基于simuworks軟件工業(yè)鍋爐仿真

劉 歡 岳 忠 侯歡歡

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100070）

SimuWorks是為大型科學(xué)計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模研究、過(guò)程仿真培訓(xùn)、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)試、故障診斷與專(zhuān)家系統(tǒng)等，提供通用的、一體化的、全過(guò)程支撐的、基于微機(jī)環(huán)境的開(kāi)發(fā)與運(yùn)行支撐平臺(tái)。軟件采用了動(dòng)態(tài)內(nèi)存機(jī)器碼生成技術(shù)、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和面向?qū)ο蟮膱D形化建模方法，在仿真領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

鍋爐是一種特種設(shè)備，在實(shí)際正常運(yùn)行過(guò)程中不能停爐，調(diào)整工況。鍋爐工作有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是承受高溫高壓；二是維持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。若對(duì)實(shí)體鍋爐進(jìn)行研究，將會(huì)造成公司停產(chǎn)，對(duì)公司的經(jīng)濟(jì)效益影響很大。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生只能參觀鍋爐的外在設(shè)備，對(duì)其正常運(yùn)行狀況以及故障狀況下實(shí)際情況不能直觀理解。另外，鍋爐操作工是特種工種，國(guó)家相關(guān)規(guī)定要求要對(duì)其進(jìn)行培訓(xùn)，并且憑證上崗。以前的培訓(xùn)是課堂式的，而將傳統(tǒng)培訓(xùn)轉(zhuǎn)化為仿真機(jī)上培訓(xùn)，將會(huì)更加的形象化和整體化。

本論文通過(guò)simuworks軟件對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行仿真，鍋爐實(shí)際無(wú)法操作的過(guò)程可以通過(guò)仿真機(jī)來(lái)完成，仿真機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K為學(xué)生學(xué)習(xí)鍋爐安全技術(shù)提供形象化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此，對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行仿真是十分有必要的。

1 鍋爐系統(tǒng)概述

鍋爐設(shè)備基本參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐基本參數(shù)

2 系統(tǒng)仿真的建立

2.1 仿真平臺(tái)介紹

SimuWorks仿真軟件模塊的邊界即為設(shè)備的自然邊界，并指定工質(zhì)在各模塊之間流經(jīng)的出、入口情況。利用模塊資源管理器SimuManager對(duì)鍋爐仿真模塊的管理，可對(duì)模塊庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充，也可根據(jù)需要對(duì)模塊進(jìn)行刪除和修改。利用仿真引擎SimuEngine可以獲得實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)鍋爐進(jìn)行在線調(diào)試，模擬其在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行情況。

2.2 仿真平臺(tái)的制作

仿真系統(tǒng)主界面，如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)主界面

3 仿真機(jī)的功能

3.1 正常運(yùn)行

3.1.1 檢查準(zhǔn)備

鍋爐機(jī)爐啟動(dòng)前的檢查工作，注意給水壓力，啟動(dòng)渣水泵、冷卻水循環(huán)泵，檢查冷卻水情況、除塵器運(yùn)行情況，檢查地溝噴嘴，注意各路冷卻水暢通。

3.1.2 上水

（1）在SimuMMI下顯示的Visual Graph圖形中點(diǎn)擊上水按鈕會(huì)顯示關(guān)于上水的相關(guān)知識(shí)。

（2）全開(kāi)Visual Graph圖形中循環(huán)泵的總門(mén)，用圖形中干路給水調(diào)節(jié)閥控制上水，點(diǎn)擊后會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)閥二級(jí)界面。上水應(yīng)緩慢進(jìn)行，鍋爐水位從無(wú)水到上鍋筒水位計(jì)負(fù)100mm處所需的時(shí)間，冬季不少于2小時(shí)，夏季不少于1小時(shí)，上水時(shí)不得影響運(yùn)行鍋爐的給水。

