大型火電機(jī)組仿真支撐系統(tǒng)淺析

郭曉明張長(zhǎng)志

（1國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 江蘇蘇州 215163 2國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384）

大型火電機(jī)組仿真支撐系統(tǒng)淺析

郭曉明1張長(zhǎng)志2

（1國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 江蘇蘇州 215163 2國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384）

本文主要介紹國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組仿真支撐系統(tǒng)，并以STAR-90仿真支撐系統(tǒng)為例，對(duì)我國(guó)大型火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明

火電機(jī)組；培訓(xùn)；仿真支撐系統(tǒng)

隨著我國(guó)大型火電機(jī)組的不斷建設(shè)，分散控制系統(tǒng)（DCS）已成為為電站建設(shè)的主力機(jī)組。然而伴隨自動(dòng)化控制程度的提高，運(yùn)行人員對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程干預(yù)機(jī)會(huì)卻大幅下降，從而造成運(yùn)行人員的技術(shù)水平停滯不前，如此設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性難以得到保證。在此基礎(chǔ)上，如何提高運(yùn)行人員在面對(duì)機(jī)組運(yùn)行異常工作情況的判斷處理能力變得尤為重要。

1 火力發(fā)電系統(tǒng)仿真

1.1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的發(fā)展

隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)和輔助建模技術(shù)已得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，如此20世紀(jì)70年代開(kāi)始在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的美國(guó)、日本等國(guó)家逐步發(fā)展出仿真技術(shù)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真科學(xué)研究，并對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)。

20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)開(kāi)始了對(duì)火力發(fā)電仿真技術(shù)的引進(jìn)和研究，到90年代有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，至此在2000年后相繼推出了集機(jī)、電、爐于一體的仿真控制系統(tǒng)培訓(xùn)平臺(tái)。

1.2 火電系統(tǒng)設(shè)備的仿真技術(shù)操作培訓(xùn)

仿真系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組的全范圍仿真，在仿真機(jī)平臺(tái)上既可以完成火電機(jī)組正常工況的操作運(yùn)行培訓(xùn)，如機(jī)組冷態(tài)啟停仿真，機(jī)組運(yùn)行中的手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)整仿真等操作訓(xùn)練；亦可模擬運(yùn)行故障，讓學(xué)員完成各工況下碰到機(jī)組異常問(wèn)題時(shí)的操作訓(xùn)練，根據(jù)現(xiàn)象判斷和處理事故；同時(shí)學(xué)員也可通過(guò)仿真機(jī)直接獲得各工況下機(jī)組運(yùn)行的參數(shù)，通過(guò)與運(yùn)行指標(biāo)比較進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2 火電系統(tǒng)設(shè)備的虛擬仿真

仿真機(jī)是以計(jì)算機(jī)為核心，其采用脫離現(xiàn)場(chǎng)的仿真技術(shù)，模擬生產(chǎn)過(guò)程。

2.1 仿真支撐系統(tǒng)的硬件

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件是為了模擬控制室的環(huán)境，使學(xué)員能夠真實(shí)的置身于其中。通常包括核心計(jì)算機(jī)，工程師站、教練員站、DCS操作員站，控制盤臺(tái)投影，就地系統(tǒng)等。如圖1所示。

圖1 火電機(jī)組仿真機(jī)基本配置圖

2.1.1 核心計(jì)算機(jī)/監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)/就地站計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是仿真機(jī)的核心硬件，其承載著所有軟件的運(yùn)行。在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的演變歷史中，仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)施也經(jīng)歷了不斷的更新?lián)Q代，從早期專用的小型機(jī)過(guò)渡到小型計(jì)算機(jī)、工作站和服務(wù)器。

2.1.2 工程師站/教練員站

工程師可在工程師站構(gòu)建操作員站軟件，利用工程師軟件進(jìn)行建模、整定參數(shù)、設(shè)定控制系統(tǒng)和運(yùn)行方式。因?yàn)樵诜抡嬷蜗到y(tǒng)中工程師站和教練員站硬件相同，所以工程師站同時(shí)可用作教練員站使用，在實(shí)際仿真培訓(xùn)中具有極大的可操作性。

教練員站在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中供學(xué)員使用，提供培訓(xùn)的硬件支持。因此，在教練員站中學(xué)員可進(jìn)行火電生產(chǎn)各種實(shí)際操作的模擬。

2.1.3 DCS操作員站

在STAR-90仿真支撐系統(tǒng)中,使用微機(jī)代替DCS系統(tǒng)的操作員站硬件。對(duì)實(shí)際的顯示器和工業(yè)控制鍵盤，選用同實(shí)際設(shè)備有相同尺寸和分辨率的顯示器、鍵盤設(shè)備代替或仿制,并保證從外形、顏色和功能上與真實(shí)電廠相一致。

2.1.4 控制盤臺(tái)投影系統(tǒng)

盤臺(tái)設(shè)備是仿真系統(tǒng)的人機(jī)界面，在仿真培訓(xùn)中，可以根據(jù)需要選擇1:1完全模擬實(shí)際電廠的盤臺(tái)。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母脑欤蛊錆M足仿真系統(tǒng)的使用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，電廠的控制盤臺(tái)向小型化發(fā)展，而使用屏幕投影已然成為未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。因此，在STAR-90仿真支撐系統(tǒng)中同樣采用大屏幕投影技術(shù)。

