電廠熱力系統圖形化建模的設備自動編號技術

蘇曉靜 趙志剛 龍俊峰 李平康

(北京交通大學機械與電子控制工程學院1，北京 100044;內蒙古大唐國際托克托第二發電有限責任公司2，內蒙古 托克托 010206)

0 引言

電廠熱力系統是一個復雜的能量轉換系統，隨著機組參數的提高及新技術、新設備的采用，熱力系統日益變得復雜。這對設計和運行維護人員提出了更高的要求。同時，電廠熱力系統經濟性分析既是熱力系統設計、技術改造的理論基礎，又是電廠熱力設備經濟運行在線分析的有力工具。目前，國內外已開發出一些計算機輔助熱力系統流程模擬軟件[1－5]，它們被廣泛應用于熱力系統的優化設計、熱力核算等。這些成果都在不同程度上提高了電廠熱力系統的設計水平，但是也存在一些不足之處：①熱力系統的工質管道編號易出錯，這在設備比較多的情況下時常有發生;②復雜熱力系統建模繁瑣，尤其是對高參數、大容量機組進行熱平衡分析時更為繁瑣;③系統模型在線修改困難，難以完成系統動態模型的自動化建模和可視化分析。

針對以上現象，本文采用Microsoft Visio，開發了具有良好兼容性的組態圖形模具庫，實現了熱力系統可視化建模中設備的自動編號。采用該方法，分析人員只要根據系統結構，就可很容易地通過點擊鼠標的方式，建立一個完整的熱力系統模型并實現自動編號。

1 設計思想及開發工具

為了形象地構建熱力系統模型網絡圖，有必要創建包含各模塊的模塊資源庫。熱力系統包括鍋爐、汽輪機和發電機三大主要部分。由于各電廠之間的實際情況存在差異，所以很難建立通用的系統模型。Matlab的交互式模型與仿真環境——Simulink工具箱是一個用來對系統進行建模、仿真及分析的軟件包。但是Simulink是一個動態的仿真環境，采用它來實現自動編號及網絡拓撲結構識別時，需要解決代數環的問題;并且由于熱力系統是一個封閉的循環系統，在計算完一個設備模塊遇到支路分叉時，需要對模塊間的計算順序進行控制，而這一點在Simulink中很難實現。考慮到系統的直觀性和工程應用性，我們采用Microsoft Visio解決方案來實現。

Microsoft Visio是近年國外較流行的圖形化解決方案開發平臺之一，具有強大的圖形操作功能[6]。通常Visio解決方案是指將現實世界模型化并用來解決特定的繪圖問題的Visio圖形和程序的組合。Microsoft Visio支持ActiveX技術，這是Microsoft軟件平臺中的一種完全面向對象的技術，它使面向對象化的編程語言和應用程序可以通過ActiveX與Visio進行通信，連接和控制Visio中的圖元和作圖對象。Visio以其獨特的模板、模具、形狀、拖拽式繪圖方式和智能圖形技術，使得不具有專業繪圖基礎的人員也能充分利用圖形表達自己的思維，對客觀世界或思維活動進行抽象和建模[7]。本文采用計算功能強大的Matlab結合Microsoft Visio實現圖形化建模中的自動編號技術。用Visio制作模塊資源庫，用來搭建熱力系統模型，在Matlab中使用ActiveX技術生成Visio控件對象后調用該對象的各種事件和屬性，從而完成可視化仿真的自動化。設備號和管道號在仿真時都能夠自動生成，因此，操作人員不必擔心設備號和管道號的錯誤和重復問題。

2 熱力設備自動編號

2.1 熱力設備模型

火電廠中有許多設備，如汽輪機、發電機、鍋爐等，其結構很復雜，但利用面向對象技術可不考慮其具體結構和與其他設備的關系，只考慮其輸入、輸出參數和性能參數，利用模塊化思想就可建立模塊庫。這對于生成易維護、通用性好的模擬集成系統有一定的實際意義。

以逐級自流式加熱器為例說明模具的開發過程。模具的開發包括定義模具的幾何外觀和物理屬性兩個步驟。加熱器的外觀是用Visio繪制而成。通常，逐級自流式加熱器具有五個連接點：給水入口、給水出口、抽汽入口、上級疏水入口和本級疏水出口。加熱器模具用以上五個連接點來表征。連接點用于“鎖定”設備和管道支路的連接，它主要是用來識別熱力設備的連接關系。

加熱器模具除了定義幾何外形外，還需定義一些物理屬性，如：加熱器上下端差、散熱效率、設備節點以及各個連接點的編號等。Visio允許用戶為對象指定一些自定義屬性。Visio不會對這些自定義屬性數據進行解釋，如何使用它們完全由解決方案的開發者決定，加熱器的這些物理屬性就是為建模中的網絡拓撲識別分析和熱力系統二次參數的計算設置的。打開加熱器模塊的自定義屬性對話框，輸入設備成管道的相應編號，如：上面提到的逐級自流式加熱器其設備編號為4、給水管道編號為5等。對象模塊的ShapeSheet結構如表1所示。

表1 對象模塊的ShapeSheet結構Tab.1 ShapeSheet structure of the object module

定義的所有幾何和物理屬性都被存儲在一個被稱為ShapeSheet的數據結構中。ShapeSheet是一個由Visio提供給開發者相對低級的、強有力的開發工具。ShapeSheet分為若干個小節(section)，每個小節是一個二維的數據表格，對象的所有屬性和行為都存儲在這些表格的單元(cell)中。