（3）在上水過(guò)程中，應(yīng)檢查各上鍋筒、各聯(lián)箱的手孔門(mén)及各部位的閥門(mén)、法蘭、堵頭等是否有漏水現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)漏水時(shí)，應(yīng)停止上水，并通知車(chē)間，進(jìn)行處理。在SimuMMI中的具體表現(xiàn)是數(shù)字超過(guò)本身額定上水控制范圍，顯示警告。

（4）在模型中當(dāng)鍋爐水位升至上鍋筒水位的負(fù)100mm處停止上水，此時(shí)停止20分鐘，水位應(yīng)不變，若水位有明顯變化，應(yīng)查明原因予以消除。如鍋爐原已有水，經(jīng)化驗(yàn)水質(zhì)合格，方可使用。如水質(zhì)不合格，可將爐水放掉，重新上水。

（5）需要說(shuō)明的是鍋爐啟動(dòng)燃燒時(shí)的配風(fēng)分為三股風(fēng)：第一股為燃燒風(fēng)亦稱(chēng)點(diǎn)火風(fēng)，經(jīng)點(diǎn)火風(fēng)口和穩(wěn)燃器進(jìn)入風(fēng)道，用來(lái)滿(mǎn)足油燃燒需要。第二股風(fēng)為混合風(fēng)，經(jīng)預(yù)燃室的內(nèi)外筒之間進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)，將油燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨档絾?dòng)所需溫度，同時(shí)這股風(fēng)對(duì)燃燒器壁起冷卻作用。前兩股風(fēng)均為一次風(fēng)機(jī)出口的冷風(fēng)。第三股風(fēng)為鍋爐正常運(yùn)行的一次風(fēng)，啟動(dòng)時(shí)擋板也有一定的開(kāi)度，這股風(fēng)取自預(yù)熱器。在本模型中省略前兩種風(fēng)的配送，以自然進(jìn)入代替模擬，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候僅顯示從空氣預(yù)熱器中輸出的這股風(fēng)。

3.1.3 烘爐

新裝、遷裝、大修或長(zhǎng)期停用的鍋爐，在點(diǎn)火升壓前應(yīng)進(jìn)行烘爐，在爐膛中用文火慢慢地烘烤爐壁，并使受熱面逐漸受熱膨脹。在SimuMMI中可直接點(diǎn)擊烘爐按鈕，會(huì)彈出一個(gè)二級(jí)窗口顯示烘爐的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)在Simubuiler的后臺(tái)運(yùn)行中爐膛內(nèi)的溫度也將相應(yīng)地有所上升，以達(dá)到烘爐目的。由于是正式運(yùn)行點(diǎn)爐前的準(zhǔn)備工作，本溫度數(shù)值的上升并不在Visual Graph圖形中顯示，僅在后臺(tái)運(yùn)行，如需得知溫度可直接運(yùn)行后臺(tái)動(dòng)態(tài)查看。這時(shí)的送煤量應(yīng)控制在少量，煤柴同時(shí)供應(yīng)。

3.1.4 煮爐

將藥品溶化，用加藥泵注入鍋筒，加熱升溫，使鍋水沸騰，維持10-12小時(shí)之后減弱燃燒，進(jìn)行排污，并保持水位；再加強(qiáng)燃燒12-24小時(shí)，然后停火冷卻，排出鍋水，并及時(shí)用清水沖洗干凈，直至各部件水側(cè)無(wú)污物為止。在SimuMMI中可直接點(diǎn)擊煮爐按鈕，會(huì)彈出一個(gè)二級(jí)窗口顯示煮爐的相關(guān)知識(shí)。在煮爐過(guò)程中上鍋筒水壓保持恒壓，不用升壓，流量不變，水溫在煮爐過(guò)程中先升起，后維持平衡狀態(tài)。烘爐過(guò)程中Simubuiler會(huì)呈現(xiàn)溫度上升的趨勢(shì)，煮爐中無(wú)顯示，故Visual Graph圖形在上鍋筒數(shù)據(jù)方面無(wú)顯示。

