垃圾焚燒發(fā)電機組仿真系統(tǒng)的研制與開發(fā)

李 祥,王廷舉

(1.安徽皖能環(huán)保發(fā)電有限公司,合肥 230000；2.博努力(北京)仿真技術有限公司,北京 100085)

0 引 言

隨著我國工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，城市生活垃圾問題越來越受到人們的關注，當前，我國城市垃圾每年生產量超過2億噸，且近年來基本上以10%的增速在增長。環(huán)保的壓力越來越大，國家正大力推進垃圾焚燒發(fā)電技術，通過垃圾的焚燒達到垃圾無害化、減容化、資源化的目的[1]。垃圾的干燥、燃燒、燃盡、燃燒產物的處理等問題非常復雜，急需提高從業(yè)人員的操作能力和技術素質。目前，最為有效的方法是建立全范圍的垃圾焚燒發(fā)電模擬系統(tǒng)，對從業(yè)人員進行培訓。

隨著仿真技術的發(fā)展，電站仿真培訓系統(tǒng)已經十分普遍，國內在使用的仿真系統(tǒng)不下于千余套[3]。但是，垃圾焚燒機組的仿真系統(tǒng)卻寥寥無幾，即使早期開發(fā)了個別垃圾焚燒機組的仿真系統(tǒng)，但從技術上也已比較陳舊。皖能環(huán)保長豐垃圾焚燒發(fā)電機組的仿真系統(tǒng)委托博努力(北京)仿真技術有限公司開發(fā)，經過雙方的密切合作，成功研制了全范圍垃圾焚燒發(fā)電機組的仿真系統(tǒng)，為垃圾焚燒發(fā)電機組從業(yè)人員的培訓提供了幫助。與傳統(tǒng)仿真機相比，長豐垃圾焚燒發(fā)電機組仿真系統(tǒng)采用了國際先進的一體化多學科仿真平臺、高精度的機理型垃圾焚燒數(shù)學模型、生動逼真的3D電氣就地操作仿真，開發(fā)了多種靈活方便的培訓與考核功能，取得了令人滿意的培訓效果。文中將對長豐電廠的仿真培訓系統(tǒng)的技術特點與功能做以簡要介紹。

1 仿真系統(tǒng)的技術特點

1.1 多學科仿真支撐平臺MSP

支撐平臺軟件功能是否強大、友好是仿真機開發(fā)成功的關鍵。多學科仿真支撐平臺MSP(Multi-SubjectSimulationPlatform)是博努力公司根據(jù)多年來開發(fā)仿真機的實踐經驗，吸取國內外仿真支撐軟件優(yōu)點，自行開發(fā)的大型一體化仿真支撐平臺[2]。

MSP能夠為大型復雜系統(tǒng)的連續(xù)過程仿真提供設計計算、調試、數(shù)據(jù)訪問、運行管理等功能。提供多種插件支持，通過增減插件能夠方便地對平臺進行功能擴展和屏蔽；采用以TCP/IP協(xié)議為基礎的P2P網絡模型，既能夠將仿真開發(fā)和運行部署到更大的范圍上，也能夠通過裁減而滿足多種網絡應用需求；提供可配置的計算調度模式，能夠根據(jù)計算機的硬件對仿真計算進行靈活配置，既可以充分的利用多核計算機的計算資源，又可以兼容已有的單核計算機。

1.2 多組份熱力系統(tǒng)模型

國內的火電仿真機的熱力系統(tǒng)模型基本上采用均相流模型，而實際熱力系統(tǒng)是復雜的多組分、兩相流過程。因此，均相流模型很難模擬兩相流的系統(tǒng)運行過程。本項目的熱力系統(tǒng)建模工具PowerBuilder采用六方程模型，對汽相、液相分別建立質量、動量、能量守恒方程，汽相與液相之間的轉變采用漂移流模型。對氣相采用多組分模型，組分包括N2、O2、H2、CO2、CO、CH4、NOx、SO2等十多種成分。PowerBuilder可快速穩(wěn)定求解熱力系統(tǒng)的壓力和流量，可以準確模擬各種工況，如汽液相非平衡，系統(tǒng)泄漏，管道充水等情況下的系統(tǒng)壓力的快速變化。PowerBuilder所使用的基本方程可表達如下：

(1)質量守恒方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

(3)能量平衡方程

(3)

式中，M為質量；ρ為密度；v為流體速度；fin為流入質量流量；fout為流出質量流量；Cp為定壓比熱；Tin為流入溫度；Tout為流出溫度；fb為蒸發(fā)產生的流量；fc為凝結產生的流量frxn為化學反應的流量；L為流道長度；g為重力加速度；ΔP為流道中泵的壓頭差；Pf-w為流體與壁面的壓降；Pf-f為流動壓降；K為壁面損失系數(shù)。

