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1．概述

    仿真是以工業(yè)或社會、自然界的客觀事物為對象，通過數學模型研究它們的內在規(guī)律，顯現、預測它們的運動現象，用以分析、掌握、利用好這些事物。系統(tǒng)仿真學目前已經發(fā)展成為以建模理論、數值分析、辨識和評估理論為基本理論，以計算機技術、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體技術、軟件工程、信息處理、自動控制及系統(tǒng)工程等相關技術為支撐的綜合性交叉學科。作為一個新興的科學分支，仿真技術近些年來在國內外得到迅速發(fā)展，特別在軍事、電力、化工、冶金領域更得到廣泛應用。

    濟南鋼鐵股份有限公司能源管理控制中心（EMCC，Energy Management & Control Center）的煤氣管控系統(tǒng)采用離線仿真技術，針對全廠煤氣建成離線仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)將作為濟鋼整個煤氣系統(tǒng)的分析研究平臺，為優(yōu)化運行、事故分析、技術改進和設計驗證提供試驗“軟”環(huán)境，并為下一階段的“仿真、控制、信息”三位一體的在線仿真和在線決策控制整體解決方案作技術準備，以期最終達到節(jié)能降耗，優(yōu)化資源利用，調整能源結構，降低生產成本的目的。

2．煤氣離線仿真系統(tǒng)可研究的內容

    2.1進行煤氣平衡計算

    根據煤氣系統(tǒng)的數學模型，可以實時計算出整個煤氣管網的煤氣平衡狀況，每一時間煤氣系統(tǒng)的節(jié)點壓力和溫度、管道質量和流量、氣柜儲量、閥門開度、風機運行狀態(tài)、放散量、泄漏量、報警信息等都可以在滿足質量守恒和能量守恒原理的基礎上逼真地反映系統(tǒng)的變化。

    2.2優(yōu)化全廠煤氣系統(tǒng)的產出量與使用量

    由于煤氣系統(tǒng)的產出量是不斷變化的，在一定的產出量下如何分配煤氣的使用量，達到一個合理經濟的平衡是一個需要研究的課題。一個優(yōu)化的分配方案可以通過在仿真系統(tǒng)中進行控制系統(tǒng)的調節(jié)研究而得到。該系統(tǒng)除了滿足煤氣零放散、保證用戶熱值等要求外，還能自動尋優(yōu)，根據當前的工況修正參數設定值和輸出指令，以適應各種不同的工況變化，保持穩(wěn)定運行，使煤氣系統(tǒng)達到最佳的經濟運行狀態(tài)。

    同時，針對一定的生產計劃，如何安排和調度全廠煤氣系統(tǒng)的生產，使產出與使用處于對應的最優(yōu)經濟平衡點，為宏觀調控提供決策參考，也可以在該仿真系統(tǒng)中進行研究的。

    2.3研究煤氣零放散的解決方案及混合煤氣的最佳配比

    通過綜合某一工況或某一時刻下各路煤氣的運行特性數據，輸入仿真系統(tǒng)，經過計算求出可供輸出的煤氣壓力和產出量，并且根據需求量的動態(tài)變化，結合不同用戶對煤氣熱值的不同需要，研究混合煤氣的最佳配比以及氣柜儲存量的變化特點，進行煤氣零放散的解決方案的研究。

    2.4對煤氣管網的設計和改造提供試驗研究平臺

    隨著濟鋼技術的進步和鋼鐵產量的提高，以及煤氣管道和設備日積月累的銹蝕、老化，煤氣管網面臨不斷擴充和改造的需要。仿真系統(tǒng)能作為煤氣管網的試驗研究平臺，對管網的設計方案和改造方案進行驗證和預測，以經濟和安全的手段為獲得最佳的設計和改造方案提供科學的依據。