3.1.5 點(diǎn)火與升壓

（1）點(diǎn)燃木柴，用自然通風(fēng)燃燒（打開(kāi)爐前檢查門(mén)、第一二道風(fēng)門(mén)），視情況開(kāi)啟吸風(fēng)機(jī)，將負(fù)壓調(diào)至20～30Pa。（2）木柴燃盡后，方可逐漸開(kāi)車(chē)，適當(dāng)增加吸送風(fēng)量，加快爐排速度，增加給煤量。（3）生火過(guò)程中，水位將逐漸變化，此時(shí)應(yīng)注意上、放水，保持正確水位。（4）投自動(dòng)連鎖。（5）鍋爐升壓。鍋爐升壓過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制升壓速度，嚴(yán)禁急速升壓。一般從開(kāi)始升壓至正常壓力，所用時(shí)間不少于2小時(shí)。

開(kāi)啟主氣門(mén)前主汽母管的泄水門(mén)，上鍋筒壓力升至0.1MPa時(shí)，全開(kāi)連續(xù)排污門(mén)并沖洗水位計(jì)，沖洗程序如下：①開(kāi)放水門(mén)，使汽連管、水連管及玻璃管得到?jīng)_洗。②關(guān)水門(mén)，沖洗汽連管和玻璃管。③開(kāi)水門(mén)，關(guān)汽門(mén)，沖洗水連管。④開(kāi)汽門(mén)，關(guān)放水門(mén)，檢查水位計(jì)水位，與另一水位計(jì)比較，此時(shí)水位計(jì)很快上升，上升后水面微微波動(dòng)，如水位上升緩慢，則應(yīng)分析，再?zèng)_洗。進(jìn)行上述工作時(shí)，操作應(yīng)緩慢，并戴手套，身體不要正對(duì)水位計(jì)玻璃管。

當(dāng)汽壓升至0.2Mpa時(shí)，關(guān)閉主汽母管泄水門(mén)。當(dāng)汽壓升至0.3MPa時(shí)，應(yīng)定期排污一次，排污時(shí)間每個(gè)不準(zhǔn)超過(guò)30秒，汽壓升至0.4MPa時(shí)，對(duì)檢修過(guò)的閥門(mén)等，通知檢修人員熱緊螺栓。將鍋爐升至工作壓力。

3.1.6 暖管與并汽

（1）鍋爐設(shè)備運(yùn)行正常，燃燒穩(wěn)定，開(kāi)啟并汽爐前的疏水門(mén)進(jìn)行疏水。（2）鍋爐蒸汽品質(zhì)合格。（3）并汽鍋爐壓力比母管壓力低0.05～0.1MPa。（4）上鍋筒水位計(jì)維持較低水位。（5）并汽時(shí)應(yīng)注意壓力表、水位計(jì)和主汽流量表的指示值。若主汽管內(nèi)發(fā)生水擊現(xiàn)象，應(yīng)立即停止并汽工作，減弱燃燒，加強(qiáng)主汽母管疏水，待恢復(fù)正常后，重新并汽。（6）在SimuMMI中可直接點(diǎn)擊暖管并汽按鈕，則會(huì)彈出一個(gè)二級(jí)窗口顯示暖管并汽的相關(guān)知識(shí)。

3.1.7 停爐

（1）分層裝置關(guān)到零位將鏈條解開(kāi)，與有關(guān)爐聯(lián)系，逐漸降低負(fù)荷，相應(yīng)降低爐排速度和風(fēng)量，維持汽壓的穩(wěn)定，保持上鍋筒水位在正常水位范圍內(nèi)。（2）改自動(dòng)運(yùn)行為手動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)煤燃盡走凈后，停止送風(fēng)機(jī)運(yùn)行，5分鐘后停止吸風(fēng)機(jī)。打開(kāi)各段放灰擋板進(jìn)行自然通風(fēng)，爐排繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，以便空氣通過(guò)爐排使其冷卻。（3）當(dāng)上鍋筒水位下降時(shí)，應(yīng)向鍋爐進(jìn)水，當(dāng)水位計(jì)升至最高水位時(shí)，停止上水，打開(kāi)再循環(huán)門(mén)，關(guān)連排門(mén)。除渣機(jī)內(nèi)灰渣走凈后停止運(yùn)行。

