水泥生產線余熱電站仿真系統

水泥生產線余熱電站仿真系統

WHRSimulation System in Cement Production Line

王 林，祝 強

近些年來，余熱電站作為水泥生產線的一個必不可少的附屬車間要充分發揮其經濟效益，必須減少設備故障率并且降低運行維護成本，這就對余熱電站操作員的操作水平有了更高的要求。以往的培訓受各方面條件限制，只能進行理論知識講解和運行電站現場觀摩，無法讓操作員進行實際操作，嚴重影響了培訓效果。為進一步提高操作培訓水平，提升企業的自主創新能力和科技發展水平，并為后續研發與工程建設提供可靠的技術支持，有必要建立一套針對水泥生產線的余熱電站仿真系統（以下簡稱仿真系統）。本文就我公司水泥生產線余熱電站仿真系統的構成和基本功能做了簡單的論述。

水泥生產線；余熱電站；仿真系統

水泥生產線余熱電站仿真系統是在火電機組仿真技術的基礎上結合水泥生產線余熱電站的技術特點建立的。仿真系統可以作為實驗平臺進行不同方式的機組啟停操作實驗，監視各種過程運行參數和運行指標，優化電站運行方式，進行控制系統的研究和改進工作；還可作為運行操作人員的培訓平臺，實現機組正常工況和異常工況下的運行操作訓練，培訓復雜的、長周期的順序操作流程，加強對過程因果關系的理解，節約培訓經費，達到使受訓人員能夠在各種狀態下進行正確的判斷和事故處理操作的目的。以下就仿真系統的軟硬件組成和功能等做詳細的介紹。

1 系統軟硬件構成

考慮仿真系統的主要應用目的，采用軟件與硬件結合的模式。本系統采用了和利時公司產品，該公司的仿真軟件集成在其自主開發的HOL?LiAS MACS系統產品線之中，仿真機使用真正的DCS軟件和先進的虛擬DPU技術，即仿真中操作員站軟件和工程師軟件與現場完全一致，現場DCS組態可直接復制到仿真機中，最大程度地提高了仿真真實度、開發效率及培訓效果，拓展了仿真功能。

軟件系統包括：

（1）MACSV_OPS：基于和利時集成化系統1.0平臺DCS操作員軟件。

（2）MACSV_ENG：基于和利時集成化系統1.0平臺DCS離線組態軟件。

（3）MACSV_SERVER：基于和利時集成化系統1.0平臺DCS數據服務軟件。

（4）SimuRTS：基于和利時集成化系統1.0平臺DCS虛擬DPU軟件。

（5）DPUOPC Server：：基于和利時集成化系統1.0平臺虛擬DPU及OPCClient服務器軟件。

（6）SimuWorks：基于和利時集成化系統1.0平臺仿真運行支撐軟件。

（7）YRFD：基于和利時集成化系統1.0平臺余熱發電數學模型。

（8）OPCClient：基于和利時集成化系統1.0平臺通訊軟件。

硬件系統包括：

（1）服務器1臺：作為數學模型站兼教練員站。用于過程模型的開發，在培訓過程中還可以加載冷態、熱態、正常運行、故障等各種工況，且切換簡便；作為教練員平臺考察培訓人員對于現場工況變化的應變能力和操作水平。

圖1 系統結構圖

圖2 雙壓熱力系統圖

（2）工程師站1臺：模擬電站工程師站權限，對實時DCS系統組態編程。

（3）操作員站5臺，分別用于：

a窯頭余熱鍋爐控制站：模擬窯頭余熱鍋爐操作員站權限，包括煙風和汽水流程中所有設備啟/停操作，各測點監控。

b窯尾余熱鍋爐控制站：模擬窯尾余熱鍋爐操作員站權限，包括煙風和汽水流程中所有設備啟/停操作，各測點監控。

c汽機控制站：包括汽機熱力系統、油系統設備的各種操作，DEH系統的監控和操作。模擬汽機冷態、沖轉、空載、升負荷、降負荷等各種運行狀態和保護功能的投/退。

d就地操作控制站：實際中所有需要就地手動操作的設備，如手動閥門的開閉，就地按鈕的控制等由就地操作控制站實現模擬。

e電氣綜合控制站：模擬電站綜合自動化保護系統和400V低壓配電系統的操作，繼電保護功能投/退，設備送電/斷電，同期并網等操作均由此站實現模擬。

（4）交換機1臺：用于組建內部網絡。

（5）電氣控制屏2面：用于模擬實際電站中/低壓系統的電參數顯示，斷路器分合閘操作，勵磁系統操作等。

（6）42寸液晶電視2臺：此部分用于模擬余熱電站中控室內工業電視監控系統。1臺用于連續運行時間和累計發電量參數，1臺用于余熱鍋爐汽包水位、振打電機工作狀態及各主要輔機（如鍋爐給水泵、配電室、除氧器、油站等）的運行狀態監視。現場采集視頻和照片，由仿真軟件加載模擬。余熱鍋爐汽包水位為實時變化，在圖片中將水位部分用紅/綠棒狀圖表示水位的變化，與水位參數變化保持同步，便于培訓。系統結構如圖1所示。