2.1.5 就地系統(tǒng)操作員站

電廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)組運(yùn)行中的部分控制程序操作并不在主控制室內(nèi)完成，如此為了真實(shí)模擬機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程，在STAR-90仿真支撐系統(tǒng)中，將部分就地操作項(xiàng)目設(shè)置在就地系統(tǒng)操作員站上。

2.2 仿真支撐系統(tǒng)的軟件

一次完整的仿真過(guò)程，就是將仿真資源進(jìn)行關(guān)聯(lián)調(diào)用的過(guò)程，其涉及到大量的配套仿真資源：組態(tài)、建模、算法、參數(shù)優(yōu)化及運(yùn)行結(jié)果等。該軟件結(jié)構(gòu)大體如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 模塊化

2.2.1.1 模塊組態(tài)

根據(jù)設(shè)備在電廠生產(chǎn)中存在的意義，利用相應(yīng)的算法對(duì)其進(jìn)行組態(tài)，形成模塊組態(tài)。在此基礎(chǔ)上，再按照各設(shè)備之間的相互關(guān)系，將對(duì)應(yīng)的模塊進(jìn)行嵌入連接，從而得到模塊組態(tài)圖。在STAR-90仿真支撐系統(tǒng)的模塊組態(tài)中，同種算法可以供不同模塊使用，但其模塊名不可以相同。

2.2.1.2 模塊參數(shù)化

參數(shù)化是指根據(jù)模塊所表達(dá)的具體設(shè)備特性，在仿真系統(tǒng)中對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、賦值，如此使該模塊在模擬過(guò)程中可以獲得更加貼近真實(shí)設(shè)備的執(zhí)行速率。具體到模型調(diào)試時(shí)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

2.2.1.3 模型調(diào)試

模型調(diào)試是為了提高仿真過(guò)程的精度，使其在不同工況下均能滿足仿真模擬的要求，在此過(guò)程中需要完成大量的工作。

2.2.2 算法

仿真支撐系統(tǒng)通常提供兩種算法：過(guò)程算法和通用算法，其中過(guò)程算法主要針對(duì)火電機(jī)組中的常用設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、泵等；而通用算法則是指完成模型運(yùn)算的算術(shù)運(yùn)算算法和邏輯運(yùn)算算法。

3 仿真支撐系統(tǒng)的原理

火電機(jī)組仿真支撐系統(tǒng)是將一個(gè)完整的火電機(jī)組的特性用數(shù)學(xué)的方法描述出來(lái)，由模塊組態(tài)而成。

根據(jù)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)中各設(shè)備的相互關(guān)系對(duì)模塊進(jìn)行相應(yīng)的連接，依據(jù)能量守恒原理，建立1:1全過(guò)程的模塊化模型，對(duì)電廠生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的各種工況進(jìn)行全方位的模擬。在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組的冷態(tài)啟停、正常運(yùn)行調(diào)整及各種工況下的常見(jiàn)的事故進(jìn)行仿真。

4 仿真支撐系統(tǒng)的培訓(xùn)功能

STAR-90仿真支撐系統(tǒng)具有豐富的教練員功能，在學(xué)員培訓(xùn)時(shí)，教練員可以方便有效的操作，監(jiān)視整個(gè)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行。安排對(duì)學(xué)員的培訓(xùn)過(guò)程是仿真器實(shí)現(xiàn)其培訓(xùn)功能的得力手段。因此在許多仿真支撐系統(tǒng)中都設(shè)置了豐富的教練員功能。例如，模型的凍結(jié)與恢復(fù)運(yùn)行，初始工況的載入與隨機(jī)存貯，模型的加/減速，加入故障，遠(yuǎn)方操作、重演實(shí)時(shí)多歷史曲線顯示，棒圖顯示，過(guò)程顯示，事件記錄等。

5 仿真支撐系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上的仿真支撐系統(tǒng)還存在一定的問(wèn)題。

5.1 是全范圍仿真支撐系統(tǒng)在同一套仿真支撐系統(tǒng)上集合了機(jī)、爐、電運(yùn)行特性的仿真機(jī)控制系統(tǒng)的仿真。采用這種技術(shù)的仿真支撐系統(tǒng)需要兼顧機(jī)、爐模型，相關(guān)的控制模塊往往比較的單一。

5.2 全范圍仿真支撐系統(tǒng)十分的龐大，運(yùn)行時(shí)可靠性相對(duì)而言較差，問(wèn)題查找時(shí)不太方便。

5.3 在使用DCS虛擬軟件時(shí)，我們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)能夠提供虛擬控制軟件的DCS并不多，而且即使能夠提供，也只能針對(duì)一種DCS，通用性較差，擴(kuò)展性也不強(qiáng)。

[1]STAR-90仿真系統(tǒng)介紹.保定:保定華仿科技有限公司.

[2]吳科,呂劍虹.通用型熱工控制仿真支撐系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].南京:江蘇電機(jī)工程出版社,2008,7:66-69.

[3]李樹(shù)鴻,張炳達(dá),劉長(zhǎng)勝.變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)[J].天津:天津電力, 1995,2:15-16.

郭曉明（1986—），男，漢族，江蘇連云港人。助理工程師，天津科技大學(xué)，雙學(xué)士。現(xiàn)主要從事發(fā)電機(jī)組熱工調(diào)試及專利審查工作。