垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 剛，曹福毅，王祥鳳，孫 力，胡俊宇

(沈陽工程學(xué)院遼寧省電力仿真控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110136)

隨著垃圾焚燒發(fā)電站在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)開發(fā)適合我國垃圾特點(diǎn)的垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)，不僅能對(duì)新建和已運(yùn)行的垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組提供技術(shù)支持，對(duì)垃圾處理的新方法提供技術(shù)保障，而且對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行指導(dǎo)和人員培訓(xùn)具有重要意義.

1 仿真對(duì)象及仿真范圍

仿真系統(tǒng)的仿真對(duì)象:無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的UG-400-75/3.82/450-F 型自然循環(huán)鍋爐;汽輪機(jī)是南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的C12-3.43/ 0.981-12 型單缸、沖動(dòng)、軸流、抽凝式式汽輪機(jī);發(fā)電機(jī)是南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的QFW-15-2A 型15 MW 空冷汽輪發(fā)電機(jī). 仿真的范圍是從鍋爐燃料制備到發(fā)電機(jī)出口主開關(guān)為止的整個(gè)生產(chǎn)過程，而且包括實(shí)際生產(chǎn)過程中所必需的就地操作設(shè)備.仿真系統(tǒng)采用了全物理過程的模塊化的數(shù)學(xué)模型，客觀真實(shí)且全面地模擬了實(shí)際機(jī)組機(jī)、爐、電、熱控及附屬設(shè)備的啟停、運(yùn)行調(diào)節(jié)、事故處理、仿真試驗(yàn)等各種工況下的運(yùn)行反應(yīng)及操作過程.

2 仿真系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 仿真硬件

仿真系統(tǒng)構(gòu)成完全按照實(shí)際機(jī)組單元控制室的布置實(shí)現(xiàn)1∶1 仿真.如圖1.

圖1 仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)成

教練員站兼做服務(wù)器，除實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行控制及過程監(jiān)視等教練員站功能外，還具有仿真模型開發(fā)、調(diào)試及修改、數(shù)據(jù)庫管理等服務(wù)器功能. 系統(tǒng)配置5 臺(tái)操作員站供培訓(xùn)人員進(jìn)行操作，操作員站的人機(jī)界面及所有操作功能與實(shí)際機(jī)組完全一致. 為了和現(xiàn)場(chǎng)控制室操作界面保持一致，系統(tǒng)配置了2 臺(tái)投影儀及投影幕布，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的單元控制室大屏幕的操作環(huán)境仿真.另外，為了滿足實(shí)際運(yùn)行時(shí)就地操作的要求，配置2 臺(tái)就地操作站，其功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)際機(jī)組單元控制室以外所有系統(tǒng)的手動(dòng)操作及相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)視. 教練員站與操作員站、就地站、投影儀之間以網(wǎng)線通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接通訊.

2.2 仿真軟件

系統(tǒng)仿真開發(fā)環(huán)境SimuEngine 是1 個(gè)可視化的科學(xué)計(jì)算仿真支撐系統(tǒng)，具有良好的可維護(hù)性和可移植性，可運(yùn)行于Windows2000/XP/2003/Vista /2008/7等多種Windows 操作系統(tǒng)，是介于仿真系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)之間的可視化仿真支撐系統(tǒng). 它提供了專用的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、可視化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、在線數(shù)據(jù)修改、模型調(diào)試、圖形化的建模環(huán)境并具備齊全的仿真功能.該系統(tǒng)具有界面友好、功能齊全、通用性強(qiáng)和開放度高等特點(diǎn).

仿真模型是基于仿真引擎SimuEngine 支撐下的圖形化建模工具軟件SimuBuilder 開發(fā)的，包括鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及廠用電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、邏輯保護(hù)系統(tǒng)仿真模型.整個(gè)仿真模型全部依據(jù)仿真對(duì)象的設(shè)計(jì)資料建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行、啟停、異常和特殊工況的全范圍、全過程仿真，能夠滿足機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行指導(dǎo)和人員培訓(xùn)等的各項(xiàng)需求.

3 仿真系統(tǒng)功能

仿真引擎SimuEngine 提供了先進(jìn)的多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度功能，可以在系統(tǒng)中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)數(shù)學(xué)模型程序，并使之自動(dòng)保持同步;仿真周期精度高，最小仿真步長可以達(dá)到10 ms，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間步長可以達(dá)到50 ms;具有多流程支持功能，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)仿真進(jìn)程;支持多臺(tái)計(jì)算機(jī)的分布式仿真運(yùn)行.