2 參數的確定

本仿真系統目前選擇的是國內典型的5000t/d水泥生產線，配套9MW余熱電站，雙壓系統（可切換為單壓系統）作為建模基礎，熱力系統見圖2。作為建模基礎的主要系統參數見表1、表2。

表1 建模基礎的主要系統參數

表2 汽輪機系統參數

由于水泥生產線窯頭、窯尾排出廢氣的溫度變化范圍大，且沒有規律，很難對其進行數學建模，但考慮到培訓需要，要求窯頭、窯尾余熱鍋爐廢氣溫度隨機變化的頻率為20s，3h（工程師級別可調整時間）為一個幾率計算周期。根據多個實際投運5000t/d生產線窯頭、窯尾廢氣參數的標定數據，最終確定仿真系統窯頭、窯尾廢氣參數變化范圍和幾率，如圖3所示。

3 建模組態

本系統由仿真支撐平臺SimuEn?gine和圖形化建模工具SimuBuilder搭建,在SimuBuilder環境中，利用系統提供的模塊和用戶自己開發的模塊，根據仿真對象的組成，用圖形的方式進行模塊組合，構建仿真系統配合SimuEngine的仿真支撐，利用SimuBuilder對所構建的仿真系統進行調試，直至形成穩定的最終產品。

SimuEngine的模型開發，采用Fortran語言編寫，對模型源程序進行掃描、編譯并生成可執行程序。Sim?uEngine與生成的可執行程序通過實時變量數據庫共享，采用變量名對數據辨識的方法，對變量進行統一管理。既可以直觀的方式顯示數據，也可方便地對數據進行在線修改，從而達到對模型程序進行在線調試的目的。開發流程如圖4所示。

（1）對源程序進行編寫、掃描，其中SimuEngine對變量的描述進行了擴充，用來描述變量的類是TVar類，也是SimuEngine的核心數據結構,利用這一數據結構，可以完整描述一個變量的所有性質。整個系統基于此數據結構定義變量數據庫，利用結構中包含的變量名稱實現數據的檢索和存取。

（2）設定變量的掃描規則。

圖3 窯頭/窯尾余熱鍋爐廢氣變化參數范圍和幾率

（3）生成變量批處理文件（CMD文件）。

（4）變量入庫：信息窗口中會提示變量入庫過程完成情況，表示變量入庫工作已經完成，可以在“數據瀏覽”窗口中看到已經加入數據庫的所有變量。

（5）對源程序掃描完成后，用Fortran語言對源程序進行編譯，編譯完成后，會在窗口下面的狀態欄中給出提示。

（6）模型開發完成后進行任務的生成與管理，以便進行數據可視化操作。數據可視化表現為數據表格、動態曲線、趨勢圖、直方圖、流程圖等。結合畫面組態功能，在任何一種顯示狀態下，使用鼠標和對話框對顯示畫面進行修改，包括畫面標題的修改、可視單元的增減與屬性修改等。

（7）當變量數據庫搭建完成后再結合SimuBuilder軟件用圖形的方式進行模塊組合。采用SimuBuilder模塊化建模的基本思想將大系統分解為數目合理、容易處理的基本部件和設備，以一種規范化的標準建立這些基本部件和設備的數學模型，再將其開發成通用的基本模塊，連接組合得到整個大系統的仿真模型。以水泵為例，如圖5所示。

通過上面的描述，可以看到實際設備的數學建模以及圖形化的過程：首先按照實際設備的物理特性和工作原理，用數學公式進行描述；其次建立實際設備的機理模型；最后用形象的圖形來表示這段機理模型。

4 功能介紹

仿真系統運行界面分為教練員級和培訓員級。培訓員級操作界面與實際運行的余熱電站DCS操作員控制界面完全一致，并且增加了主系統圖（見圖6），便于學員從整體上理解整個余熱電站的汽水流程。培訓過程中學員根據運行規程對系統中各主輔機設備進行操作。運行界面分為鍋爐控制、汽機控制、循環水控制、化學水處理、電氣綜保、就地操作、主頁7個界面。

