垃圾焚燒發電機組仿真系統的研制與開發

李 祥,王廷舉

(1.安徽皖能環保發電有限公司,合肥 230000；2.博努力(北京)仿真技術有限公司,北京 100085)

0 引 言

隨著我國工業化和城市化的快速發展，城市生活垃圾問題越來越受到人們的關注，當前，我國城市垃圾每年生產量超過2億噸，且近年來基本上以10%的增速在增長。環保的壓力越來越大，國家正大力推進垃圾焚燒發電技術，通過垃圾的焚燒達到垃圾無害化、減容化、資源化的目的[1]。垃圾的干燥、燃燒、燃盡、燃燒產物的處理等問題非常復雜，急需提高從業人員的操作能力和技術素質。目前，最為有效的方法是建立全范圍的垃圾焚燒發電模擬系統，對從業人員進行培訓。

隨著仿真技術的發展，電站仿真培訓系統已經十分普遍，國內在使用的仿真系統不下于千余套[3]。但是，垃圾焚燒機組的仿真系統卻寥寥無幾，即使早期開發了個別垃圾焚燒機組的仿真系統，但從技術上也已比較陳舊。皖能環保長豐垃圾焚燒發電機組的仿真系統委托博努力(北京)仿真技術有限公司開發，經過雙方的密切合作，成功研制了全范圍垃圾焚燒發電機組的仿真系統，為垃圾焚燒發電機組從業人員的培訓提供了幫助。與傳統仿真機相比，長豐垃圾焚燒發電機組仿真系統采用了國際先進的一體化多學科仿真平臺、高精度的機理型垃圾焚燒數學模型、生動逼真的3D電氣就地操作仿真，開發了多種靈活方便的培訓與考核功能，取得了令人滿意的培訓效果。文中將對長豐電廠的仿真培訓系統的技術特點與功能做以簡要介紹。

1 仿真系統的技術特點

1.1 多學科仿真支撐平臺MSP

支撐平臺軟件功能是否強大、友好是仿真機開發成功的關鍵。多學科仿真支撐平臺MSP(Multi-SubjectSimulationPlatform)是博努力公司根據多年來開發仿真機的實踐經驗，吸取國內外仿真支撐軟件優點，自行開發的大型一體化仿真支撐平臺[2]。

MSP能夠為大型復雜系統的連續過程仿真提供設計計算、調試、數據訪問、運行管理等功能。提供多種插件支持，通過增減插件能夠方便地對平臺進行功能擴展和屏蔽；采用以TCP/IP協議為基礎的P2P網絡模型，既能夠將仿真開發和運行部署到更大的范圍上，也能夠通過裁減而滿足多種網絡應用需求；提供可配置的計算調度模式，能夠根據計算機的硬件對仿真計算進行靈活配置，既可以充分的利用多核計算機的計算資源，又可以兼容已有的單核計算機。

1.2 多組份熱力系統模型

國內的火電仿真機的熱力系統模型基本上采用均相流模型，而實際熱力系統是復雜的多組分、兩相流過程。因此，均相流模型很難模擬兩相流的系統運行過程。本項目的熱力系統建模工具PowerBuilder采用六方程模型，對汽相、液相分別建立質量、動量、能量守恒方程，汽相與液相之間的轉變采用漂移流模型。對氣相采用多組分模型，組分包括N2、O2、H2、CO2、CO、CH4、NOx、SO2等十多種成分。PowerBuilder可快速穩定求解熱力系統的壓力和流量，可以準確模擬各種工況，如汽液相非平衡，系統泄漏，管道充水等情況下的系統壓力的快速變化。PowerBuilder所使用的基本方程可表達如下：

(1)質量守恒方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

(3)能量平衡方程

(3)

式中，M為質量；ρ為密度；v為流體速度；fin為流入質量流量；fout為流出質量流量；Cp為定壓比熱；Tin為流入溫度；Tout為流出溫度；fb為蒸發產生的流量；fc為凝結產生的流量frxn為化學反應的流量；L為流道長度；g為重力加速度；ΔP為流道中泵的壓頭差；Pf-w為流體與壁面的壓降；Pf-f為流動壓降；K為壁面損失系數。