在以上三個守恒方程中，質量守恒方程充分考慮了液相的蒸發(fā)、汽相的凝結以及可能產生的化學反應。在動量守恒方程中，針對流體的流動狀態(tài)，對層流和湍流分別考慮，依據(jù)流體的雷諾數(shù)(Re)來判斷。Re>2300時，流動為湍流，壓力以流動速度的平方下降。Re<2000 時，流動為層流，且壓降與流動呈比例關系。對于 Re 在 2000～2300 之間，流動在層流和湍流之間變化。最后使用PowerBuilder建立相應的某垃圾焚燒機組的汽水系統(tǒng)仿真模型。

1.3 垃圾焚燒爐膛模型

與常規(guī)的發(fā)電機組相比，垃圾焚燒發(fā)電機組的主要區(qū)別在于燃燒系統(tǒng)的不同，其燃料為垃圾,熱值很低；燃燒方式為爐排層狀燃燒，給料方式、燃燒過程以及煙氣成分、灰層特性、飛灰特性也與燃煤鍋爐有顯著不同；爐內溫度場、流場、煙氣成分復雜，一、二次風調節(jié)對燃燒影響的規(guī)律復雜，因此必須從垃圾燃燒反應機理和煙風流動機理出發(fā)，建立機理模型。

由于垃圾組分的多變，對各種成分在不同燃燒情況下的產物的建模必須準確，而不像傳統(tǒng)煤粉燃燒仿真僅需考慮煙氣的傳熱特性和煙氣含氧量就可以了，這大大增加了建模的難度。垃圾燃燒的反應過程很復雜，垃圾燃燒在一定條件下發(fā)生的反應分為：(1)水分蒸發(fā)；(2)高溫熱解，反應產生揮發(fā)分和焦炭；(3)揮發(fā)分的氣相反應和焦炭燃燒等。因此需要建立以下仿真模型：

(1)垃圾干燥過程的模擬。

(2)揮發(fā)分析出過程與燃燒的模擬。

(3)碳燃燒的模擬。

(4)能量平衡方程。

(5)爐排模擬。

(6)分倉風室模型。

(7)給料系統(tǒng)模擬。

(8)燃燒產物成分的模擬。

1.4 生動逼真的3D電氣就地操作模擬

隨著計算機技術的高速發(fā)展，將三維虛擬仿真技術應用到火電廠就地操作仿真成為可能。本項目采用博努力公司開發(fā)的3D引擎Surya3D，并采用3DMax建模技術來模擬、構建電氣就地操作場景，包括配電室、開關柜、操作面板等，所有設備的位置以生產現(xiàn)場的位置為依據(jù)，所有設備均按照生產環(huán)境的實際標高和尺寸制作?？烧鎸嵭蜗蟮胤从吃O備的正常、異常、事故狀態(tài)及其動作過程，實現(xiàn)對電氣就地系統(tǒng)的巡視、檢查，實現(xiàn)對虛擬場景中的設備操作、維護保養(yǎng)、故障排除等工作，使操作具有很強的真實感、現(xiàn)場感。

在3D虛擬仿真軟件和2D控制室數(shù)值仿真軟件的基礎上，用OPC通訊協(xié)議開發(fā)了3D與2D仿真系統(tǒng)的交互通訊軟件，實現(xiàn)了3D系統(tǒng)與2D系統(tǒng)的交互嵌入。從而實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的3D就地操作仿真。同時，可以在電氣就地虛擬場景中設置安全用具，如各種常用的標示牌，安全帽，消防栓，消防沙，滅火器，圍檔等。下圖是某垃圾焚燒發(fā)電機組電氣開關柜的3D仿真。

2 仿真范圍與功能

2.1 仿真范圍

2.1.1 焚燒爐系統(tǒng)

焚燒爐系統(tǒng)仿真范圍主要包括：鍋爐本體、汽水系統(tǒng)、垃圾給料系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、風煙及燃燒系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、疏水和排汽、儀用空氣系統(tǒng)。

2.1.2 汽輪機系統(tǒng)

汽輪機系統(tǒng)仿真范圍主要包括：汽輪機本體、主蒸汽、抽汽系統(tǒng)、汽輪機調節(jié)保安系統(tǒng)、凝結水、除氧器系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)、汽機軸封系統(tǒng)和汽機疏水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、汽輪機潤滑油及油處理系統(tǒng)、凝汽器和抽空氣系統(tǒng)。

2.1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)仿真范圍主要包括：發(fā)電機變壓器組、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、10 kV廠用電系統(tǒng)、380 V廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)(EMS)。

2.1.4 熱控系統(tǒng)

