中SO2是一個(gè)十分復(fù)雜的體系。其反應(yīng)時(shí)表示：

SO 2(g)+CaCO3(s)+1/2O2(g)+2H2O(l)→CaSO4·2H2O(s)+CO2(g)

2.3 脫硝反應(yīng)反應(yīng)

燃燒過程中生成的NOx有三種途徑：(1)燃燒用空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸a(chǎn)生的氮氧化物；(2)碳化氫燃料過濃時(shí)燃燒產(chǎn)生的氮氧化物；(3)燃料中含有的氮的化合物，如雜環(huán)氮化物在燃燒過程中氧化而生成的氮氧化物。

在爐膛900～1100℃這一狹窄的溫度范圍內(nèi)，在無催化劑作用下，NH3或尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本上不與煙氣中的O2作用。

其主要反應(yīng)為：

NH3為還原劑 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素為還原劑 (NH4)2CO→2NH2+CO

NH2+NO→N2+H2O

CO+NO→N2+CO2

3 裝置組成及設(shè)計(jì)原理

3.1 裝置組成

裝置由硬件和軟件組成，關(guān)系見圖1，DCS系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)組成，DCS系統(tǒng)采用國內(nèi)知名品牌浙江中控的產(chǎn)品,是和真實(shí)工廠中使用相同的控制系統(tǒng)，通過該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對裝置的測量、控制和監(jiān)控功能。仿真軟件是通過數(shù)學(xué)模型利用數(shù)據(jù)運(yùn)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物料平衡，仿真系統(tǒng)具有操作能力靈活性、參數(shù)更改便捷性及模擬多樣性等優(yōu)點(diǎn)。

裝置硬件就是實(shí)體部分，包含設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場儀表部分。具體敘述如下：所有設(shè)備以工廠真實(shí)裝置為背景，涵蓋了工業(yè)上熱能電力裝置中的鍋爐、吸收塔、旋風(fēng)分離器、汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)等組成。熱能電力實(shí)體仿真裝置外部形狀和真實(shí)工廠中設(shè)備外部形狀形狀大體一樣，但是按比例縮小，從整體的布局合理及設(shè)備協(xié)調(diào)為原則，設(shè)備的縮小比例不完全相同。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻泵及電加熱管。本裝置中使用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥選用工業(yè)中真實(shí)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，因此調(diào)節(jié)精度、外形及使用要求均和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致。儀表壓縮氣源的要求也和電力企業(yè)中的儀表氣源要求相一致。檢測儀表采用工業(yè)用真實(shí)現(xiàn)場儀表及遠(yuǎn)傳儀表，使學(xué)生認(rèn)識各種檢測儀表，結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)并感知其重要性?，F(xiàn)場儀表(包括現(xiàn)場和集中控制儀表)采用和工業(yè)上真實(shí)的熱能電力裝置的儀表相一致，增加儀表方面的真實(shí)性。

裝置的軟件部分由DCS控制系統(tǒng)和仿真軟件組成，DCS控制系統(tǒng)采用真實(shí)工業(yè)相一致的系統(tǒng)，即可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況， 操作站實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整有關(guān)配置和某些參數(shù)設(shè)定，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)。還能實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)裝置的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)趨勢瀏覽和報(bào)表分析、報(bào)警查詢等特殊功能。

圖1 裝置組成

仿真軟件系統(tǒng)由軟件操作平臺(tái)及數(shù)學(xué)模型組成，針對工業(yè)中熱能電力流程中難以用替代物料模擬部分，從動(dòng)態(tài)平衡的過程，對每一設(shè)備進(jìn)出的物料，嚴(yán)格按照物料平衡和能量平衡的原則進(jìn)行仿真計(jì)算，并輸出瞬時(shí)結(jié)果。為了保證仿真軟件模擬工藝操作過程的開、停車、正常運(yùn)行、負(fù)荷調(diào)節(jié)、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)、故障狀態(tài)操作及控制的高逼真性，仿真設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)模型能反映出系統(tǒng)物料和能量的變化與傳遞的定量關(guān)系；反應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)的物理化學(xué)變化的規(guī)律，如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征、氣液平衡特征、流體力學(xué)特性等；動(dòng)態(tài)模型反映工業(yè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)、慣性、時(shí)間滯后、多容高階段性等特性；動(dòng)態(tài)模型的求解速度達(dá)到實(shí)時(shí)要求、求解精度應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.2 裝置設(shè)計(jì)原理

在真實(shí)的工廠中，實(shí)物組成大體可以分為三類，即物料、設(shè)備、儀表。設(shè)備對物料進(jìn)行加熱、冷卻或者物料自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，物料經(jīng)過裝置時(shí)使測量儀表(溫度儀表、壓力儀表、液位儀表、流量儀表)的數(shù)值發(fā)生變化，操作者通過現(xiàn)場操作閥門(自動(dòng)調(diào)節(jié)閥或者現(xiàn)場手閥)操作改變物料的性質(zhì)。進(jìn)而使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期目的(原理見圖2)。所以真實(shí)工廠中的危險(xiǎn)根源是物料，儀表對物料性質(zhì)進(jìn)行檢測，通過信號轉(zhuǎn)換后在儀表上顯示數(shù)值。所以只要有信號源，測量儀表上均可以顯示出數(shù)值。因此，我們利用替代物料及仿真軟件代替真實(shí)物料，通過替代物料及仿真軟件運(yùn)行提供給測量儀表的信號源，并且通過DCS中央集控系統(tǒng)處理后，使操作者對設(shè)備的操作可能會(huì)引起測量儀表的數(shù)值變化，并且儀表的顯示數(shù)值和真實(shí)企業(yè)中的運(yùn)行參數(shù)基本吻合，再有，此裝置中主體運(yùn)行替代物料，能給操作者真實(shí)的感覺和視覺體驗(yàn)，增加裝置運(yùn)行的工廠化和真實(shí)性。(原理見圖3)。