3.2 故障運(yùn)行

3.2.1 事故故障處理原則

對(duì)于本模型仿真的實(shí)創(chuàng)單位鍋爐系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，匯報(bào)值長(zhǎng)，應(yīng)綜合分析各參數(shù)變化及設(shè)備故障現(xiàn)象，沉著、冷靜、迅速、準(zhǔn)確地處理事故，力求將事故損失減到最小。

3.2.2 緊急停爐

（1）緊急停爐條件。①鍋爐嚴(yán)重滿(mǎn)水，在Visual Graph圖形中水位達(dá)+250mm時(shí)。②鍋爐嚴(yán)重缺水，在Visual Graph圖形中雖經(jīng)補(bǔ)水仍不見(jiàn)上鍋筒水位。③鍋爐所有水位計(jì)損壞，無(wú)法監(jiān)視上鍋筒水位時(shí)。④受熱面爆管，無(wú)法維持上鍋筒水位。⑤鍋爐滅火，在VisualGraph圖形中爐膛溫度無(wú)顯示。

（2）請(qǐng)示停爐條件。①鍋爐主要承壓部件泄露，能基本維持上鍋筒正常水位。②鍋爐主給水調(diào)節(jié)設(shè)備損壞，經(jīng)采取措施無(wú)法維持上鍋筒正常水位時(shí)。③水位計(jì)損壞，短時(shí)無(wú)法修復(fù)時(shí)。④鍋爐爐排壓力達(dá)9KPA，經(jīng)多方調(diào)整無(wú)法恢復(fù)正常時(shí)。⑤當(dāng)爐排溫度大于1 000℃（僅在Simubuilder中顯示），經(jīng)調(diào)整無(wú)效并有上升趨勢(shì)。

（3）緊急停爐操作步驟。①在本公司仿真模型中如鍋爐主聯(lián)鎖未動(dòng)作，應(yīng)立即按“手動(dòng)MFT”按鈕，確認(rèn)各跳閘電機(jī)。②將各自動(dòng)改為手動(dòng)操作，視情況果斷關(guān)斷減溫水手動(dòng)總門(mén)，密切注意汽溫、汽壓變化，調(diào)整上鍋筒水位，爐膛負(fù)壓正常。③若汽機(jī)已打閘，根據(jù)汽壓情況，開(kāi)啟對(duì)過(guò)熱再熱空排汽閥并調(diào)整其開(kāi)度或投入一、二級(jí)旁路。④若停爐后5分鐘內(nèi)不具備恢復(fù)條件，應(yīng)匯報(bào)值長(zhǎng)，停運(yùn)行風(fēng)機(jī)。其余操作按正常停爐處理。

若具備恢復(fù)條件，有必要時(shí)，爐膛吹掃后，重新點(diǎn)火恢復(fù)。由于本步驟是針對(duì)緊急停爐，故不涉及畫(huà)面動(dòng)態(tài)。

（4）緊急停爐注意事項(xiàng)。①鍋爐嚴(yán)重缺水時(shí)，短期內(nèi)嚴(yán)禁向爐內(nèi)進(jìn)水。②發(fā)生煙道再燃燒時(shí)，緊急停爐，及時(shí)停運(yùn)鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)，緊閉煙風(fēng)系統(tǒng)。③鍋爐緊急停爐也盡可能保證床溫變化率小于100℃/h。④迅速斷絕鍋爐燃料，及時(shí)降負(fù)荷運(yùn)行。⑤如果燃燒室內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重泄露，則停止向鍋爐供水，并迅速將爐排床料除掉。⑥如果對(duì)流煙道中發(fā)生泄露，應(yīng)維持正常上鍋筒水位。