熱控系統(tǒng)仿真范圍主要包括：數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(DAS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、爐膛監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機電液控制系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)等。

2.1.5 煙氣處理系統(tǒng)

垃圾焚燒的煙氣處理系統(tǒng)，采用非選擇性催化還原法SNCR和催化還原法(SCR)脫硝裝置，在鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于80%，脫硝還原劑采用20%的氨水。

其仿真范圍包括氨區(qū)和SNCR/SCR反應區(qū)，氨區(qū)包括氨卸料系統(tǒng)、氨水儲存系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)系統(tǒng)、事故噴淋系統(tǒng)、冷卻噴淋系統(tǒng)、廢氨吸收系統(tǒng)；SCR反應區(qū)包括氨氣/空氣混合系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、反應器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等。

2.1.6 滲濾液系統(tǒng)

垃圾滲瀝液處理系統(tǒng)的工藝一般為預處理、UBF厭氧、外置式膜生物反應器(MBR，兩級硝化反硝化+超濾)、兩級納濾(NF)、反滲透(RO)。

其仿真范圍包括：預處理系統(tǒng)、雙向管道系統(tǒng)、UBF厭氧系統(tǒng)、MBR系統(tǒng)、兩級納濾(NF)、反滲透(RO)、納濾濃縮液處理系統(tǒng)、離心機系統(tǒng)、應急火炬系統(tǒng)、液氧罐系統(tǒng)。

2.2 仿真系統(tǒng)的功能

2.2.1 機組正常運行工況仿真

(1)從冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)到滿負荷的啟動操作。

(2)機組從滿負荷的停機操作。

(3)其他指定工況啟、?；蛏?、降負荷的操作。

2.2.2 機組異常運行工況仿真

仿真機能模擬垃圾焚燒機組實時運行中各種異常和故障情況，并有正確的反應結果。仿真機各種組合故障數(shù)千個，對于故障和事故，學員可在操作員站上進行操作處理。

2.2.3 操作票演練功能

針對垃圾焚燒發(fā)電機組的仿真操作訓練，將機組的啟動、停止、各種狀態(tài)的運行、以及故障模擬操作分為若干個工作任務，對這些任務一一編寫操作票，可對每一個任務進行單獨的操作培訓。在培訓過程中，采用演示、練習交替，任務驅動，目標導向的培訓模式。學員培訓時，只需要在操作票上點擊右鍵，即可以彈出“演示模式”、“練習模式”的選項(如圖所示)，實現(xiàn)培訓的演示與練習相結合的模式，針對學員的個人需要進行不同的操作票練習，快速提高學員的技術水平和操作能力。

圖 操作票培訓示例

2.2.4 考核功能

配合仿真機的操作培訓，本項目開發(fā)了自動考評系統(tǒng)軟件?？梢栽诰钟蚓W內同時或分別進行在線考評，可以自動向任意一個單機用戶或一個協(xié)同培訓群分發(fā)試卷，并自動生成考評結果。考評系統(tǒng)由考題模板、模塊化考題、自定義考題、試卷庫四部分組成。

在考評時，教師選擇考卷可同時對多個學員進行考評，考評結束后直接得出成績匯總表和含有學員信息的考評報告?？荚u報告的內容包括：

(1)考試信息：包括考生的姓名、得分、考試開始時間、結束時間。

(2)考題信息：包括考題的名稱、得分、難度、判分的細則。

3 仿真精度及效果

垃圾焚燒發(fā)電機組仿真系統(tǒng)采用逼真的數(shù)學模型，符合實際機組全工況全物理過程的機理性模型，遵守質量、能量和動量守恒定律。如汽水系統(tǒng)建模采用了高精度的六方程模型，對汽相、液相分別建模，燃燒模型將爐排沿運動方向分為干燥段、燃燒段、燃盡段，每段又分為若干子段進行建模，共計分為120個子段，確保了仿真模型的精度。仿真機組的重要參數(shù)，如：主蒸汽壓力、溫度、流量，出口煙氣溫度，給水壓力、溫度、流量，機組功率等的靜態(tài)精度在0.5%內，動態(tài)精度在5%內，完全可滿足仿真培訓的要求。

4 結束語

垃圾焚燒發(fā)電機組仿真模擬的關鍵在于垃圾燃燒過程、傳熱、燃燒產物、煙氣處理系統(tǒng)的建模，同時開發(fā)了3D就地仿真系統(tǒng)。在培訓功能上開發(fā)了操作票演練功能和自動考評系統(tǒng)，這是博努力公司的特有技術，大大提高了仿真培訓的效率和針對性。垃圾焚燒機組仿真系統(tǒng)已正式驗收并投入運行，員工培訓效果良好,并為垃圾處理和環(huán)保事業(yè)做出重要貢獻。