數(shù)學(xué)建模鍋爐節(jié)能操作仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及裝置

摘要：為提高司爐工的節(jié)能操作水平，以燃燒調(diào)整為培訓(xùn)重點(diǎn)，提出一種節(jié)能操作仿真培訓(xùn)原理及裝置。依據(jù)質(zhì)量及能量守恒原理，采用分塊建模方法分析DZL4-1.25-All鍋爐的數(shù)學(xué)模型，采用vc++編制仿真程序并結(jié)合真實(shí)能效測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)設(shè)計(jì)由鍋爐實(shí)體物理模型及PLC傳感檢測(cè)電控系統(tǒng)組成的硬件結(jié)構(gòu)，采用組態(tài)技術(shù)開發(fā)上位機(jī)仿真培訓(xùn)考核軟件。試點(diǎn)應(yīng)用效果表明：研制的裝置能有效實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐節(jié)能操作技術(shù)的仿真培訓(xùn)，提高培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)建模；鍋爐節(jié)能；仿真培訓(xùn)；模擬機(jī)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2015）03-0073-05

0 引言

工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)裝置是一種由縮小比例的鍋爐實(shí)體物理模型和后臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)組成的半物理式仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)，又稱為鍋爐模擬機(jī)。由于這類系統(tǒng)中沒有燃料、水、汽等介質(zhì)，也不存在真正的燃燒、蒸發(fā)等物理化學(xué)過程；所以，利用鍋爐模擬機(jī)對(duì)司爐人員的實(shí)際操作技能進(jìn)行培訓(xùn)考核，能在保證人員安全性的基礎(chǔ)上取得較好的培訓(xùn)效果。

國(guó)外的大型企業(yè)很早就利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)了鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，出于技術(shù)保護(hù)的考慮并沒有公開相關(guān)裝置，也未見報(bào)道。近幾年國(guó)內(nèi)在鍋爐模擬機(jī)方面開展了一些研究，研究單位以特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、石油化工企業(yè)、高校研究所為主，不少單位開展了鍋爐模擬機(jī)的研制。然而，這些模擬機(jī)系統(tǒng)仍存在功能單一、爐型單一、可靠性和可維護(hù)性欠佳、仿真效果有待提高等缺陷；尤其是在功能方面，其設(shè)計(jì)理念仍停留在安全操作仿真培訓(xùn)上，即以工業(yè)鍋爐的正確安全操作為準(zhǔn)則，僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)操作正確性的培訓(xùn)，無法對(duì)操作的節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文從操作節(jié)能的角度出發(fā)，針對(duì)具有較大節(jié)能空間的DZL型工業(yè)燃煤鍋爐，研制一種基于節(jié)能操作仿真培訓(xùn)原理及有機(jī)聯(lián)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案及實(shí)現(xiàn)原理

1.1 系統(tǒng)方案

燃煤鍋爐的節(jié)能操作包括兩步，首先對(duì)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷和分析，然后再根據(jù)鍋爐的狀態(tài)采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，目的是使鍋爐保持高效、穩(wěn)壓、穩(wěn)水位運(yùn)行用。燃燒調(diào)整是鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)節(jié)能操作技能培訓(xùn)的重點(diǎn)內(nèi)容。因此，所研制的模擬機(jī)系統(tǒng)在硬件方面需要對(duì)爐排的進(jìn)煤量、爐膛的進(jìn)風(fēng)量、鍋筒的進(jìn)水量、汽包的出汽量進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算；在軟件方面需要基于燃煤鍋爐全工況運(yùn)行精確完整數(shù)學(xué)模型的數(shù)字仿真程序，根據(jù)設(shè)置參數(shù)，如煤層高度、爐排速度、風(fēng)門開度等，計(jì)算出作為反饋信號(hào)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的熱效率、排煙溫度、過量空氣系數(shù)、爐體外表溫度、爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力、水位、煤斗煤余量、爐膛火焰大小等熱力學(xué)參數(shù)，使學(xué)員操作時(shí)各物理量之間建立聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