    2.5研究煤氣系統(tǒng)控制自動化的方案

    在煤氣系統(tǒng)的實際運行中，在對象特性不斷變化的情況下，如果采用一套固定的控制策略控制效果往往不好，甚至不能實現自動控制。在該仿真系統(tǒng)上進行煤氣系統(tǒng)控制自動化方案的研究是可行的，可信的：
首先，從理論來說，通過對機理數學模型的求解，采用多種算法的綜合模式尋優(yōu)，可以建立不同控制模式下的準確的控制傳遞函數，避開強耦合的多變量之間的相互影響，使得控制回路響應以及被調量都能快速地到達穩(wěn)定區(qū)間。
其次，隨運行時間增長和歷史數據的積累，仿真系統(tǒng)對系統(tǒng)特性的反映更準確，可以計算出大量無法測量的內部參數。在現場采集數據和仿真實時數據的支持下，可以對預制的多種控制方案進行試驗和優(yōu)選
再次，在仿真系統(tǒng)上可以進行控制組態(tài)參數的優(yōu)化和整定。

    2.6通過對煤氣流動的計算實現煤氣系統(tǒng)運行狀況的預測

    通過對煤氣產出量和使用量的分析，同時對全系統(tǒng)管網煤氣流動進行計算，可以做出各煤氣分系統(tǒng)的供求趨勢和煤氣柜儲備狀態(tài)的短、中期預測，以便及時采取應對措施，防患于未然。

    2.7驗證煤氣系統(tǒng)操作規(guī)程

    離線仿真系統(tǒng)的研制充分考慮到了現場煤氣系統(tǒng)的操作特點，對操作規(guī)程或事故處理規(guī)程涉及到的操作步驟予以仿真，從而可將仿真系統(tǒng)用于規(guī)程制定和修改的驗證。對于事故處理，可在系統(tǒng)中反復做操作試驗，確定最佳處理方法，落實處理規(guī)范。

    2.8進行煤氣系統(tǒng)的經濟性評價

    仿真系統(tǒng)根據實際煤氣系統(tǒng)的運行特點，制定了煤氣系統(tǒng)運行情況的評價指標或經濟性算法，用于煤氣系統(tǒng)的經濟性能分析和節(jié)能降耗效果的評價，同時可作為仿真系統(tǒng)評價和衡量某種實施方案優(yōu)劣的考核依據。

    2.9進行煤氣系統(tǒng)的故障仿真

    煤氣離線仿真系統(tǒng)運行過程中可以插入一個或多個互不沖突的的故障，模擬現場可能發(fā)生的故障現象，用于對故障插入時系統(tǒng)變化情況的分析研究。

3．煤氣離線仿真系統(tǒng)設計要點

    3.1建立煤氣系統(tǒng)的數學模型

    利用計算機對客觀事物進行仿真首先需要建立這些仿真對象的數學模型，對象數學模型的優(yōu)劣直接關系到仿真結果的正確性。數學模型是對仿真對象和其運行狀態(tài)的抽象描述，其本質是一組數學關系，根據這些關系，可以產生與真實系統(tǒng)相應的行為數據。針對煤氣管網，系統(tǒng)采用圖形化建模軟件ADMIRE-F來完成整個管網的自動建模。

    3.2分析煤氣系統(tǒng)流網的拓撲結構

    煤氣管網建模的首要問題之一是如何對節(jié)點和支路進行計算機編號以有效、簡便地反映它們的拓撲結構，求得各節(jié)點間的連接關系，并以此為依據修改網絡參數，為網絡計算提供實時的結構信息。通過拓撲分析，可以獲得整個系統(tǒng)所分的子系統(tǒng)數，每個節(jié)點所屬何子系統(tǒng)，最終確定流網的拓撲結構和關聯矩陣。

    在實時的拓撲計算中，采用廣度優(yōu)先搜索算法遍歷煤氣流網的各節(jié)點。廣度優(yōu)先搜索的過程就是從起始點出發(fā)，由近及遠，依層訪問與起始點有路徑相通的節(jié)點，從而可以集結出子系統(tǒng)數和節(jié)點所屬子系統(tǒng)。以圖3.1為例，廣度優(yōu)先搜索法的具體搜索過程為：

