基于引進(jìn)仿真支撐軟件APROS的電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

1、基于引進(jìn)仿真支撐軟件APROS的電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)     目前，我國火電機(jī)組正向著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，機(jī)組的自動控制水平越來越高，控制技術(shù)日益復(fù)雜。為確保機(jī)組運行的安全性經(jīng)濟(jì)性，對運行人員的熟練操作和事故處理能力以管理人員的監(jiān)控管理水平都有了更高的要求。因此，針對具體機(jī)組開發(fā)1:1全范圍仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，以培訓(xùn)新的運行人員和輪訓(xùn)在職人員顯得越來越重要。一、仿真支撐軟件APROS仿真支撐軟件是為模型軟件的開發(fā)、調(diào)試、維護(hù)和實時運行提供的一個環(huán)境。西安熱工研究院有公司在國內(nèi)首次引進(jìn)目前國際上先進(jìn)的應(yīng)用于熱力系工程分析的仿真支撐軟件芬蘭VTT和FORTUM公司

2、的APROS軟件。軟件基于Windows操作系統(tǒng)，兼顧仿真工程開發(fā)與實時運行環(huán)境，具有可視化、在線交互、圖形化建模功能，且建模過程靈活、方便;可在線監(jiān)視和修改模型程序的實時運行數(shù)據(jù)，集機(jī)組設(shè)備建模、熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)建模、電氣系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)建模為一體。該仿真支撐軟件在完全依據(jù)能量、質(zhì)量和動量守衡原理基礎(chǔ)上，提供了豐富的面向火電機(jī)組主要設(shè)備和部件的全物理過程工程模塊，如:各種換熱器、汽包、罐、管道、閥門、汽缸、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、凝汽器、風(fēng)機(jī)、泵、發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器等(模塊圖符示例見圖1。)此外，還提供了通用的邏輯算法和基本算法模塊。在建模過程中根據(jù)機(jī)、爐、電工藝過程，選擇相

3、應(yīng)的模塊進(jìn)行組態(tài)，進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置及模塊之間的連接即可完成數(shù)學(xué)模型的建立;一個分系統(tǒng)或子系統(tǒng)，可以由一定數(shù)量的模塊集合而成，若干個分系統(tǒng)組合連接起來，即可形成一個完整的仿真對象。圖2給出了鍋爐汽水分離器系統(tǒng)的組態(tài)。根據(jù)火電機(jī)組的具體系統(tǒng)，仿真模型應(yīng)用軟件分為:鍋爐模型軟件、汽機(jī)模型軟件、電氣模型軟件和控制系統(tǒng)模型軟件。為使所建模型軟件既能反映系統(tǒng)的物理特征、幾何特征和邏輯特性，又能反映系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，真實地再現(xiàn)系統(tǒng)的實際過程，就要求保證仿真模型的高精度、高逼真度。因此，在充分了解仿真支撐軟件的原理和用法前提下，需要從實際機(jī)組收集大量資料和數(shù)據(jù)，并且對這些資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較和篩選

4、，使模塊所選參數(shù)盡可能合理，以及仿真模型描述的仿真對象的物理過程盡可能符合現(xiàn)場實際，各個細(xì)節(jié)都必需以被仿真機(jī)組的設(shè)計和運行數(shù)據(jù)為依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)建模則依據(jù)現(xiàn)場DCS的SAMA圖、邏輯圖和組態(tài)圖，經(jīng)過分析整理，采用支撐軟件的基本算法模塊進(jìn)行組態(tài)，完成與實際控制系統(tǒng)相同的功能，包括模擬量控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)等。為使建立的仿真數(shù)學(xué)模型可以涵蓋機(jī)組的各種工況，完整地描述整個機(jī)組動態(tài)和靜態(tài)全過程，對于支撐軟件現(xiàn)有模塊沒有直接描述的物理現(xiàn)象，如各種轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承金屬溫度、汽機(jī)振動、差脹等，首先將它們的實際過程進(jìn)行合理簡化，建立有效、合理且精度足夠高的數(shù)學(xué)模型，然后用仿真支撐軟件基本算法模塊或利

5、用其開放的外接模塊功能來實現(xiàn)。該仿真支撐軟件在圖形建模環(huán)境下，具備在線修改模型功能，并可立即得到修改后的結(jié)果。在模型開發(fā)調(diào)試過程中，要對每次仿真過程反映的現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析，改進(jìn)后再進(jìn)行仿真運算，如此反復(fù)，直到模型的運算結(jié)果正確，能夠準(zhǔn)確反映被仿真對象的物理過程。在模型調(diào)試過程中，可以控制模型的計算步長(一般情況下為100ms)及計算速度，同時在正常運行時，只有被激活的模塊參與過程運算，如需要排除故障或只運行若干子系統(tǒng)，可將不參與運算的模塊或子系統(tǒng)退出模擬而作為邊界條件，以提高模型軟件組態(tài)和調(diào)試的效率。二、開發(fā)300MW機(jī)組全范圍仿真培訓(xùn)系統(tǒng)2.1特點(1)全范圍、全過程、連續(xù)性仿真。鍋爐系統(tǒng)包