DZL鍋爐節(jié)能操作仿真培訓(xùn)模擬機(jī)的系統(tǒng)方案由鍋爐實(shí)體物理模型、操作控制臺(tái)、傳感檢測(cè)控制器、仿真微機(jī)4部分組成。其中，鍋爐模型上的各操作機(jī)構(gòu)是在真實(shí)的閥門、儀表、輔機(jī)內(nèi)部安裝的各類傳感器、數(shù)碼顯示裝置，經(jīng)電氣化改裝而成。操作控制臺(tái)上布置有操作按鍵、儀表指示燈，在保留真實(shí)鍋爐控制臺(tái)布局的基礎(chǔ)上配置一臺(tái)用來顯示鍋爐運(yùn)行熱力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)曲線的觸摸屏顯示器。仿真微機(jī)上運(yùn)行著包含燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序及操作記錄評(píng)分程序的培訓(xùn)考核軟件，本系統(tǒng)每臺(tái)模擬機(jī)配置一臺(tái)仿真微機(jī)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用C/S構(gòu)架，仿真微機(jī)通過以太網(wǎng)將學(xué)員信息、考試信息等存儲(chǔ)于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)服務(wù)器也可隨時(shí)調(diào)用各仿真微機(jī)的監(jiān)控界面。在操作控制臺(tái)內(nèi)，用傳感檢測(cè)控制器集成處理傳感顯示元件和仿真微機(jī)之間的信息交換。

1.2 實(shí)現(xiàn)原理

節(jié)能操作仿真培訓(xùn)過程的信號(hào)流如圖1所示，鍋爐設(shè)置為低效運(yùn)行的初始狀態(tài)工況下，學(xué)員通過觀察鍋爐模型及操作控制臺(tái)上的各類顯示裝置以及觸摸屏顯示器上呈現(xiàn)的熱力學(xué)參數(shù)曲線，對(duì)鍋爐的運(yùn)行工況及低效原因做出分析和判斷，然后調(diào)節(jié)鍋爐模型上相關(guān)的操作機(jī)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)模擬鍋爐出現(xiàn)的狀況，對(duì)排氣閥、安全閥、排污閥等進(jìn)行操作。安裝在操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部的傳感器將操作產(chǎn)生的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成狀態(tài)信號(hào)，再由傳感檢測(cè)控制器將各狀態(tài)信號(hào)處理成操作信號(hào)，通過以太網(wǎng)輸入仿真微機(jī)。仿真微機(jī)一方面根據(jù)操作記錄評(píng)分程序判斷學(xué)員操作的正誤，另一方面依托燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序計(jì)算鍋爐仿真運(yùn)行的各參數(shù)信號(hào)，如蒸汽壓力、水位、爐膛火焰大小、熱效率、排煙溫度、爐膛負(fù)壓等，并輸出給傳感檢測(cè)控制器及控制臺(tái)顯示器。控制器將參數(shù)信號(hào)處理成驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出至鍋爐模型上的顯示裝置及儀表，觸摸屏顯示器將參數(shù)信號(hào)顯示成動(dòng)態(tài)曲線形式，從而將鍋爐的運(yùn)行工況反饋給學(xué)員，使學(xué)員做出進(jìn)一步的判斷和調(diào)節(jié)。當(dāng)培訓(xùn)練習(xí)完成后，操作記錄評(píng)分程序根據(jù)操作時(shí)間內(nèi)鍋爐仿真運(yùn)行的平均熱效率、平均排煙溫度以及操作步驟進(jìn)行評(píng)分，并在顯示器上顯示得分和扣分信息。依此實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐節(jié)能操作技能及安全操作技能的仿真培訓(xùn)。

2 DZL鍋爐數(shù)學(xué)模型分析

精確的數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能模擬操作必不可少。以某鍋爐廠型號(hào)為DZIA-I.25-AII鍋爐為對(duì)象，根據(jù)燃料及煙氣的流程采用分塊建模法將燃煤鏈條鍋爐分成8個(gè)子模型，分別建立燃料模型、燃料燃燒模型、爐膛煙溫模型、第1對(duì)流管束模型、第2對(duì)流管束模型、省煤器模型、鍋爐負(fù)壓模型以及汽包模型。

2.1 燃燒過程建模

燃燒模型是鍋爐建模的核心，根據(jù)煤燃燒過程可分成水分析出、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭燃燒和灰分4個(gè)子模型，建模依據(jù)質(zhì)量及能量守恒原理，下面以水分析出過程為例介紹建模方法。