（1）鍋爐控制界面分為鍋爐總貌、鍋爐集控、鍋爐順控、煙氣主參數、窯頭/窯尾余熱鍋爐煙風系統、汽水系統等8個子界面。窯頭、窯尾操作員控制各自的子界面，余熱鍋爐運行中所有參數和設備均能從各自的子界面中進行監控。為了增加操作員實際操作經驗，操作過程中可根據需要調整設備參數。例如：通過調整AQC鍋爐入口閥門開度控制鍋爐入口煙風量，鍋爐內各段負壓將發生改變，致使AQC鍋爐過熱蒸汽量發生變化，從而影響最終的發電功率。

圖4 SimuEngine模型開發流程圖

圖5 數學模型

（2）汽機控制界面分為汽機熱力系統、潤滑油系統、汽機順控、電調主控、ETS保護5個子界面。汽機電調主控界面參照和利時DEH電液調節系統，涵蓋了汽機從冷態到沖轉、并網、增負荷至額定功率運行所有狀態。汽輪機是余熱電站中重要的設備，一般培訓只能理論講解和現場觀摩，不能親自動手操作。加入電調主控界面使學員能夠模擬汽機的啟動、沖轉、增負荷等操作。例如在汽輪機沖轉時，用DEH緩慢給定升速值，當達到臨界轉速時，汽機各項振動指標會達到最大，學員可清晰看到整個沖轉過程中各個參數的變化情況，這樣既能使學員學習理論知識，也能增加實際操作經驗，是仿真教學中十分重要的一環。電調主控操作界面如圖7所示。

（3）電氣綜保界面主要模擬余熱電站綜合自動化保護系統和站用電輔機系統等，由10kV系統接線圖、站用電系統接線圖、電氣保護、電氣綜合故障組成。模擬并網前后所有電氣過程，包括設備送電、發電機啟動前投入保護、發電的同期并網等。目前余熱電站多采用自動并網，本仿真系統模擬自動并網過程（圖8）。

（4）仿真系統模擬了現場實際運行中出現的各種故障，系統建模時就已經在故障庫里添加了電氣保護、電氣故障、鍋爐故障、汽機故障四個組。每一個故障組分別包含若干個

圖6 總系統流程圖

圖7 電調主控界面

圖8 10kV系統接線圖

圖9 故障管理界面

圖10 英文操作界面

圖11工業電視監控畫面仿真子故障。教練員可以在教練后臺機加載不同的故障，每個故障都會引起相應的參數變化（見圖9），加載后學員通過不同故障在仿真系統中的表現和故障報警來判斷故障類型，通過相應操作來消除故障，使設備恢復正常運行狀態。該部分仿真可使學員在培訓時接觸大部分故障現象，當在實際運行現場出現相應故障時,能夠及時分析原因，找出故障點并排除故障，減少損失。教練員還可以實際添加故障，完善故障仿真的功能。

（5）國外很多工程不能在當地已建成的項目進行培訓，國內現場觀摩又受到語言文字等條件限制。考慮到這一情況，仿真系統建立了中英文界面切換功能。面對國外項目可以方便地切換成英文界面，便于教練員與學員溝通，提高培訓效率（圖10）。

（6）仿真系統還增加了工業電視監控畫面功能。所有圖片均為現場實地采集，教練員在實際講解過程中可任意調出對應的設備，更加形象地對學員進行講解。所有設備圖片均來自已經投運的余熱電站現場，采集時間分為早晨、黃昏、夜間，系統自動根據運行時間調出不同時段的現場圖片充分模擬現場工業電視監控系統（圖11）。

5 結語

仿真系統自建成以來已對國內和國外業主進行了多次培訓，收到了良好的效果。隨著培訓次數的增加和運行經驗的積累，也顯現了一些問題，例如故障報警英文界面顯示數量有限，不能用完整的英文單詞描述；工業電視監控畫面不能加載視頻只能采用多圖循環播放等，這些都需要完善。隨著對仿真系統的熟練掌握將來還會在該仿真平臺上進行其他熱力系統的模擬，對公司業務的拓展也有十分積極的作用。

[1]DLT 1022-2006,火電機組仿真技術規范[S].

TQ172.625.9

A

1001-6171（2013）05-0099-06

材節能股份有限公司，天津 300400；

2012-12-27； 編輯：呂 光