    從V1出發(fā)，遍歷其所有鄰邊，找出第一層未訪問的頂點(V2，V5，V7)；然后依次從第一層節(jié)點出發(fā)，遍歷它們各自的相鄰頂點，找到第二層未訪問過的頂點(V3，V6，V8)；從第三層頂點出發(fā)，已沒有新的未曾訪問過的相鄰頂點，至此，圖中與起始點V1相連通的頂點均已被訪問過，一個節(jié)點或網絡子系統(tǒng)已形成。如網絡中尚有其它未被訪問過的頂點，則從其中之一出發(fā)又可形成另一個節(jié)點或子系統(tǒng)。

圖3.1  煤氣管網搜索路徑示意圖

    3.3設計圖形用戶界面

    本系統(tǒng)作為分析研究型的仿真開發(fā)項目，結合分析研究型仿真系統(tǒng)的功能和使用特點開發(fā)、形成自己的圖形用戶界面。

    3.4制定和輸出運行報表

    煤氣系統(tǒng)的分析研究結果、報警事件及實時參數報表等將記錄下來，并將以中文報表的形式在屏幕上顯示，輸出到打印機上打印。打印記錄分為定時打印記錄、事故故障打印記錄、操作打印記錄及召喚打印記錄等工作方式。

4．煤氣離線仿真系統(tǒng)實現方案

    4.1系統(tǒng)的劃分

    煤氣離線仿真系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。

    在煤氣仿真模型軟件的開發(fā)過程中，需要對各個分系統(tǒng)進行模塊化編程，因此根據濟鋼煤氣系統(tǒng)的工藝特點及各系統(tǒng)間的相對獨立性，將整個系統(tǒng)劃分為如下四個仿真分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)間有相互接口點：焦爐煤氣分系統(tǒng)（代碼CG）、高爐煤氣分系統(tǒng)（代碼BG）、轉爐煤氣分系統(tǒng)（代碼LG）、混合煤氣分系統(tǒng)（代碼MG）。

    4.2系統(tǒng)的模塊結構

    煤氣離線仿真模型軟件用FORTRAN77編制，全部采用TOP-DOWN模塊化結構，從上到下分為主模塊(Main Module)、功能模塊(Subroutine Module)和函數模塊(Function Module)三類，各模塊可以隨時獨立加入或移出仿真實時運行環(huán)境。這種結構的程序便于編程、調試、管理和維護，是大型仿真系統(tǒng)所必須的。其結構圖如圖4.1所示。

     4.3.2管網自動建模原理

    (1)煤氣風機模型

    在煤氣管網系統(tǒng)中，風機是壓力源。風機的轉速、揚程、流量之間的特性關系用下式描述： 上式中：P是風機的揚程、N 是風機轉速（0-1）、F 是風機出口流量、a₀、a₁、a₂ 是風機的特性常數，采用最小二乘法擬合得到。

    對流量F而言，上式可寫成如下的一元二次方程：

     

    令有：
   

    為了方便進行矩陣運算，利用了的上次程序循環(huán)計算值進行F的線性化。
   
    (2)煤氣管道的流量模型

    根據流體力學理論，管道中的流體處于單相定態(tài)流動時，有機械能衡算式成立：
   
式中，g為重力加速度，為流道上下游的高差，u為流速，v為流體的比容，p₁、p₂ 為上下游的壓力，W_i為流體從泵或風機所獲得的外功，W₀為流體的能量損失。上式對可壓縮流體和不可壓縮流體均可適用，差別在于項和W₀項。

