600MW超臨界機(jī)組仿真機(jī)在電廠的開發(fā)及應(yīng)用

摘要：分析了蘭溪電廠600MW超臨界機(jī)組仿真機(jī)的仿真范圍、仿真程度、仿真機(jī)硬件和軟件組成等，闡述了仿真機(jī)的基礎(chǔ)構(gòu)成及主要功能，介紹了仿真機(jī)在發(fā)電企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和培訓(xùn)工作中所起到的作用，并對仿真機(jī)的發(fā)展方向做出描繪，為使用、開發(fā)超臨界機(jī)組仿真機(jī)提供參考意見。

關(guān)鍵詞：超臨界；仿真機(jī)；開發(fā)；應(yīng)用

作者簡介：項(xiàng)文杰（1975-），男，浙江仙居人，浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，工程師；葉珍華（1975-），女，浙江三門人，浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，工程師。（浙江 蘭溪 321100）

中圖分類號：TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0225-02

仿真技術(shù)是當(dāng)今世界各國非常重視的一門高新技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域。在火力發(fā)電領(lǐng)域，仿真機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展非常迅速。20世紀(jì)70年代初，世界上研制出首臺實(shí)用型火電機(jī)組仿真機(jī)。在我國，70年代中期開始研制火電機(jī)組仿真機(jī)。80年代，在引進(jìn)仿真機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國仿真事業(yè)迅速發(fā)展。如今，國內(nèi)仿真機(jī)制造公司已達(dá)十多家，全國已投運(yùn)和正在開發(fā)的各種類型火電機(jī)組仿真機(jī)約有400多臺。

隨著電廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大，單元機(jī)組正朝著大容量、高參數(shù)和高自動化方向發(fā)展。而電力企業(yè)人員配置在不斷地優(yōu)化，對電廠運(yùn)行人員的專業(yè)知識、操作技能水平和事故處理能力的要求不斷提高。利用仿真系統(tǒng)對電廠運(yùn)行人員及管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，有益于拓寬人員知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)綜合技能人才。仿真機(jī)在電廠建設(shè)的各個階段均發(fā)揮著非常重要的功用，在機(jī)組投產(chǎn)前可幫助人員熟悉操作畫面和操作系統(tǒng)，機(jī)組投產(chǎn)后可提高人員參數(shù)調(diào)節(jié)能力和事故處理能力，從而更好地為電廠安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)服務(wù)。本文以蘭溪電廠600MW超臨界機(jī)組仿真機(jī)為例，分析了仿真系統(tǒng)的基本構(gòu)成、主要功能、技術(shù)特點(diǎn)，介紹了仿真機(jī)在發(fā)電企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和培訓(xùn)工作中所起到的作用。

一、蘭溪電廠仿真機(jī)的功能及特點(diǎn)

1.蘭溪電廠600MW仿真機(jī)介紹

蘭溪發(fā)電廠600MW超臨界機(jī)組仿真機(jī)由華仿科技有限公司以蘭溪電廠1號機(jī)組為仿真對象，采用華北電力大學(xué)大型火電機(jī)組仿真機(jī)技術(shù)，在STAR-90支撐系統(tǒng)支持下研制開發(fā)。

蘭溪電廠#1鍋爐由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司制造，超臨界參數(shù)變壓直流爐。#1汽輪機(jī)是由東方汽輪機(jī)廠制造的超臨界、中間再熱、沖動式、單軸、雙背壓、三缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)。#1發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)有限責(zé)任公司制造。該單元機(jī)組主要熱工控制系統(tǒng)設(shè)備為ABB公司的SYMPHONY系統(tǒng)，日立公司生產(chǎn)的HIACS5000M DEH電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

2.仿真機(jī)的基本構(gòu)成

仿真機(jī)是將電子技術(shù)、模型技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)等結(jié)合在一起，采用數(shù)學(xué)模型對機(jī)組各系統(tǒng)進(jìn)行全范圍、全過程的仿真，系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分兩大部分組成。硬件系統(tǒng)由主服務(wù)器、I/O接口系統(tǒng)、操作員臺、就地操作站、教練員站、工程師站等組成。軟件系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件、仿真機(jī)的支撐系統(tǒng)軟件、過程數(shù)學(xué)模型軟件、工程師＼教練員臺功能軟件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的驅(qū)動軟件、接口驅(qū)動軟件等。