在以上三個守恒方程中，質量守恒方程充分考慮了液相的蒸發、汽相的凝結以及可能產生的化學反應。在動量守恒方程中，針對流體的流動狀態，對層流和湍流分別考慮，依據流體的雷諾數(Re)來判斷。Re>2300時，流動為湍流，壓力以流動速度的平方下降。Re<2000 時，流動為層流，且壓降與流動呈比例關系。對于 Re 在 2000～2300 之間，流動在層流和湍流之間變化。最后使用PowerBuilder建立相應的某垃圾焚燒機組的汽水系統仿真模型。

1.3 垃圾焚燒爐膛模型

與常規的發電機組相比，垃圾焚燒發電機組的主要區別在于燃燒系統的不同，其燃料為垃圾,熱值很低；燃燒方式為爐排層狀燃燒，給料方式、燃燒過程以及煙氣成分、灰層特性、飛灰特性也與燃煤鍋爐有顯著不同；爐內溫度場、流場、煙氣成分復雜，一、二次風調節對燃燒影響的規律復雜，因此必須從垃圾燃燒反應機理和煙風流動機理出發，建立機理模型。

由于垃圾組分的多變，對各種成分在不同燃燒情況下的產物的建模必須準確，而不像傳統煤粉燃燒仿真僅需考慮煙氣的傳熱特性和煙氣含氧量就可以了，這大大增加了建模的難度。垃圾燃燒的反應過程很復雜，垃圾燃燒在一定條件下發生的反應分為：(1)水分蒸發；(2)高溫熱解，反應產生揮發分和焦炭；(3)揮發分的氣相反應和焦炭燃燒等。因此需要建立以下仿真模型：

(1)垃圾干燥過程的模擬。

(2)揮發分析出過程與燃燒的模擬。

(3)碳燃燒的模擬。

(4)能量平衡方程。

(5)爐排模擬。

(6)分倉風室模型。

(7)給料系統模擬。

(8)燃燒產物成分的模擬。

1.4 生動逼真的3D電氣就地操作模擬

隨著計算機技術的高速發展，將三維虛擬仿真技術應用到火電廠就地操作仿真成為可能。本項目采用博努力公司開發的3D引擎Surya3D，并采用3DMax建模技術來模擬、構建電氣就地操作場景，包括配電室、開關柜、操作面板等，所有設備的位置以生產現場的位置為依據，所有設備均按照生產環境的實際標高和尺寸制作。可真實形象地反映設備的正常、異常、事故狀態及其動作過程，實現對電氣就地系統的巡視、檢查，實現對虛擬場景中的設備操作、維護保養、故障排除等工作，使操作具有很強的真實感、現場感。

在3D虛擬仿真軟件和2D控制室數值仿真軟件的基礎上，用OPC通訊協議開發了3D與2D仿真系統的交互通訊軟件，實現了3D系統與2D系統的交互嵌入。從而實現電氣系統的3D就地操作仿真。同時，可以在電氣就地虛擬場景中設置安全用具，如各種常用的標示牌，安全帽，消防栓，消防沙，滅火器，圍檔等。下圖是某垃圾焚燒發電機組電氣開關柜的3D仿真。

2 仿真范圍與功能

2.1 仿真范圍

2.1.1 焚燒爐系統

焚燒爐系統仿真范圍主要包括：鍋爐本體、汽水系統、垃圾給料系統、煙風系統、風煙及燃燒系統、吹灰系統、疏水和排汽、儀用空氣系統。

2.1.2 汽輪機系統

汽輪機系統仿真范圍主要包括：汽輪機本體、主蒸汽、抽汽系統、汽輪機調節保安系統、凝結水、除氧器系統、給水系統、加熱器疏水系統、汽機軸封系統和汽機疏水系統、循環水系統、汽輪機潤滑油及油處理系統、凝汽器和抽空氣系統。

2.1.3 電氣系統

電氣系統仿真范圍主要包括：發電機變壓器組、發電機勵磁系統、同期系統、10 kV廠用電系統、380 V廠用電系統、直流系統、UPS系統、電氣控制系統(EMS)。

2.1.4 熱控系統

熱控系統仿真范圍主要包括：數據采集及處理系統(DAS)、順序控制系統(SCS)、爐膛監控系統(FSSS)、汽輪機電液控制系統、模擬量控制系統(MCS)、汽輪機緊急跳閘系統(ETS)等。