根據(jù)質(zhì)量守恒可得：式中：M，、M2——水分析出前后煤的質(zhì)量；

——析出的水分質(zhì)量。

根據(jù)能量守恒可得：式中：——水分析出前后燃煤具有的熱量；

——煙氣輻射、前拱輻射以及水冷壁

輻射的熱量；

——煤的對(duì)外輻射熱量、風(fēng)室進(jìn)風(fēng)吸

收的熱量以及水分析出過程吸收的熱量。

燃煤的熱量可表示為式中：——常溫，設(shè)為298.15K；

——水分析出前后燃煤的溫度；

——水分析出前后燃煤的比熱。

根據(jù)熱輻射公式，各項(xiàng)熱輻射能量可表示為式中：——爐膛煙氣、前拱、水冷壁及煤

的表面輻射系數(shù)；

——斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)；

——爐膛煙氣、前拱、水冷壁及煤

的溫度，其中；

——煙氣輻射、前拱、水冷壁及煤的

面積；

t——水分析出過程所需時(shí)間，取，其中

Lf為第一風(fēng)室對(duì)應(yīng)的爐排長(zhǎng)度，v為爐排運(yùn)動(dòng)

速度。式中：——溫度等于時(shí)的空氣焓值；

——第一風(fēng)室的進(jìn)風(fēng)速度。式中為溫度等于/2時(shí)的水蒸汽焓值。

根據(jù)式（l）-式（6），假設(shè)一個(gè)T2的初始值，采用數(shù)值迭代方法可算出經(jīng)過水分析出過程后燃煤的溫度T2。

2.2 仿真程序編制及模型驗(yàn)證

在數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上采用C++語言編寫燃煤鍋爐的數(shù)字仿真程序，并采用VC開發(fā)工具編制用戶界面，如圖2所示。根據(jù)真實(shí)鍋爐的各項(xiàng)參數(shù)，依據(jù)該爐型的熱力計(jì)算設(shè)計(jì)書、熱工能效測(cè)試數(shù)據(jù)、日常運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)等對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試及優(yōu)化修正。表1為在額定工況下使用所編制的仿真程序計(jì)算的鍋爐參數(shù)與熱力計(jì)算書的對(duì)比，可見所建數(shù)學(xué)模型的實(shí)用性和準(zhǔn)確性基本得到驗(yàn)證。

3 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

鍋爐模擬機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)是指燃煤鍋爐實(shí)體物理模型，由DZL鍋爐本體、安裝在本體上的閥門儀表和安全附件以及配套的附屬設(shè)備等組成。

對(duì)于鍋爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，雖然直接采用真實(shí)的燃煤鍋爐本體最為真實(shí)，但是真實(shí)的燃煤鍋爐里最小規(guī)格的產(chǎn)品，其本體部分的質(zhì)量和體積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通培訓(xùn)教室的承載和空間限制，并給運(yùn)輸和移動(dòng)帶來不便；此外，真實(shí)燃煤鍋爐的外包結(jié)構(gòu)是封閉的，不利于向?qū)W員清晰地展現(xiàn)鍋爐內(nèi)部爐膛結(jié)構(gòu)。本課題鍋爐本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路是以真實(shí)的4t/h蒸發(fā)量的單鍋筒縱置式鏈條爐排燃煤鍋爐為原型，在尺寸上按一定比例進(jìn)行縮小，在材料上進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?jiǎn)和替換，以便于控制模型的整體質(zhì)量和體積。鍋爐本體由真實(shí)運(yùn)動(dòng)的鏈條爐排、鍋筒及外包結(jié)構(gòu)組成，鏈條爐排包括爐排底座、煤斗、爐排驅(qū)動(dòng)裝置，爐排底座上設(shè)置有1個(gè)觀火窗、4個(gè)分段調(diào)風(fēng)門以及4根清灰桿；鍋筒的外包結(jié)構(gòu)上設(shè)置有撥火門、爐膛觀看窗、鍋筒觀看窗等剖析結(jié)構(gòu)，能使學(xué)員直觀地掌握燃煤鍋爐的內(nèi)部構(gòu)造。

安裝在本體上的閥門儀表和安全附件均采用真實(shí)部件，目的是增強(qiáng)用戶的操作真實(shí)感，其中閥門包括安全閥、主汽閥、排氣閥、快開排污閥、慢開排污閥、給水閥、止回閥等，儀表包括水位表、水位報(bào)警器、壓力表、給水壓力表等。