3.仿真機(jī)的主要功能

仿真系統(tǒng)的配置與現(xiàn)場機(jī)組的控制系統(tǒng)配置完全一致，仿真環(huán)境逼真度高。仿真系統(tǒng)能連續(xù)、實(shí)時計(jì)算特定操作條件下的運(yùn)行參數(shù)，并在操作畫面上實(shí)時顯示變化趨勢，發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息和保護(hù)動作等功能。仿真系統(tǒng)的主要功能包括三方面。

（1）不同運(yùn)行工況的仿真功能。機(jī)組從冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)到滿負(fù)荷的啟動操作；機(jī)組從滿負(fù)荷正常停機(jī)到熱備用或冷態(tài)狀態(tài)的停機(jī)操作；其他指定的工況啟停，升、降負(fù)荷的操作；對設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)及聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)；任意工況的穩(wěn)定運(yùn)行；各種異常現(xiàn)象和故障情況。

（2）教練員臺可以實(shí)現(xiàn)的功能。初始條件的裝入、存儲；對模型進(jìn)行凍結(jié)和激活控制、局部及全局加速；運(yùn)行時刻的記錄、回退、重演；單組故障、成組故障的加入和撤消；學(xué)員成績自動評定。

（3）工程師臺實(shí)現(xiàn)的功能。工程師臺是模型工程師開發(fā)模型時使用的操作臺。工程師臺本身是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個設(shè)備，它可以獨(dú)立于仿真支撐系統(tǒng)，作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個終端設(shè)備，工程師可在該設(shè)備上進(jìn)行任何編程等操作。這種操作是在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn)的，并可將計(jì)算結(jié)果與仿真模型相聯(lián)系。

工程師臺能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)通訊，并對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，可通過CRT監(jiān)視數(shù)據(jù)庫中任何變量的數(shù)值；能夠查找所需要的技術(shù)資料，并對資料進(jìn)行修改、添加和打印；進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。工程師臺包容全部教練員臺功能，能夠替代教練員組織對學(xué)員的培訓(xùn)的最佳運(yùn)行方式和操作步驟，以及對事故工況的判斷和處理方式，為制訂正確的機(jī)組運(yùn)行規(guī)程提供依據(jù)。

4.仿真機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

仿真機(jī)的建模支撐系統(tǒng)采用STAR-90系統(tǒng)，系統(tǒng)的建模過程采取工程模塊搭接建模方法，以其獨(dú)特的通用性、開放性、全過程圖形化建模、在線調(diào)試修改等技術(shù)特點(diǎn)，從而成為用戶可熟練掌握和方便使用的系統(tǒng)，它在以下方面形成其突出的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）過程數(shù)學(xué)模型技術(shù)。依據(jù)能量、質(zhì)量、動量平衡原理建立的全物理過程工程模塊化模型，采用了流體網(wǎng)絡(luò)模型軟件，提高了壓力計(jì)算速度和流量計(jì)算的精度，從而精確模擬電廠的全工況動靜態(tài)行為。由模塊搭接而成的網(wǎng)狀模型結(jié)構(gòu)方式復(fù)現(xiàn)了機(jī)組生產(chǎn)流程網(wǎng)絡(luò)，有利于工程技術(shù)人員對模型構(gòu)成的理解和掌握。

（2）模塊圖形建模技術(shù)。該系統(tǒng)為用戶提供了可視化的圖形建模方法，在建模過程中不需使用任何程序語言，而只需建模人員熟悉仿真對象的物理特性，通過選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備圖元，按照仿真對象的工藝流程進(jìn)行圖元的連接，系統(tǒng)按照設(shè)備圖元的連接關(guān)系自動建立設(shè)備模塊的連接從而生成仿真模型。