3.2.3 鍋爐缺水事故

（1）鍋爐缺水的現(xiàn)象。①水位低于最低安全水位線，或看不見(jiàn)水位，在Visual Graph圖形中水位表玻璃管上呈白色。②水位計(jì)呈全部氣相指示顏色。③高低水位警報(bào)器發(fā)生低水位警報(bào)信號(hào)。在Visual Graph圖形中由Simubuilder后臺(tái)指揮運(yùn)行。④低水位聯(lián)鎖裝置，水位低于規(guī)定值應(yīng)使送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排減速器電機(jī)停止運(yùn)行。關(guān)閉VisualGraph圖形中的干路閥門(mén)。⑤過(guò)熱器汽溫急劇上升，高于正常出口汽溫。⑥鍋爐排煙溫度升高。⑦給水流量小于蒸汽流量，如若因爐管或省煤器管破裂造成缺水時(shí)，則出現(xiàn)相反現(xiàn)象。⑧缺水嚴(yán)重時(shí)，可嗅到焦味。⑨缺水嚴(yán)重時(shí)，從爐門(mén)可見(jiàn)到燒紅的水冷壁管。⑩缺水嚴(yán)重時(shí)，爐管可能破裂，這時(shí)可聽(tīng)到有爆破聲，蒸汽和煙氣將從爐門(mén)、看火門(mén)處噴出。

（2）鍋爐缺水的處理。①通過(guò)“叫水”判為嚴(yán)重缺水時(shí)，必須緊急停爐，嚴(yán)禁盲目向鍋爐給水。②通過(guò)“叫水”判為輕微缺水時(shí)，應(yīng)減少燃料，鼓風(fēng)，引風(fēng)，并緩慢給水。

3.2.4 鍋爐滿(mǎn)水事故

（1）鍋爐滿(mǎn)水的現(xiàn)象。①水位高于最高許可線，或看不見(jiàn)水位，水位表玻璃管內(nèi)顏色發(fā)暗[2]。②雙色水位計(jì)呈全部水相指示顏色。③高低水位警報(bào)器發(fā)生高水位警報(bào)信號(hào)。④過(guò)熱蒸汽溫度明顯下降。⑤給水流量不正常地大于蒸汽流量。⑥分汽缸大量存水，疏水器劇烈動(dòng)作。⑦嚴(yán)重時(shí)蒸汽大量帶水，含鹽量增加，蒸汽管道內(nèi)發(fā)出水錘聲，連接法蘭處向外冒汽滴水。

（2）鍋爐滿(mǎn)水的處理。沖洗水位表，確定是輕微滿(mǎn)水還是嚴(yán)重滿(mǎn)水。方法：先關(guān)閉水位表，水連管旋塞，再開(kāi)啟放水旋塞，如能看到水位線下降，表明是輕微滿(mǎn)水，停止給水，開(kāi)啟排污閥，放至正常水位。嚴(yán)重滿(mǎn)水時(shí)，應(yīng)采取緊急停爐措施。

4 結(jié)論

4.1 利用simuworks軟件對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行仿真，可模擬工業(yè)鍋爐啟動(dòng)、正常運(yùn)行的情況。

4.2 利用simuworks軟件對(duì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行仿真，可模擬工業(yè)鍋爐故障運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)變化，為鍋爐事故的預(yù)防提供分析依據(jù)。

4.3 在此仿真的基礎(chǔ)上連接傳感器可以對(duì)工業(yè)鍋爐的過(guò)程參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示和處理，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制提供技術(shù)支持。

[1]馮維君.鍋爐壓力容器安全知識(shí)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2005：2.

[2]劉清方，沈貞珉.鍋爐安全[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2004：261.