600MW超臨界機組仿真機在電廠的開發及應用

摘要：分析了蘭溪電廠600MW超臨界機組仿真機的仿真范圍、仿真程度、仿真機硬件和軟件組成等，闡述了仿真機的基礎構成及主要功能，介紹了仿真機在發電企業實際生產和培訓工作中所起到的作用，并對仿真機的發展方向做出描繪，為使用、開發超臨界機組仿真機提供參考意見。

關鍵詞：超臨界；仿真機；開發；應用

作者簡介：項文杰（1975-），男，浙江仙居人，浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，工程師；葉珍華（1975-），女，浙江三門人，浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，工程師。（浙江 蘭溪 321100）

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0225-02

仿真技術是當今世界各國非常重視的一門高新技術，它廣泛應用于國防和國民經濟建設的各個領域。在火力發電領域，仿真機的應用和發展非常迅速。20世紀70年代初，世界上研制出首臺實用型火電機組仿真機。在我國，70年代中期開始研制火電機組仿真機。80年代，在引進仿真機技術的基礎上，我國仿真事業迅速發展。如今，國內仿真機制造公司已達十多家，全國已投運和正在開發的各種類型火電機組仿真機約有400多臺。

隨著電廠規模的不斷擴大，單元機組正朝著大容量、高參數和高自動化方向發展。而電力企業人員配置在不斷地優化，對電廠運行人員的專業知識、操作技能水平和事故處理能力的要求不斷提高。利用仿真系統對電廠運行人員及管理人員進行培訓，有益于拓寬人員知識結構，培養綜合技能人才。仿真機在電廠建設的各個階段均發揮著非常重要的功用，在機組投產前可幫助人員熟悉操作畫面和操作系統，機組投產后可提高人員參數調節能力和事故處理能力，從而更好地為電廠安全生產、經濟生產服務。本文以蘭溪電廠600MW超臨界機組仿真機為例，分析了仿真系統的基本構成、主要功能、技術特點，介紹了仿真機在發電企業實際生產和培訓工作中所起到的作用。

一、蘭溪電廠仿真機的功能及特點

1.蘭溪電廠600MW仿真機介紹

蘭溪發電廠600MW超臨界機組仿真機由華仿科技有限公司以蘭溪電廠1號機組為仿真對象，采用華北電力大學大型火電機組仿真機技術，在STAR-90支撐系統支持下研制開發。

蘭溪電廠#1鍋爐由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司制造，超臨界參數變壓直流爐。#1汽輪機是由東方汽輪機廠制造的超臨界、中間再熱、沖動式、單軸、雙背壓、三缸四排汽凝汽式汽輪機。#1發電機為東方電機有限責任公司制造。該單元機組主要熱工控制系統設備為ABB公司的SYMPHONY系統，日立公司生產的HIACS5000M DEH電液調節控制系統。

2.仿真機的基本構成

仿真機是將電子技術、模型技術、計算機技術、仿真技術等結合在一起，采用數學模型對機組各系統進行全范圍、全過程的仿真，系統主要由硬件部分和軟件部分兩大部分組成。硬件系統由主服務器、I/O接口系統、操作員臺、就地操作站、教練員站、工程師站等組成。軟件系統主要包括計算機操作系統軟件、仿真機的支撐系統軟件、過程數學模型軟件、工程師＼教練員臺功能軟件、網絡系統的驅動軟件、接口驅動軟件等。

3.仿真機的主要功能

仿真系統的配置與現場機組的控制系統配置完全一致，仿真環境逼真度高。仿真系統能連續、實時計算特定操作條件下的運行參數，并在操作畫面上實時顯示變化趨勢，發出相應報警信息和保護動作等功能。仿真系統的主要功能包括三方面。

（1）不同運行工況的仿真功能。機組從冷態、溫態、熱態到滿負荷的啟動操作；機組從滿負荷正常停機到熱備用或冷態狀態的停機操作；其他指定的工況啟停，升、降負荷的操作；對設備或系統進行可靠性試驗及聯鎖保護試驗；任意工況的穩定運行；各種異常現象和故障情況。