（3）支撐軟件技術(shù)。該支撐系統(tǒng)完全面向用戶，支持在線的工程模塊化建模、調(diào)試、擴(kuò)充和模型運(yùn)行，從而使建模工作徹底脫離了程序編寫，為用戶進(jìn)行完全在線的仿真系統(tǒng)開發(fā)、擴(kuò)充、修改及各種系統(tǒng)分析、研究提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境。

（4）在線的模型修改方法。因系統(tǒng)仿真模型采用模塊方式搭接而成，允許用戶以在線、交互方式進(jìn)行各種修改，包括模型參數(shù)、變量值，以及模塊增減和重新組態(tài)等，所有對模型的操作和修改均可以在系統(tǒng)運(yùn)行中進(jìn)行，不需重新編譯和連接，建成的模型可直接運(yùn)行。

（5）教練員臺功能豐富、靈活。以窗口技術(shù)為友好界面，教練員臺功能豐富，且功能可由用戶進(jìn)行擴(kuò)充、修改，如在仿真過程中全局或局部加速功能的增加、故障類型的增加和生成、成績評定試卷的添加和生成等等。教練員充分使用功能，有效地提高培訓(xùn)效率和仿真機(jī)的使用效果。

（6）采用智能化接口和多媒體仿真技術(shù)。以微處理機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用分布式概念而構(gòu)成的分散、智能化接口系統(tǒng)，使仿真機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠。利用多媒體技術(shù)進(jìn)行環(huán)境仿真，實(shí)現(xiàn)聲、像功能，包括現(xiàn)場的報(bào)警聲音、火焰畫面、虛擬盤臺均能仿真模擬，提高環(huán)境逼真程度。

5.仿真機(jī)的典型工況

（1）鍋爐點(diǎn)火前狀態(tài)介紹。機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)已投運(yùn)，鍋爐上水結(jié)束，鍋爐冷態(tài)沖洗完成，水冷壁流量（571t/h左右）已建立。

（2）汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前狀態(tài)介紹。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，兩層油槍運(yùn)行，電泵運(yùn)行，送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，主、再熱蒸汽升溫升壓至沖轉(zhuǎn)參數(shù)。對于冷態(tài)啟動，本廠機(jī)組的沖轉(zhuǎn)參考參數(shù)為：主汽壓4～6MPa，主汽溫380℃，再熱汽壓1.1MPa，再熱汽溫330℃。

（3）600MW負(fù)荷狀態(tài)介紹。機(jī)組帶600MW負(fù)荷運(yùn)行，主蒸汽流量1717t/h，主蒸汽參數(shù)為24.9MPa＼569℃，再熱蒸汽溫度為561℃，5臺磨煤機(jī)運(yùn)行，六大風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

二、蘭溪電廠仿真機(jī)的實(shí)際應(yīng)用

蘭溪電廠仿真機(jī)自2005年11月正式投入運(yùn)行，在人員培訓(xùn)、反事故演習(xí)、技術(shù)比武等方面起到了非常重要的作用。

1.機(jī)組投產(chǎn)前的運(yùn)行人員上崗培訓(xùn)

蘭溪電廠#1機(jī)于2006年4月正式投產(chǎn)，當(dāng)時配備的操作員均來自老廠300MW及125MW機(jī)組的人員，缺乏超臨界機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。利用仿真機(jī)對上崗員工進(jìn)行上機(jī)培訓(xùn)，從而加強(qiáng)員工對整個系統(tǒng)的認(rèn)識和相關(guān)規(guī)程的理解。通過對啟停操作及事故處理進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，增加了學(xué)員對機(jī)組協(xié)調(diào)關(guān)系的認(rèn)識，提高了事故處理能力，操作員之間的配合意識也更加默契，從而為機(jī)組的順利調(diào)試和投產(chǎn)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2.操作員當(dāng)班前的培訓(xùn)

所有的操作員在取得操作員見習(xí)資格后，在所在班組單元長的指導(dǎo)下進(jìn)行仿真機(jī)培訓(xùn)，經(jīng)過一定學(xué)時的上機(jī)訓(xùn)練，通過仿真機(jī)上機(jī)考試后才能參加操作員當(dāng)班面試，確保操作員的實(shí)際操作技術(shù)水平。