3.1 教練員站

仿真系統(tǒng)的教練員站的任務(wù)是控制仿真系統(tǒng)運(yùn)行及監(jiān)視仿真過程，功能豐富，操作簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大，靈活方便.其功能包括:①常數(shù)的讀取與快速保存;②工況的讀取與快速保存;③模型的運(yùn)行與停止;④模型的凍結(jié)與解凍:可以凍結(jié)所有模型程序，也可以凍結(jié)部分模型程序;⑤改變模型運(yùn)行速度:可以將模型運(yùn)行速度從實(shí)際速度的1/10 至10 倍之間進(jìn)行連續(xù)調(diào)整;⑥故障設(shè)置:可設(shè)置實(shí)際發(fā)電機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中的典型及常見故障，故障庫可以跟據(jù)實(shí)際需求添加與管理故障;⑦回退功能:可啟/停用回退功能，回退數(shù)據(jù)的保存長度與間隔均可以靈活設(shè)定;⑧追憶功能:可啟/停用追憶功能，追憶數(shù)據(jù)的保存長度與間隔、以及需要追憶的變量均可以靈活設(shè)定;⑨運(yùn)行狀態(tài)顯示:可以顯示當(dāng)前仿真狀態(tài)、故障設(shè)置情況、運(yùn)行時(shí)間、仿真速度等;⑩單步及多步執(zhí)行.

3.2 操作員站和就地站

仿真系統(tǒng)操作員站及就地站的人機(jī)界面均采用DataView 圖形軟件開發(fā). 操作員站人機(jī)界面完全仿真了仿真對(duì)象機(jī)組操作員站的運(yùn)行操作界面，包括系統(tǒng)布置、參數(shù)顯示、實(shí)時(shí)曲線、模擬量及開關(guān)量操作、控制方式、連鎖保護(hù)、聲光報(bào)警等與仿真對(duì)象機(jī)組完全一致，操作及參數(shù)顯示的實(shí)時(shí)性與仿真對(duì)象機(jī)組相符.就地站人機(jī)界面風(fēng)格、系統(tǒng)布置與操作員站一致，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真對(duì)象機(jī)組單元控制室以外爐、機(jī)、電等系統(tǒng)的手動(dòng)操作及相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)視，滿足仿真系統(tǒng)全工況下的各項(xiàng)操作及數(shù)據(jù)監(jiān)視的要求.

4 仿真系統(tǒng)性能測(cè)評(píng)

4.1 模型穩(wěn)態(tài)仿真

仿真機(jī)組模型的穩(wěn)態(tài)仿真，主要是對(duì)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組100%額定負(fù)荷穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，仿真模型計(jì)算輸出的主要參數(shù)與實(shí)際機(jī)組設(shè)計(jì)值的比較見表1.

表1 100%額定負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行主要參數(shù)仿真比較

從表1 中可以看到，在經(jīng)過的30 ～60 min 的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，兩者吻合得很好，穩(wěn)態(tài)偏差不大于0.5%.

4.2 模型動(dòng)態(tài)及事故仿真

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程包括內(nèi)外部擾動(dòng)、故障、以及其他不穩(wěn)定的變化過程，共選取了機(jī)組在帶100%額定負(fù)荷的穩(wěn)定工況下，機(jī)組降20%負(fù)荷、鍋爐降20%燃料量、鍋爐滅火3 種典型的擾動(dòng)，測(cè)試其關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)，測(cè)試結(jié)果如下.

4.2.1 機(jī)組降20%負(fù)荷

機(jī)組為100%額定負(fù)荷穩(wěn)定工況，機(jī)、爐所有調(diào)節(jié)器均在自動(dòng)狀態(tài)，將機(jī)組負(fù)荷降至80%額定負(fù)荷，其他無任何操作，其主要參數(shù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)如圖2.

圖2 機(jī)組降20%負(fù)荷擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)曲線

4.2.2 鍋爐降20%燃料量

機(jī)組為100%額定負(fù)荷穩(wěn)定工況，機(jī)、爐所有調(diào)節(jié)器均在自動(dòng)狀態(tài)，將鍋爐燃料量降至80%額定燃料量，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度不變，其主要參數(shù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)如圖3.

圖3 鍋爐降20%燃料量擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)曲線

4.2.3 鍋爐滅火

機(jī)組為100%額定負(fù)荷穩(wěn)定工況，機(jī)、爐所有調(diào)節(jié)器均在自動(dòng)狀態(tài)，鍋爐手動(dòng)MFT，汽機(jī)不跳閘.

測(cè)試結(jié)果表明，在相同的操作條件下，主要參數(shù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)正確，動(dòng)態(tài)精度、實(shí)時(shí)性高，動(dòng)態(tài)偏差不大于2%(相對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化量程而言). 各專業(yè)的仿真模型采用實(shí)時(shí)計(jì)算的動(dòng)態(tài)模型，快過程模型運(yùn)算的周期≤0.2 s，最小0.05 s;慢過程模型運(yùn)算周期≤1 s;可以很好的滿足熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算的要求.

5 結(jié)束語

該仿真系統(tǒng)是對(duì)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)過程1:1 的全范圍、全過程仿真.能夠滿足垃圾焚燒爐發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行指導(dǎo)和人員培訓(xùn)等的需求.通過對(duì)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組運(yùn)行人員的培訓(xùn)，可以有效地提高運(yùn)行人員的水平，減少事故的發(fā)生;在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行相關(guān)的仿真試驗(yàn)，可以優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì).在一定程度上可以促進(jìn)國內(nèi)垃圾爐電站運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于減少垃圾污染，節(jié)能減排具有重要意義.

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