2.2 設備、支路編號的自動實現

利用流體網絡的方法編寫關聯矩陣方程時，需要對各支路和節點進行編號。熱力系統中的設備均構成閉環回路，且每條管道支路的兩邊均連著設備節點。編號的解決思路如下：在Matlab中捕捉Visio的Shape添加事件，經Matlab處理后，標志和編號被送入Visio中的模型自定義屬性表并保存。以管道為例，具體實現過程如下。

首先，在Matlab中定義一個變量N和一個二維數組pipe[標志，編號]n×2，變量N定義為管道編號標志，它用來記錄系統中共有多少個管道支路;而二維數組用來定義系統中每個管道的編號及標志。每向系統添加一條管道支路，變量N將自動加1，此時該管道被賦予一個標志;之后Pipe數組從1開始自動搜索已用編號，當搜索到第一個未被使用的編號時，將它作為該管道的編號存入Pipe數組中，同時將其送入Visio的管道支路模塊屬性表。每從系統刪除一條管道支路，Matlab先識別哪條支路被選中，之后從Pipe數組中自動刪除其相關記錄，變量N將自動減1，同時Visio中的相應模塊及其屬性表被刪除，從而完成管道的自動編號。

自動編號流程如圖1所示。

圖1 自動編號流程圖Fig.1 Flowchart of automatic numbering

3 應用實例

某電廠25 MW機組熱力系統是由兩級高壓加熱、三級低壓加熱帶一級除氧組成的六級回熱系統。熱力系統中汽水循環過程為：汽輪機做完功的乏汽被凝汽器冷卻成凝結水，凝結水經凝結水泵送到低壓加熱器加熱，然后經除氧器除氧后進入高級加熱器。高級加熱器出來的水經省煤器、汽包、過熱器后變成過熱蒸汽。過熱蒸汽進入汽輪機后做功，將熱能轉變為動能，進而轉化為電能。之后的乏汽再次進入凝汽器進行循環。

利用模型庫搭建的熱力系統模型如圖2所示。圖中設備模塊上以及管道上的數字代表設備和管道在整個熱力系統中的編號。設備及管道的自動編號不但便于系統建模時的更改，更為實現熱力系統熱平衡模塊化計算提供了相關信息。利用熱力系統模型，并結合熱力系統計算軟件包，就可以計算熱力系統相關參數。

圖2 熱力系統模型Fig.2 Thermal system model

系統參數以及回熱系統的參數分別如表2、表3所示。在進行熱力系統熱平衡計算時，軟件包直接調用該模型即可得到運算結果。該結果可與實際運行的測量參數進行比較以確定機組的運行狀態，也可以通過該結果評估新老電廠的經濟性能。如果設備實際運行的參數與此相差較大，則說明該管道發生了故障，應該對其進行維護，從而保證了機組的安全運行。

表2 系統參數Tab.2 System parameters

表3 回熱系統參數Tab.3 Parameters of the heat return system

此外，通過對熱力設備性能參數的變化趨勢進行分析，并將電廠DCS系統歷史數據庫中實際值與設計值或機組的目標值進行比較，可以得知設備的運行狀況，及早發現設備的故障征兆或診斷出設備的故障。

熱平衡計算得到各管道支路的溫度、壓力、焓、流量等參數如表4所示。

表4 熱平衡計算結果Tab.4 Calculation results of thermal balance

4 結束語

目前，單元機組經濟性分析及運行優化軟件包往往只針對某特定機組開發，可移植性、通用性都較差。本文提出了采用Visio二次開發的模型庫以及Visio結合Matlab的自動編號技術。

應用該技術可以使工程技術人員通過簡單組態的方式建立復雜熱力系統的模型。此外，該方法還可以使建模、仿真過程簡捷、高效。應用該方法對某電廠25 MW機組熱力系統進行建模仿真，并對該熱力系統進行熱平衡計算，結果表明本文提出的方法能夠方便地進行模型建立和修改，能夠準確地進行熱力計算。因此，該方法是可行的。

[1]郭民臣.電廠熱力系統分析方法的研究與發展現狀[J].熱力發電，2001(6)：7 －9.

[2]王朝瑞，雷學麗.電廠熱力系統通用計算方法的研究[J].長春工程學院學報：自然科學版，2002(4)：29－30.

[3]李傳統，李中華.火電廠熱力系統通用計算模型的研究[J].中國礦業大學學報：自然科學版，1997，26(2)：63 －66.

[4]姬文亮，雎剛，韋紅旗.火電機組熱力系統通用計算軟件的開發[J].能源研究與利用，2003(6)：23 －26.

[5]丁艷軍，王培紅，呂震中，等.基于過程系統工程理論的熱力系統性能模擬[J].熱能動力工程，2000，15(2)：153 －155.

[6]吳永明，吳永忠，袁紅亮.Microsoft Visio在工程設計軟件開發中的應用[J].機床與液壓，2004(5)：37 －39.

[7]劉強，劉向君，馬旭勃.利用Visio二次開發實現邏輯圖自動分析[J].軟件導刊，2009，8(1)：13 －15.

[8]郭偉偉，張鋒，章健.Visio圖形化電力計算軟件中電網拓撲結構的識別[J].河南科學，2006，24(6)：889 －891.

[9]岳世鋒，李平康.基于Matlab/Simulink的火電廠熱力系統模塊化建模方法[J].燃氣輪機技術，2005，18(4)：39 －42.

[10]李平康，岳世鋒.火電廠熱力設備特性可視化仿真的自動實現技術[J].電力設備，2006，7(5)：51－54.