配套的附屬設(shè)備采用真實(shí)的部件外殼，從成本和質(zhì)量考慮去掉真實(shí)輔機(jī)部件的內(nèi)部元件和材料.附屬設(shè)備包括鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、除塵器、煙氣管道、給水泵、除渣機(jī)等。

3.2 電控系統(tǒng)

3.2.1 傳感檢測(cè)子系統(tǒng)

模擬機(jī)的傳感檢測(cè)子系統(tǒng)由安裝在鍋爐本體、儀表閥門、輔機(jī)內(nèi)部以及控制臺(tái)上的傳感檢測(cè)元件和數(shù)碼顯示裝置組成，是電控系統(tǒng)的輸入輸出裝置。除了要求采用合適的傳感、顯示元件來實(shí)現(xiàn)各類機(jī)械信號(hào)的采集及數(shù)碼信號(hào)的顯示外，還需要以隱蔽的方式將元件安裝在內(nèi)部以達(dá)到美觀真實(shí)、方便維護(hù)的要求。

3.2.2 傳感檢測(cè)主控制器

對(duì)于鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)，主控制器的作用是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換、處理以及簡(jiǎn)單的運(yùn)算。考慮到PLC具有穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易用、模塊化、接口豐富、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，加上本系統(tǒng)涉及大量數(shù)字量和模擬量的輸入輸出；因此，選用三菱FX系列PLC作為主控制器，配置情況如表2所示。系統(tǒng)總共可以控制64路數(shù)字量輸入，32路數(shù)字量輸出，12路模擬量輸入，8路模擬量輸出以及實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。

4 仿真培訓(xùn)考核計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)

運(yùn)行在上位機(jī)的仿真培訓(xùn)考核軟件是整套節(jié)能操作鍋爐模擬機(jī)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)仿真運(yùn)算和智能考核評(píng)分兩大作用，同時(shí)也為系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面。本文采用國(guó)內(nèi)主流的工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)一套基于C/S構(gòu)架的仿真培訓(xùn)考核計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。軟件的開發(fā)過程包括設(shè)備定義、圖形界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)造、動(dòng)畫連接建立、運(yùn)行調(diào)試5個(gè)步驟。

開發(fā)的軟件內(nèi)容包括調(diào)試演示、培訓(xùn)考核、信息查詢、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)4個(gè)功能模塊；其中調(diào)試演示模塊可對(duì)鍋爐運(yùn)行時(shí)各子系統(tǒng)的流程進(jìn)行演示，此外當(dāng)系統(tǒng)需要維護(hù)時(shí)可支持軟硬件的調(diào)試；培訓(xùn)考核模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員節(jié)能與安全操作技能的訓(xùn)練，考核試題包括節(jié)能操作和安全操作兩部分，當(dāng)選擇考核時(shí)成績(jī)才計(jì)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；信息查詢模塊可實(shí)現(xiàn)學(xué)員信息、培訓(xùn)考核信息、試題信息等的查詢；數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)模塊包含學(xué)員信息錄入、試題編寫、試卷編寫等功能。圖3為軟件中的組態(tài)監(jiān)控界面。此外，上位機(jī)軟件采用OPC標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)用基于燃煤鍋爐數(shù)學(xué)模型所編寫的DZL鍋爐數(shù)字仿真程序，實(shí)現(xiàn)與鍋爐熱力學(xué)模型的數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)束語

采用多傳感器信息融合技術(shù)、組態(tài)編程技術(shù)及分塊數(shù)學(xué)建模方法研制了一套基于燃煤鍋爐數(shù)學(xué)建模的DZL鍋爐節(jié)能操作仿真培訓(xùn)裝置。該系統(tǒng)由高仿真度的鍋爐實(shí)體物理模型、高可靠性及集成度的PLC傳感檢測(cè)電控系統(tǒng)以及集成燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序的智能化仿真培訓(xùn)考核軟件組成。通過試點(diǎn)應(yīng)用驗(yàn)證了仿真培訓(xùn)裝置的操作感、仿真度、集成度及可靠性，應(yīng)用效果表明所設(shè)計(jì)的鍋爐仿真培訓(xùn)裝置能有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)燃煤鍋爐節(jié)能操作技術(shù)的培訓(xùn)考核，提高了培訓(xùn)效果，在特種設(shè)備作業(yè)人員培訓(xùn)考核領(lǐng)域具有一定的貢獻(xiàn)意義。