（2）教練員臺可以實現的功能。初始條件的裝入、存儲；對模型進行凍結和激活控制、局部及全局加速；運行時刻的記錄、回退、重演；單組故障、成組故障的加入和撤消；學員成績自動評定。

（3）工程師臺實現的功能。工程師臺是模型工程師開發模型時使用的操作臺。工程師臺本身是計算機系統的一個設備，它可以獨立于仿真支撐系統，作為計算機系統的一個終端設備，工程師可在該設備上進行任何編程等操作。這種操作是在計算機操作系統的管理下實現的，并可將計算結果與仿真模型相聯系。

工程師臺能夠實時數據通訊，并對所有的數據進行操作，可通過CRT監視數據庫中任何變量的數值；能夠查找所需要的技術資料，并對資料進行修改、添加和打印；進行數據的輸入輸出操作。工程師臺包容全部教練員臺功能，能夠替代教練員組織對學員的培訓的最佳運行方式和操作步驟，以及對事故工況的判斷和處理方式，為制訂正確的機組運行規程提供依據。

4.仿真機的主要技術特點

仿真機的建模支撐系統采用STAR-90系統，系統的建模過程采取工程模塊搭接建模方法，以其獨特的通用性、開放性、全過程圖形化建模、在線調試修改等技術特點，從而成為用戶可熟練掌握和方便使用的系統，它在以下方面形成其突出的技術特點：

（1）過程數學模型技術。依據能量、質量、動量平衡原理建立的全物理過程工程模塊化模型，采用了流體網絡模型軟件，提高了壓力計算速度和流量計算的精度，從而精確模擬電廠的全工況動靜態行為。由模塊搭接而成的網狀模型結構方式復現了機組生產流程網絡，有利于工程技術人員對模型構成的理解和掌握。

（2）模塊圖形建模技術。該系統為用戶提供了可視化的圖形建模方法，在建模過程中不需使用任何程序語言，而只需建模人員熟悉仿真對象的物理特性，通過選擇適當的設備圖元，按照仿真對象的工藝流程進行圖元的連接，系統按照設備圖元的連接關系自動建立設備模塊的連接從而生成仿真模型。

（3）支撐軟件技術。該支撐系統完全面向用戶，支持在線的工程模塊化建模、調試、擴充和模型運行，從而使建模工作徹底脫離了程序編寫，為用戶進行完全在線的仿真系統開發、擴充、修改及各種系統分析、研究提供了良好的人機交互環境。

（4）在線的模型修改方法。因系統仿真模型采用模塊方式搭接而成，允許用戶以在線、交互方式進行各種修改，包括模型參數、變量值，以及模塊增減和重新組態等，所有對模型的操作和修改均可以在系統運行中進行，不需重新編譯和連接，建成的模型可直接運行。

（5）教練員臺功能豐富、靈活。以窗口技術為友好界面，教練員臺功能豐富，且功能可由用戶進行擴充、修改，如在仿真過程中全局或局部加速功能的增加、故障類型的增加和生成、成績評定試卷的添加和生成等等。教練員充分使用功能，有效地提高培訓效率和仿真機的使用效果。

（6）采用智能化接口和多媒體仿真技術。以微處理機技術為基礎，采用分布式概念而構成的分散、智能化接口系統，使仿真機系統結構簡單，性能穩定可靠。利用多媒體技術進行環境仿真，實現聲、像功能，包括現場的報警聲音、火焰畫面、虛擬盤臺均能仿真模擬，提高環境逼真程度。

5.仿真機的典型工況

（1）鍋爐點火前狀態介紹。機組凝結水系統、給水系統已投運，鍋爐上水結束，鍋爐冷態沖洗完成，水冷壁流量（571t/h左右）已建立。

（2）汽輪機沖轉前狀態介紹。汽輪機沖轉前，兩層油槍運行，電泵運行，送、引風機運行，主、再熱蒸汽升溫升壓至沖轉參數。對于冷態啟動，本廠機組的沖轉參考參數為：主汽壓4～6MPa，主汽溫380℃，再熱汽壓1.1MPa，再熱汽溫330℃。

