基于simuworks軟件工業鍋爐仿真

劉 歡 岳 忠 侯歡歡

（首都經濟貿易大學，北京 100070）

SimuWorks是為大型科學計算、復雜系統動態特性建模研究、過程仿真培訓、系統優化設計與調試、故障診斷與專家系統等，提供通用的、一體化的、全過程支撐的、基于微機環境的開發與運行支撐平臺。軟件采用了動態內存機器碼生成技術、分布式實時數據庫技術和面向對象的圖形化建模方法，在仿真領域處于國內領先水平。

鍋爐是一種特種設備，在實際正常運行過程中不能停爐，調整工況。鍋爐工作有兩個顯著特點：一是承受高溫高壓；二是維持連續運轉[1]。若對實體鍋爐進行研究，將會造成公司停產，對公司的經濟效益影響很大。在教學過程中，學生只能參觀鍋爐的外在設備，對其正常運行狀況以及故障狀況下實際情況不能直觀理解。另外，鍋爐操作工是特種工種，國家相關規定要求要對其進行培訓，并且憑證上崗。以前的培訓是課堂式的，而將傳統培訓轉化為仿真機上培訓，將會更加的形象化和整體化。

本論文通過simuworks軟件對工業鍋爐進行仿真，鍋爐實際無法操作的過程可以通過仿真機來完成，仿真機開發實驗模塊為學生學習鍋爐安全技術提供形象化的實驗平臺。因此，對工業鍋爐進行仿真是十分有必要的。

1 鍋爐系統概述

鍋爐設備基本參數如表1所示。

表1 鍋爐基本參數

2 系統仿真的建立

2.1 仿真平臺介紹

SimuWorks仿真軟件模塊的邊界即為設備的自然邊界，并指定工質在各模塊之間流經的出、入口情況。利用模塊資源管理器SimuManager對鍋爐仿真模塊的管理，可對模塊庫進行擴充，也可根據需要對模塊進行刪除和修改。利用仿真引擎SimuEngine可以獲得實時網絡數據庫，對鍋爐進行在線調試，模擬其在正常狀態和故障狀態時的運行情況。

2.2 仿真平臺的制作

仿真系統主界面，如圖1所示。

圖1 仿真系統主界面

3 仿真機的功能

3.1 正常運行

3.1.1 檢查準備

鍋爐機爐啟動前的檢查工作，注意給水壓力，啟動渣水泵、冷卻水循環泵，檢查冷卻水情況、除塵器運行情況，檢查地溝噴嘴，注意各路冷卻水暢通。

3.1.2 上水

（1）在SimuMMI下顯示的Visual Graph圖形中點擊上水按鈕會顯示關于上水的相關知識。

（2）全開Visual Graph圖形中循環泵的總門，用圖形中干路給水調節閥控制上水，點擊后會產生調節閥二級界面。上水應緩慢進行，鍋爐水位從無水到上鍋筒水位計負100mm處所需的時間，冬季不少于2小時，夏季不少于1小時，上水時不得影響運行鍋爐的給水。

（3）在上水過程中，應檢查各上鍋筒、各聯箱的手孔門及各部位的閥門、法蘭、堵頭等是否有漏水現象。當發現漏水時，應停止上水，并通知車間，進行處理。在SimuMMI中的具體表現是數字超過本身額定上水控制范圍，顯示警告。

（4）在模型中當鍋爐水位升至上鍋筒水位的負100mm處停止上水，此時停止20分鐘，水位應不變，若水位有明顯變化，應查明原因予以消除。如鍋爐原已有水，經化驗水質合格，方可使用。如水質不合格，可將爐水放掉，重新上水。

（5）需要說明的是鍋爐啟動燃燒時的配風分為三股風：第一股為燃燒風亦稱點火風，經點火風口和穩燃器進入風道，用來滿足油燃燒需要。第二股風為混合風，經預燃室的內外筒之間進入風道內，將油燃燒產生的高溫煙氣降到啟動所需溫度，同時這股風對燃燒器壁起冷卻作用。前兩股風均為一次風機出口的冷風。第三股風為鍋爐正常運行的一次風，啟動時擋板也有一定的開度，這股風取自預熱器。在本模型中省略前兩種風的配送，以自然進入代替模擬，當顯示數據的時候僅顯示從空氣預熱器中輸出的這股風。