圖2 工廠中參數(shù)關(guān)系

圖3 仿真裝置中參數(shù)關(guān)系

從圖3可以看出，替代物料和仿真軟件承擔(dān)起真實(shí)物料的作用，學(xué)生在工廠中實(shí)習(xí)最重要的環(huán)節(jié)是現(xiàn)場操作部分，前已述及真實(shí)的化工廠是禁止學(xué)生操作的，而當(dāng)我們利用替代物料和仿真軟件時(shí)可以真實(shí)的對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作，現(xiàn)場操作包含對現(xiàn)場操作手閥、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥(氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥)、加熱功率等?，F(xiàn)場的操作反饋回儀表，進(jìn)而儀表顯示數(shù)值發(fā)生變化。

4 裝置特點(diǎn)

裝置設(shè)計(jì)是以工業(yè)上真實(shí)的熱能電力生產(chǎn)裝置為原型，按一定比例比例縮小而制成。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮了裝置的安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。具體特點(diǎn)為：

4.1 操作對象真實(shí)化

裝置以工廠真實(shí)裝置為背景，全程采用替代物料運(yùn)行，裝置操作過程完全真實(shí)，真實(shí)體現(xiàn)電力企業(yè)工廠中的操作過程，操作崗位分工和真實(shí)企業(yè)一致，具體分為內(nèi)操和外操，操作過程和工業(yè)現(xiàn)場一致。

4.2 對象背景工廠化

以熱能電力裝置對象為背景，以主物料工藝流程為基礎(chǔ)，可整體或單元運(yùn)行。并結(jié)合職業(yè)教育的教學(xué)大綱要求，設(shè)計(jì)一定量的可視設(shè)備，以便設(shè)備解剖、認(rèn)識掌握設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，全流程替代物料，增強(qiáng)現(xiàn)場實(shí)物感，避免一線生產(chǎn)過程中存在的安全隱患。同時(shí)，設(shè)備、儀表等選用要求多元化形式。裝置中適量的采用工廠中真實(shí)使用儀表、閥門，使學(xué)生認(rèn)識各種顯示儀表，學(xué)會(huì)使用調(diào)節(jié)器并感知其重要性，可允許學(xué)生對儀表、閥門等進(jìn)行仿真隨意性調(diào)節(jié)。

4.3 DCS控制系統(tǒng)工業(yè)化

采用真實(shí)工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的DCS控制系統(tǒng)，配備標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)柜機(jī)，可進(jìn)行DCS組態(tài)與控制實(shí)驗(yàn)，具有系統(tǒng)信號連鎖保護(hù)功能，當(dāng)工藝設(shè)備出現(xiàn)超壓、超溫等異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)安全停車，對溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行控制。

調(diào)節(jié)閥選用工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)對儀表測量信號進(jìn)行處理，DCS儀表上顯示數(shù)據(jù)和工業(yè)裝置的熱能電力裝置真實(shí)操作數(shù)據(jù)基本相符。裝置可以進(jìn)行手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示過程數(shù)據(jù)，有工控柜，接入DCS系統(tǒng)，進(jìn)行DCS控制。

4.4 考核系統(tǒng)公平透明化

裝置配有評分說明及自動(dòng)評分系統(tǒng)，整體裝置對操作者的操作步驟、控制精度、故障處理等全過程進(jìn)行自動(dòng)評分(其中手閥帶有閥位信號反饋器，操作者的對手動(dòng)閥門的操作及時(shí)反饋至DCS系統(tǒng))。保證考核過程的公正、公平、合理性。

4.5 教學(xué)目的廣泛性

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮化工類專業(yè)、機(jī)械類專業(yè)、儀表及自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)，選型時(shí)要求同類設(shè)備多樣化，并兼顧設(shè)備的經(jīng)典性和先進(jìn)性。

5 束語

本裝置以工廠真實(shí)熱能電力裝置為背景，結(jié)合實(shí)際工廠的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和工廠控制系統(tǒng)，達(dá)到高校在校學(xué)生實(shí)習(xí)需求，熱能電力化工企業(yè)新員工入職培訓(xùn)及老員工技能考核的目的。

(本文文獻(xiàn)格式：蔡旭槐.熱能電力實(shí)物仿真裝置[J].山東化工，2017，46(12)：139-140.143.)

Advanced Physical Simulation Device of Thermal Power

CaiXuhuai

(Zhejiang SUPCON Scientific Instrument and Equipment Limited Company，Hangzou 310053,China)

The physical simulation device for thermal power is described in this paper,equipment scaling down to plant the real device as the background, alternative materials through the whole process ,Control system using real enterprise,to realization function of college students and enterprise personnel training and assessment.

thermal power；high risk industry；simulation software

2017-04-17

蔡旭槐(1983—)，浙江新昌人，工藝設(shè)計(jì)工程師，本科學(xué)位，從事教學(xué)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)

G642;TM621.4-4

A

1008-021X(2017)12-0139-02