3.運(yùn)行人員的定期輪訓(xùn)

在電廠正常運(yùn)行中，運(yùn)行人員的日常操作主要局限于設(shè)備定期試驗(yàn)和定期切換工作，對于機(jī)組啟停和事故處理等重大操作難免會生疏。而利用仿真系統(tǒng)可以對運(yùn)行人員進(jìn)行定期輪訓(xùn)，經(jīng)常性復(fù)習(xí)特定的操作項(xiàng)目和操作步驟，熟練掌握操作過程，加強(qiáng)綜合素質(zhì)的訓(xùn)練，提高突發(fā)事件的應(yīng)急能力。

4.反事故演習(xí)的運(yùn)用

蘭溪電廠公司級反事故演習(xí)每年進(jìn)行一次，部門級反事故演習(xí)每半年進(jìn)行一次，班組級反事故演習(xí)每季度進(jìn)行一次。利用仿真機(jī)系統(tǒng)模擬典型事故，有針對性地考查操作人員的事故處理能力，檢查值長、單元長綜合協(xié)調(diào)能力，從而提高運(yùn)行人員的心理素質(zhì)、應(yīng)變能力和技術(shù)水平。

5.技術(shù)比武的平臺

將仿真機(jī)作為技術(shù)比武的平臺，考驗(yàn)參賽人員技術(shù)水平和心理素質(zhì)，選撥優(yōu)秀人才，在崗位晉升中起到輔助決策作用。

6.運(yùn)行分析的工具

利用仿真機(jī)不同運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，選定合適的系統(tǒng)控制方式和控制參數(shù)，從而提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

三、仿真機(jī)功能的展望

1.具有DCS控制系統(tǒng)仿真模型

隨著自動化程度的提高，運(yùn)行人員的操作量明顯下降，但對電廠熱控人員在DCS的運(yùn)行、組態(tài)與調(diào)試能力方面的培訓(xùn)要求逐漸提高。利用DCS仿真模型可使熱控人員對系統(tǒng)有更加充分的了解和認(rèn)識，并通過培訓(xùn)熟練掌握DCS的運(yùn)行和組態(tài)。

2.高精度機(jī)組性仿真數(shù)學(xué)模型

仿真數(shù)學(xué)模型應(yīng)為高精度的機(jī)理性模型，能真實(shí)反映和再現(xiàn)單元機(jī)組的全工況運(yùn)行過程，提高對機(jī)組模型分析的準(zhǔn)確性，有助于對機(jī)組運(yùn)行方式調(diào)整的判斷和決策。

3.現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)采集和分析

從對象、DCS和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)對真實(shí)機(jī)組的仿真，從而通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與機(jī)組的連接，利用仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)對實(shí)際機(jī)組的監(jiān)視，并將通過仿真得到的優(yōu)化方案應(yīng)用到實(shí)際機(jī)組上。

4.性能計(jì)算與故障診斷

通過仿真機(jī)對采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)、曲線進(jìn)行比較、分析，得出故障的起因及系統(tǒng)潛在的弱點(diǎn)，確定機(jī)組在各種工況下的最佳運(yùn)行方式和操作步驟。利用仿真機(jī)采集的數(shù)據(jù)對歷史事件進(jìn)行重演，以達(dá)到與現(xiàn)場完全逼真的效果，給異常事件和事故分析提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

四、結(jié)束語

仿真技術(shù)在發(fā)電企業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，隨著仿真理論、方法和建模技術(shù)逐步完善，仿真技術(shù)解決了很多實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的技術(shù)問題。蘭溪電廠600MW超臨界機(jī)組仿真機(jī)功能齊全、逼真度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、故障種類全面。仿真機(jī)投運(yùn)后，對運(yùn)行人員的培訓(xùn)、運(yùn)行方式的探討和優(yōu)化以及反事故演習(xí)等發(fā)揮了重要的作用。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展和功能的拓寬，仿真機(jī)在電廠的安全生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

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