3.1.3 烘爐

新裝、遷裝、大修或長期停用的鍋爐，在點火升壓前應進行烘爐，在爐膛中用文火慢慢地烘烤爐壁，并使受熱面逐漸受熱膨脹。在SimuMMI中可直接點擊烘爐按鈕，會彈出一個二級窗口顯示烘爐的相關知識。同時在Simubuiler的后臺運行中爐膛內的溫度也將相應地有所上升，以達到烘爐目的。由于是正式運行點爐前的準備工作，本溫度數值的上升并不在Visual Graph圖形中顯示，僅在后臺運行，如需得知溫度可直接運行后臺動態查看。這時的送煤量應控制在少量，煤柴同時供應。

3.1.4 煮爐

將藥品溶化，用加藥泵注入鍋筒，加熱升溫，使鍋水沸騰，維持10-12小時之后減弱燃燒，進行排污，并保持水位；再加強燃燒12-24小時，然后停火冷卻，排出鍋水，并及時用清水沖洗干凈，直至各部件水側無污物為止。在SimuMMI中可直接點擊煮爐按鈕，會彈出一個二級窗口顯示煮爐的相關知識。在煮爐過程中上鍋筒水壓保持恒壓，不用升壓，流量不變，水溫在煮爐過程中先升起，后維持平衡狀態。烘爐過程中Simubuiler會呈現溫度上升的趨勢，煮爐中無顯示，故Visual Graph圖形在上鍋筒數據方面無顯示。

3.1.5 點火與升壓

（1）點燃木柴，用自然通風燃燒（打開爐前檢查門、第一二道風門），視情況開啟吸風機，將負壓調至20～30Pa。（2）木柴燃盡后，方可逐漸開車，適當增加吸送風量，加快爐排速度，增加給煤量。（3）生火過程中，水位將逐漸變化，此時應注意上、放水，保持正確水位。（4）投自動連鎖。（5）鍋爐升壓。鍋爐升壓過程中應嚴格控制升壓速度，嚴禁急速升壓。一般從開始升壓至正常壓力，所用時間不少于2小時。

開啟主氣門前主汽母管的泄水門，上鍋筒壓力升至0.1MPa時，全開連續排污門并沖洗水位計，沖洗程序如下：①開放水門，使汽連管、水連管及玻璃管得到沖洗。②關水門，沖洗汽連管和玻璃管。③開水門，關汽門，沖洗水連管。④開汽門，關放水門，檢查水位計水位，與另一水位計比較，此時水位計很快上升，上升后水面微微波動，如水位上升緩慢，則應分析，再沖洗。進行上述工作時，操作應緩慢，并戴手套，身體不要正對水位計玻璃管。

當汽壓升至0.2Mpa時，關閉主汽母管泄水門。當汽壓升至0.3MPa時，應定期排污一次，排污時間每個不準超過30秒，汽壓升至0.4MPa時，對檢修過的閥門等，通知檢修人員熱緊螺栓。將鍋爐升至工作壓力。

3.1.6 暖管與并汽

（1）鍋爐設備運行正常，燃燒穩定，開啟并汽爐前的疏水門進行疏水。（2）鍋爐蒸汽品質合格。（3）并汽鍋爐壓力比母管壓力低0.05～0.1MPa。（4）上鍋筒水位計維持較低水位。（5）并汽時應注意壓力表、水位計和主汽流量表的指示值。若主汽管內發生水擊現象，應立即停止并汽工作，減弱燃燒，加強主汽母管疏水，待恢復正常后，重新并汽。（6）在SimuMMI中可直接點擊暖管并汽按鈕，則會彈出一個二級窗口顯示暖管并汽的相關知識。

3.1.7 停爐

（1）分層裝置關到零位將鏈條解開，與有關爐聯系，逐漸降低負荷，相應降低爐排速度和風量，維持汽壓的穩定，保持上鍋筒水位在正常水位范圍內。（2）改自動運行為手動運行。當煤燃盡走凈后，停止送風機運行，5分鐘后停止吸風機。打開各段放灰擋板進行自然通風，爐排繼續轉動一周，以便空氣通過爐排使其冷卻。（3）當上鍋筒水位下降時，應向鍋爐進水，當水位計升至最高水位時，停止上水，打開再循環門，關連排門。除渣機內灰渣走凈后停止運行。

3.2 故障運行

3.2.1 事故故障處理原則

對于本模型仿真的實創單位鍋爐系統，當機組發生事故時，匯報值長，應綜合分析各參數變化及設備故障現象，沉著、冷靜、迅速、準確地處理事故，力求將事故損失減到最小。

3.2.2 緊急停爐

（1）緊急停爐條件。①鍋爐嚴重滿水，在Visual Graph圖形中水位達+250mm時。②鍋爐嚴重缺水，在Visual Graph圖形中雖經補水仍不見上鍋筒水位。③鍋爐所有水位計損壞，無法監視上鍋筒水位時。④受熱面爆管，無法維持上鍋筒水位。⑤鍋爐滅火，在VisualGraph圖形中爐膛溫度無顯示。