2.1.5 煙氣處理系統

垃圾焚燒的煙氣處理系統，采用非選擇性催化還原法SNCR和催化還原法(SCR)脫硝裝置，在鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于80%，脫硝還原劑采用20%的氨水。

其仿真范圍包括氨區和SNCR/SCR反應區，氨區包括氨卸料系統、氨水儲存系統、氨水蒸發系統、事故噴淋系統、冷卻噴淋系統、廢氨吸收系統；SCR反應區包括氨氣/空氣混合系統、氨噴射系統、反應器系統、控制系統、壓縮空氣系統等。

2.1.6 滲濾液系統

垃圾滲瀝液處理系統的工藝一般為預處理、UBF厭氧、外置式膜生物反應器(MBR，兩級硝化反硝化+超濾)、兩級納濾(NF)、反滲透(RO)。

其仿真范圍包括：預處理系統、雙向管道系統、UBF厭氧系統、MBR系統、兩級納濾(NF)、反滲透(RO)、納濾濃縮液處理系統、離心機系統、應急火炬系統、液氧罐系統。

2.2 仿真系統的功能

2.2.1 機組正常運行工況仿真

(1)從冷態、溫態、熱態到滿負荷的啟動操作。

(2)機組從滿負荷的停機操作。

(3)其他指定工況啟、停或升、降負荷的操作。

2.2.2 機組異常運行工況仿真

仿真機能模擬垃圾焚燒機組實時運行中各種異常和故障情況，并有正確的反應結果。仿真機各種組合故障數千個，對于故障和事故，學員可在操作員站上進行操作處理。

2.2.3 操作票演練功能

針對垃圾焚燒發電機組的仿真操作訓練，將機組的啟動、停止、各種狀態的運行、以及故障模擬操作分為若干個工作任務，對這些任務一一編寫操作票，可對每一個任務進行單獨的操作培訓。在培訓過程中，采用演示、練習交替，任務驅動，目標導向的培訓模式。學員培訓時，只需要在操作票上點擊右鍵，即可以彈出“演示模式”、“練習模式”的選項(如圖所示)，實現培訓的演示與練習相結合的模式，針對學員的個人需要進行不同的操作票練習，快速提高學員的技術水平和操作能力。

圖 操作票培訓示例

2.2.4 考核功能

配合仿真機的操作培訓，本項目開發了自動考評系統軟件。可以在局域網內同時或分別進行在線考評，可以自動向任意一個單機用戶或一個協同培訓群分發試卷，并自動生成考評結果。考評系統由考題模板、模塊化考題、自定義考題、試卷庫四部分組成。

在考評時，教師選擇考卷可同時對多個學員進行考評，考評結束后直接得出成績匯總表和含有學員信息的考評報告。考評報告的內容包括：

(1)考試信息：包括考生的姓名、得分、考試開始時間、結束時間。

(2)考題信息：包括考題的名稱、得分、難度、判分的細則。

3 仿真精度及效果

垃圾焚燒發電機組仿真系統采用逼真的數學模型，符合實際機組全工況全物理過程的機理性模型，遵守質量、能量和動量守恒定律。如汽水系統建模采用了高精度的六方程模型，對汽相、液相分別建模，燃燒模型將爐排沿運動方向分為干燥段、燃燒段、燃盡段，每段又分為若干子段進行建模，共計分為120個子段，確保了仿真模型的精度。仿真機組的重要參數，如：主蒸汽壓力、溫度、流量，出口煙氣溫度，給水壓力、溫度、流量，機組功率等的靜態精度在0.5%內，動態精度在5%內，完全可滿足仿真培訓的要求。

4 結束語

垃圾焚燒發電機組仿真模擬的關鍵在于垃圾燃燒過程、傳熱、燃燒產物、煙氣處理系統的建模，同時開發了3D就地仿真系統。在培訓功能上開發了操作票演練功能和自動考評系統，這是博努力公司的特有技術，大大提高了仿真培訓的效率和針對性。垃圾焚燒機組仿真系統已正式驗收并投入運行，員工培訓效果良好,并為垃圾處理和環保事業做出重要貢獻。