    對于不可壓縮流體，根據機械能衡算式，可推導出煤氣管道中的流量F與壓差的線性關系式：
 
   
    對于煤氣等可壓縮流體，用引入可壓縮比K_c(0－1)的方法對上述流量算法進行修正。

    (3)煤氣節(jié)點質量守恒及壓力模型

    對于不可壓縮流體，每一個壓力點的進出流量相等，即： 
在已知上游壓力P₁ 和流量F時，用下式來計算不可壓縮流體的下游壓力P₂ ：
   
    對于煤氣等可壓縮流體，其壓力計算與不可壓縮流體不一樣，其壓力響應與節(jié)點積累的質量和節(jié)點溫度直接相關，具有明顯的慣性。

    對于同一種煤氣介質，節(jié)點壓力可用氣體狀態(tài)方程的形式來表示： 
 
    M是節(jié)點積累的煤氣質量，K_r是氣體常數，T是節(jié)點溫度，V是節(jié)點的容積。在溫度變化不大的情況下，單一煤氣的氣體特性近似為理想氣體，K_r可取理想氣體常數值R，在介質成份或溫度明顯變化的情況下，通過對K_r進行修正來適應煤氣狀況的變化。

    節(jié)點的煤氣質量M的計算式為： 

    離散化后為： 
    M_i是上一次程序循環(huán)的節(jié)點煤氣質量，是計算步長，F_i是流入的煤氣流量，F₀是流出的煤氣流量。

    (4)煤氣節(jié)點的溫度計算

    煤氣節(jié)點的溫度計算基于控制體的能量平衡。煤氣能量平衡的基本方程表示為：
能量的改變率 = 流進能量的變化率 － 流出能量的變化率 
     

    上式中，H是節(jié)點總焓，H_i是上一次程序循環(huán)的節(jié)點總焓，H_i是流入節(jié)點的煤氣總焓，H₀是流出節(jié)點的煤氣總焓，Q是外部傳入節(jié)點的熱量，K_i是節(jié)點的熱損失系數，T是節(jié)點的溫度，T_amb是環(huán)境溫度。

    煤氣節(jié)點溫度 的計算式為：                                         

    上式中，T₀是煤氣的基準溫度，H₀是煤氣的基準焓，C_p是煤氣的熱容。

    (5)煤氣管網的矩陣形式

    集合煤氣系統(tǒng)各節(jié)點、各流道的流量、壓力、質量、能量方程，得到一個大型的聯立方程組，該方程組可寫成矩陣的形式。

    對于m個壓力節(jié)點、n條流道，形成一個（m, n）矩陣，其矩陣方程為：
   
    [A]*[X]=[C]

上式中：[A]是系數矩陣（關聯矩陣）、[X]是未知量P、F構成的矩陣、[C]是已知值的常數矩陣。
采用快速稀疏矩陣解法（The Fast Sparse Matrix Solution）來求解此矩陣方程。

    (6)單相熱交換器計算模型

    單相熱交換器用傅里葉(Fourier)公式計算傳熱： 

    上式中，Q為傳熱量，K_1l為傳熱系數，A為總傳熱面積，T為熱交換器進出口的對數平均溫差。
 
    上式中，t₁為進口端溫差，t₂為出口端溫差

    傳熱系數可由下式確定：

    上式中，R為總熱阻，R_t為管子金屬導熱熱阻，R_i為內壁液膜熱阻，R₀為外壁液膜熱阻，R_fi為內表面垢層熱阻，R_f0為外表面垢層熱阻。在仿真計算中，常常根據實際運行數據來反推回歸得到這些熱阻常數值。

    殼側出口溫度計算式如下：

   

    上式中，M_s為殼側流體質量，T_s,i為殼側進口溫度，T_s為殼側溫度，T_T,i為管側進口溫度，T_amb為環(huán)境溫度， F_s,i為殼側進口流量，F_S,0為殼側出口流量，F_ik為管側向殼側泄漏量，Q為管側向殼側傳熱，C_P,S為殼側流體熱容，C_P,T為管側流體熱容，K_ioS為殼側向環(huán)境散熱。