（2）請示停爐條件。①鍋爐主要承壓部件泄露，能基本維持上鍋筒正常水位。②鍋爐主給水調節設備損壞，經采取措施無法維持上鍋筒正常水位時。③水位計損壞，短時無法修復時。④鍋爐爐排壓力達9KPA，經多方調整無法恢復正常時。⑤當爐排溫度大于1 000℃（僅在Simubuilder中顯示），經調整無效并有上升趨勢。

（3）緊急停爐操作步驟。①在本公司仿真模型中如鍋爐主聯鎖未動作，應立即按“手動MFT”按鈕，確認各跳閘電機。②將各自動改為手動操作，視情況果斷關斷減溫水手動總門，密切注意汽溫、汽壓變化，調整上鍋筒水位，爐膛負壓正常。③若汽機已打閘，根據汽壓情況，開啟對過熱再熱空排汽閥并調整其開度或投入一、二級旁路。④若停爐后5分鐘內不具備恢復條件，應匯報值長，停運行風機。其余操作按正常停爐處理。

若具備恢復條件，有必要時，爐膛吹掃后，重新點火恢復。由于本步驟是針對緊急停爐，故不涉及畫面動態。

（4）緊急停爐注意事項。①鍋爐嚴重缺水時，短期內嚴禁向爐內進水。②發生煙道再燃燒時，緊急停爐，及時停運鼓風機及引風機，緊閉煙風系統。③鍋爐緊急停爐也盡可能保證床溫變化率小于100℃/h。④迅速斷絕鍋爐燃料，及時降負荷運行。⑤如果燃燒室內發生嚴重泄露，則停止向鍋爐供水，并迅速將爐排床料除掉。⑥如果對流煙道中發生泄露，應維持正常上鍋筒水位。

3.2.3 鍋爐缺水事故

（1）鍋爐缺水的現象。①水位低于最低安全水位線，或看不見水位，在Visual Graph圖形中水位表玻璃管上呈白色。②水位計呈全部氣相指示顏色。③高低水位警報器發生低水位警報信號。在Visual Graph圖形中由Simubuilder后臺指揮運行。④低水位聯鎖裝置，水位低于規定值應使送風機、引風機、爐排減速器電機停止運行。關閉VisualGraph圖形中的干路閥門。⑤過熱器汽溫急劇上升，高于正常出口汽溫。⑥鍋爐排煙溫度升高。⑦給水流量小于蒸汽流量，如若因爐管或省煤器管破裂造成缺水時，則出現相反現象。⑧缺水嚴重時，可嗅到焦味。⑨缺水嚴重時，從爐門可見到燒紅的水冷壁管。⑩缺水嚴重時，爐管可能破裂，這時可聽到有爆破聲，蒸汽和煙氣將從爐門、看火門處噴出。

（2）鍋爐缺水的處理。①通過“叫水”判為嚴重缺水時，必須緊急停爐，嚴禁盲目向鍋爐給水。②通過“叫水”判為輕微缺水時，應減少燃料，鼓風，引風，并緩慢給水。

3.2.4 鍋爐滿水事故

（1）鍋爐滿水的現象。①水位高于最高許可線，或看不見水位，水位表玻璃管內顏色發暗[2]。②雙色水位計呈全部水相指示顏色。③高低水位警報器發生高水位警報信號。④過熱蒸汽溫度明顯下降。⑤給水流量不正常地大于蒸汽流量。⑥分汽缸大量存水，疏水器劇烈動作。⑦嚴重時蒸汽大量帶水，含鹽量增加，蒸汽管道內發出水錘聲，連接法蘭處向外冒汽滴水。

（2）鍋爐滿水的處理。沖洗水位表，確定是輕微滿水還是嚴重滿水。方法：先關閉水位表，水連管旋塞，再開啟放水旋塞，如能看到水位線下降，表明是輕微滿水，停止給水，開啟排污閥，放至正常水位。嚴重滿水時，應采取緊急停爐措施。

4 結論

4.1 利用simuworks軟件對工業鍋爐進行仿真，可模擬工業鍋爐啟動、正常運行的情況。

4.2 利用simuworks軟件對工業鍋爐進行仿真，可模擬工業鍋爐故障運行狀態下的參數變化，為鍋爐事故的預防提供分析依據。

4.3 在此仿真的基礎上連接傳感器可以對工業鍋爐的過程參數和運行狀態進行顯示和處理，為實現自動化控制提供技術支持。

[1]馮維君.鍋爐壓力容器安全知識[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2005：2.

[2]劉清方，沈貞珉.鍋爐安全[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2004：261.