6、括鍋爐本體、燃燒與風(fēng)煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、燃煤制粉系統(tǒng)、點火燃油系統(tǒng)和輔機(jī)系統(tǒng);汽機(jī)系統(tǒng)包括汽機(jī)本體、凝汽與循環(huán)水系統(tǒng)、回?zé)崤c疏水系統(tǒng)、除氧與給水系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)及油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng);電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)本體、主變壓器、勵磁系統(tǒng)、廠用電及其快切系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、啟動變壓器系統(tǒng)、6kV系統(tǒng)及動力、400V系統(tǒng)及主要動力；控制系統(tǒng)包括監(jiān)控系統(tǒng)(DAS)、順序控制及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)(SCS)、燃燒器管理系統(tǒng)(FSSS)、其它單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及電調(diào)系統(tǒng)(DEH/MEH)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)。(2)DCS操作站CRT顯示畫面，各參數(shù)更新及報警均感覺不到時間延遲，與實際機(jī)組反應(yīng)一致。(

7、3)仿真模型和實際機(jī)組的主要參數(shù)在特定工況下其動靜態(tài)誤差控制在允許范圍以內(nèi)。(4)各種起停過程的仿真現(xiàn)象和動態(tài)參數(shù)與實際機(jī)組基本一致，符合運行規(guī)程要求。(5)故障仿真的現(xiàn)象和原因正確，故障發(fā)生過程與現(xiàn)場實際機(jī)組一致。(6)運行人員考核評分功能先進(jìn)合理。(7)具有虛擬盤臺操作畫面。2.2硬件配置仿真系計算機(jī)設(shè)備是仿真系統(tǒng)支撐軟件和模型軟件的運行環(huán)境，為滿足仿真機(jī)的可靠性、實時性和穩(wěn)定性，以及滿足通訊速度的要求，所有主機(jī)采用容量大、速度快、工作穩(wěn)定的DELL計算機(jī)。采用Win-dows2000操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，配備的鼠標(biāo)、專用鍵盤、硬手操器的功能與實際機(jī)組的一致，硬件系統(tǒng)工作

8、穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。其主要包括6套操作員站(其中1套為DEH操作員站)，1套教練員站、l臺CISCO24通道的100M交換機(jī)和立盤(配套有水位計、純平火焰及水位監(jiān)視器、報警光字牌、操作表計)等。2.3軟件組成(1)仿真系統(tǒng)計算機(jī)操作系統(tǒng)均采用實時、多任務(wù)、多用戶、全中文界面的Windows2000操作系統(tǒng)。(2)在國內(nèi)首次采用應(yīng)用于中小系統(tǒng)的全中工業(yè)通用組態(tài)軟件組態(tài)王6.02，開發(fā)了大型機(jī)組DCS人機(jī)界面應(yīng)用軟件操作員站應(yīng)用軟件;采用基于微機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的開發(fā)技術(shù)，解決了進(jìn)口仿真支撐軟件與人機(jī)界面軟件的通訊接口問題。(3)先進(jìn)的仿真支撐軟件及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的控制系統(tǒng)及機(jī)、爐、電過程模型應(yīng)用軟件。(4)

9、教練員站控制軟件及I/O接口軟件采用計算機(jī)高級語言編寫。其采集操作盤上的操作信號(轉(zhuǎn)換為數(shù)字量)，并將計算機(jī)輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量和開關(guān)量信號送到操作盤上的儀表和指示燈，同時實現(xiàn)教練員站的各項控制功能。2.4系統(tǒng)功能(l)DCS操作員站功能完成實際機(jī)組集控室DCS操作員站的功能仿真，在每臺操作員站中包括DCS的所有顯示畫面和操作界面。所有顯示畫面和操作界面均根據(jù)實際機(jī)組DCS操作員站的畫面進(jìn)行1:1的設(shè)計，包括機(jī)、爐、電系統(tǒng)大畫面、小操作顯示畫面及實時報警信息顯示窗口，為電廠運行人員提供一個逼真的操作環(huán)境，達(dá)到與實際機(jī)組操作員站的仿真操作效果。(2)DEH/MEH操作員站功能仿真系統(tǒng)的DEH/M