（3）600MW負荷狀態介紹。機組帶600MW負荷運行，主蒸汽流量1717t/h，主蒸汽參數為24.9MPa＼569℃，再熱蒸汽溫度為561℃，5臺磨煤機運行，六大風機運行。

二、蘭溪電廠仿真機的實際應用

蘭溪電廠仿真機自2005年11月正式投入運行，在人員培訓、反事故演習、技術比武等方面起到了非常重要的作用。

1.機組投產前的運行人員上崗培訓

蘭溪電廠#1機于2006年4月正式投產，當時配備的操作員均來自老廠300MW及125MW機組的人員，缺乏超臨界機組的運行經驗。利用仿真機對上崗員工進行上機培訓，從而加強員工對整個系統的認識和相關規程的理解。通過對啟停操作及事故處理進行反復練習，增加了學員對機組協調關系的認識，提高了事故處理能力，操作員之間的配合意識也更加默契，從而為機組的順利調試和投產打下扎實的基礎。

2.操作員當班前的培訓

所有的操作員在取得操作員見習資格后，在所在班組單元長的指導下進行仿真機培訓，經過一定學時的上機訓練，通過仿真機上機考試后才能參加操作員當班面試，確保操作員的實際操作技術水平。

3.運行人員的定期輪訓

在電廠正常運行中，運行人員的日常操作主要局限于設備定期試驗和定期切換工作，對于機組啟停和事故處理等重大操作難免會生疏。而利用仿真系統可以對運行人員進行定期輪訓，經常性復習特定的操作項目和操作步驟，熟練掌握操作過程，加強綜合素質的訓練，提高突發事件的應急能力。

4.反事故演習的運用

蘭溪電廠公司級反事故演習每年進行一次，部門級反事故演習每半年進行一次，班組級反事故演習每季度進行一次。利用仿真機系統模擬典型事故，有針對性地考查操作人員的事故處理能力，檢查值長、單元長綜合協調能力，從而提高運行人員的心理素質、應變能力和技術水平。

5.技術比武的平臺

將仿真機作為技術比武的平臺，考驗參賽人員技術水平和心理素質，選撥優秀人才，在崗位晉升中起到輔助決策作用。

6.運行分析的工具

利用仿真機不同運行工況的數據，對機組的經濟指標進行分析，優化機組運行方式，選定合適的系統控制方式和控制參數，從而提高機組經濟性。

三、仿真機功能的展望

1.具有DCS控制系統仿真模型

隨著自動化程度的提高，運行人員的操作量明顯下降，但對電廠熱控人員在DCS的運行、組態與調試能力方面的培訓要求逐漸提高。利用DCS仿真模型可使熱控人員對系統有更加充分的了解和認識，并通過培訓熟練掌握DCS的運行和組態。

2.高精度機組性仿真數學模型

仿真數學模型應為高精度的機理性模型，能真實反映和再現單元機組的全工況運行過程，提高對機組模型分析的準確性，有助于對機組運行方式調整的判斷和決策。

3.現場實際數據采集和分析

從對象、DCS和內部結構完全實現對真實機組的仿真，從而通過網絡實現與機組的連接，利用仿真機實現對實際機組的監視，并將通過仿真得到的優化方案應用到實際機組上。

4.性能計算與故障診斷

通過仿真機對采集到的實時數據、曲線進行比較、分析，得出故障的起因及系統潛在的弱點，確定機組在各種工況下的最佳運行方式和操作步驟。利用仿真機采集的數據對歷史事件進行重演，以達到與現場完全逼真的效果，給異常事件和事故分析提供強有力的依據。

四、結束語

仿真技術在發電企業中得到了越來越廣泛的應用，隨著仿真理論、方法和建模技術逐步完善，仿真技術解決了很多實際生產過程中遇到的技術問題。蘭溪電廠600MW超臨界機組仿真機功能齊全、逼真度高、運行穩定可靠、故障種類全面。仿真機投運后，對運行人員的培訓、運行方式的探討和優化以及反事故演習等發揮了重要的作用。隨著仿真技術的發展和功能的拓寬，仿真機在電廠的安全生產中具有廣闊的發展應用前景。

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