    管側出口溫度計算式如下：
    上式中，M_T為管側總質量，T_T為管側溫度，F_T,i為管側進口流量，F_T,0為管側出口流量。

    4.3.3煤氣控制邏輯仿真的實現方法

    對煤氣系統(tǒng)管網的控制邏輯仿真主要采用ADMIRE-L圖形化建模工具來實現。ADMIRE-L采用圖形組態(tài)的方法繪制煤氣系統(tǒng)的控制邏輯圖，能夠自動生成程序，全圖形化調試、修改，其具體用法與ADMIRE-F基本一致。

    4.3.4產氣和耗氣模型的建立

    對于仿真范圍內的各氣源點和用氣點設備，不做全物理的機理模型，而是采用回歸的方式建立產氣模型和耗氣模型，即在反映有關設備如高爐、加熱爐等運行特點的基礎上，基于冶金工程理論，結合大量的實際運行數據建立經驗參數模型。在缺乏實際運行數據的情況下，采用簡化的方法處理，或作為外部參數在仿真控制站中設置。
下面給出的是各煤氣產氣的常用設計算式，作為仿真模型設計的一種方法。

    (1)高爐煤氣

    高爐煤氣產氣量的一般計算式為： 

    上式中，S_g是高爐產氣量（m3/h）、c是焦比（噸焦/噸鐵）、k是高爐利用系數（噸鐵/m3*日）、v是高爐的有效容積（m3）、B_t是焦炭的高爐煤氣產率（m3/噸）。

    高爐煤氣的熱值H_g（kcal/m3）按下式計算：

   
 
    (2)焦爐煤氣

    焦爐煤氣產氣量的一般計算式為：
    上式中，S_j是焦爐產氣量（m3/h）、n_Z是焦爐座數、n_k是每座焦爐孔數、G_m是每孔裝入的干煤量（噸/孔）、 B_j是每噸干煤的焦爐煤氣產率（m3/噸煤）、是結焦時間（h）。

   


    (3)轉爐煤氣

    轉爐煤氣產氣量的一般計算式為： 

    上式中，S_z是轉爐產氣量（m3/h）、G_g是轉爐鋼產量（噸/h）、B_z是轉爐煤氣的實際回收量（m3/噸鋼）C、 是轉爐煤氣回收率（％）。

    轉爐煤氣的熱值H_z（kcal/m3）按下式計算：
上式中，CO、H₂是轉爐煤氣中各成分的體積百分數。

    4.4系統(tǒng)的軟件組成

    煤氣離線仿真系統(tǒng)的軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件UNIX IRIX6.5和Windows XP、離線仿真系統(tǒng)數學模型軟件、“科英”支撐平臺軟件、ADMIRE-F流網圖形化建模工具軟件、VODDT繪圖工具軟件、煤氣仿真操作站軟件、煤氣仿真控制站軟件。

    煤氣離線仿真系統(tǒng)的軟件構成關系如圖4.3所示。

    4.5系統(tǒng)的硬件組成

    離線仿真系統(tǒng)的硬件配置包括：仿真主服務器、SAN結構磁盤陣列、數據庫服務器、Web服務器、中心主交換機、光交換機、防火墻、仿真工作站、顯示器、打印機等。

5．小結

    濟鋼煤氣管控系統(tǒng)采用離線仿真技術，實現煤氣（焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、混合煤氣）統(tǒng)一調控，監(jiān)視煤氣產用狀態(tài)，達到煤氣供需動態(tài)平衡，減少甚至消除放散，降低產品能耗和成本，優(yōu)化資源利用，同時為下一步在線仿真系統(tǒng)的研制打下了良好的技術基礎。該系統(tǒng)的成功運行，提升了濟鋼的生產管理水平及資源的集成能力，促成濟鋼能源的高效利用和循環(huán)經濟企業(yè)運行模式的建立，取得良好的社會和經濟效益。

參考文獻

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    [4] 晏水平，張燕平，張東偉．流體網絡仿真程序的自動生成．計算機應用．2001(5)：82-83

作者簡介：

    李靜嚴，男，滿族，大學本科，畢業(yè)于青島理工大學;工作單位：濟南鋼鐵集團總公司自動化部自動化所