10、EH操作員站完成實際機(jī)組集控室DEH/MEH操作員站的功能仿真。顯示畫面和操作界面均根據(jù)實際機(jī)組的DEH/MEH畫面進(jìn)行1:1的設(shè)計，包括系統(tǒng)畫面和小操作畫面。DEH專用鍵盤可快速調(diào)出流程畫面、實時報警信息顯示窗口及進(jìn)行模擬量定值數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)DEH硬手操功能。(3)教練員站功能教練員站控制整套仿真機(jī)的運行狀態(tài)，指導(dǎo)和監(jiān)視學(xué)生的培訓(xùn)情況，包括工況設(shè)置和故障設(shè)置等;其性能和功能的豐富性也是仿真水平高低的重要標(biāo)志。該教練員站實現(xiàn)的監(jiān)控功能主要有:1)模型程序的啟動、停止;2)工況的存儲和讀取;3)任意工況的自動存儲及回退(記錄仿真系統(tǒng)連續(xù)運行數(shù)據(jù)的時間與所選記錄頻率有關(guān));4)機(jī)、爐、電常見故障的

11、設(shè)置和取消;5)仿真模型實時、快速、慢速運行功能:6)外部環(huán)境參數(shù)的修改;7)運行人員操作自動考核評分功能。     2.5仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)實例西安熱工研究院有限公司在引進(jìn)、消化、吸收國際先進(jìn)仿真支撐軟件APROS基礎(chǔ)上，依據(jù)菏澤發(fā)電廠300MW機(jī)組的設(shè)計資料和設(shè)備制造資料及現(xiàn)場實際的運行數(shù)據(jù)，對機(jī)、爐、電本體和輔助系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行全范圍、全過程仿真。建立的仿真數(shù)學(xué)模型是面向?qū)ο蟮臋C(jī)理性模型，可以涵蓋機(jī)組的各種工況，并能實現(xiàn)機(jī)、爐、電各項故障模擬，同時利用國內(nèi)較經(jīng)濟(jì)的界面組態(tài)軟件進(jìn)行技術(shù)再開發(fā)，替代國外界面組態(tài)軟件和教練員站組態(tài)軟件，節(jié)省了項目成本，實

12、現(xiàn)了DCS及DEH操作員站功能的1:1仿真。此外，還自主開發(fā)了教練員站各項功能。菏澤發(fā)電廠300MW機(jī)組已投入商業(yè)運行，因此對仿真系統(tǒng)的仿真范圍、仿真精度和逼真度方面要求很高，同時由于實際機(jī)組DCS由英國ABB公司設(shè)計，功能繁瑣，控制邏輯與畫面的制作與國內(nèi)常規(guī)的設(shè)計思想不一致，使得仿真控制模型與主體模型數(shù)據(jù)通訊量較大。然而在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置和應(yīng)用軟件開發(fā)過程中已成功地解決了數(shù)據(jù)通訊量大影響模型計算實時性這一技術(shù)難題。三、超臨界及超超臨界機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)目前國內(nèi)尚無投入運行的超超臨界機(jī)組，正在建設(shè)的超臨界機(jī)組也較少，對超臨界及超超臨界機(jī)組的運行經(jīng)驗很少。與常規(guī)機(jī)組相比，超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組

13、的運行參數(shù)高，部件材質(zhì)差別大，輔助系統(tǒng)更為復(fù)雜，其運行方式與常規(guī)機(jī)組也有較大的不同。研發(fā)高逼真度、全范圍超臨界及超超臨界機(jī)組仿真系統(tǒng)，重點研究超臨界和超超臨界機(jī)組運行技術(shù)，對提高超臨界及超超臨界機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。為使超臨界及超超臨界機(jī)組仿真系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)不遜于同類機(jī)組仿真系統(tǒng)的國際水平，使所建立的數(shù)學(xué)模型能夠更逼真地模擬超臨界及超超臨界機(jī)組的動態(tài)運行及各種事故工況，采取了引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新的原則，在成功開發(fā)300MW機(jī)組仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展，在計算機(jī)硬件配置、仿真軟件開發(fā)環(huán)境、仿真應(yīng)用范圍、仿真數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)通訊等方面迸行了研究。超臨界、超超

14、臨界機(jī)組仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計算量極其龐大，這對仿真系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，同時，為了保證仿真系統(tǒng)的實時性，模型計算軟件與仿真界面軟件之間要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通訊。因此仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和實時性是超臨界、超超臨界機(jī)組仿真系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。收集國內(nèi)外典型超臨界及超超臨界機(jī)組的設(shè)計資料和運行數(shù)據(jù)，并針對示范工程機(jī)組的詳細(xì)資料，深入研究超臨界及超超臨界機(jī)組的靜態(tài)特性和動態(tài)運行特性，開發(fā)高逼真度的仿真數(shù)學(xué)模型是超臨界、超超臨界機(jī)組仿真系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)難點。 四、結(jié)語西安熱工研究院有限公司基于仿真支撐軟件APROS開發(fā)的菏澤發(fā)電廠300MW機(jī)組全范圍、全過程仿真系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)運行指標(biāo)、暫態(tài)