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吳永存 （1965-）

男，畢業(yè)于浙江大學(xué)生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)，并于2001年獲華北大學(xué)熱能動(dòng)力碩土學(xué)位，高級(jí)工程師，現(xiàn)工作于浙江國華浙能發(fā)電有限公司，從事電廠熱工自動(dòng)化。

摘要：本文對(duì)國華寧海電廠二期超超臨界百萬機(jī)組仿真機(jī)的技術(shù)方案、仿真范圍、實(shí)現(xiàn)功能、技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行介紹。在仿真機(jī)的應(yīng)用時(shí)效上，真正起到了超超臨界百萬機(jī)組運(yùn)行人員超前培訓(xùn)的作用。

關(guān)鍵詞：超超臨界百萬機(jī)組；仿真機(jī)；應(yīng)用時(shí)效

Abstract: This paper introduces the technical scheme, simulation scopes, function, and
 technical characteristics of the 1000MW Ultra Super-critical Pressure Unit Simulator in
 the secondstage project  (2×1000MW) of NingHai Power Plant . It greatly improves the 
quality and performance of the operators.

Key words: 1000MW Ultra Super-critical Pressure Unit; Simulator;  application performance

1 概述 

    隨著電力需求的日益增長和能源的日趨緊張，高效、節(jié)能、環(huán)保的超超臨界百萬機(jī)組近幾年迅速發(fā)展起來。但大容量、高參數(shù)的超超臨界百萬機(jī)組，被控參數(shù)耦合性強(qiáng)、關(guān)連性復(fù)雜，而且各種參數(shù)變化迅速，運(yùn)行人員很難把握任一操作對(duì)眾多參數(shù)的影響程度和方向，如操作不當(dāng)，被控參數(shù)將可能發(fā)散而失控。因此，在機(jī)組投產(chǎn)前，進(jìn)行嚴(yán)格的仿真機(jī)培訓(xùn)，對(duì)于提高運(yùn)行人員的操作技能及應(yīng)變能力，降低人因事件的發(fā)生概率，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性，將發(fā)揮很大的作用。

2 超超臨界百萬機(jī)組仿真機(jī)的技術(shù)方案

    超超臨界百萬機(jī)組仿真機(jī)的模型是浙江國華寧海電廠二期工程#5機(jī)組及公用系統(tǒng)，其鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的1000MW超超臨界燃煤鍋爐（SG3091/27.56-M54X），汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司的超超臨界汽輪機(jī)N1000-26.25/600/600（TC4F），發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司的發(fā)電機(jī)（THDF 125/67），熱工主機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子公司的SPPA－T3000分散控制系統(tǒng)，DEH采用與主機(jī)DCS相同的硬件并組成一體化系統(tǒng)，脫硫的控制系統(tǒng)同樣采用西門子公司的SPPA－T3000分散控制系統(tǒng)，輔助車間控制系統(tǒng)采用AB公司的Controllogix PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.1 硬件配置

    仿真控制室的硬件配置如圖1所示。系統(tǒng)中配置了10臺(tái)操作員站計(jì)算機(jī)，用于運(yùn)行DCS操作員站軟件及學(xué)員操作； 2臺(tái)就地操作站計(jì)算機(jī)，用于運(yùn)行仿真機(jī)就地操作畫面、虛擬盤臺(tái)等；1臺(tái)教練員站計(jì)算機(jī)，用于運(yùn)行教練員站軟件，可監(jiān)視和控制所有的仿真模型的運(yùn)行，另配置1臺(tái)掌上電腦，可以進(jìn)行無線遙控，具有教練員站功能；1臺(tái)工程師站計(jì)算機(jī)，完成仿真機(jī)軟件的維護(hù)、調(diào)試、擴(kuò)充、修改；1臺(tái)服務(wù)器用于仿真機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫管理與模型數(shù)據(jù)運(yùn)行。

                  圖1   寧海電廠二期2×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組仿真機(jī)設(shè)備

                                      配置示意圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

    仿真機(jī)的網(wǎng)絡(luò)采用星型以太網(wǎng)（100M）連接，通訊協(xié)議為TCP/IP，所有計(jì)算機(jī)通過一臺(tái)24口交換機(jī)連接到服務(wù)器上。

2.3 支撐軟件

    仿真機(jī)的支撐系統(tǒng)采用由北京同方電子科技有限公司自主開發(fā)的DCOSE（分布式仿真支撐環(huán)境）軟件，該軟件提供了包括仿真機(jī)設(shè)計(jì)、研發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期管理所需的功能，可運(yùn)行在Microsoft Window 2000/NT/XP環(huán)境下。DCOSE包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)、實(shí)時(shí)計(jì)算引擎、計(jì)算機(jī)輔助建模系統(tǒng)、操作員終端的建立及運(yùn)行四大部分。

    仿真主機(jī)采用高性能CPU的PC服務(wù)器作為DCOSE數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和實(shí)時(shí)模型運(yùn)行服務(wù)器，同時(shí)也兼作域控制器，以便對(duì)所有本地的計(jì)算機(jī)進(jìn)行安全管理。DCOSE實(shí)時(shí)模型服務(wù)器可以使用任何一臺(tái)在本地局域網(wǎng)內(nèi)的操作員站或服務(wù)器，同時(shí)DCOSE本身支持一機(jī)多模，對(duì)新建機(jī)組，只需采用DCOSE針對(duì)其它機(jī)組建立相應(yīng)的過程模型和控制模型即可建立其仿真系統(tǒng)，對(duì)仿真機(jī)的擴(kuò)展留有充分余地。

3 超超臨界百萬機(jī)組仿真機(jī)的仿真范圍

    本仿真機(jī)是對(duì)寧海電廠二期#5機(jī)組的爐、機(jī)、電、脫硫、公用系統(tǒng)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全范圍、全過程仿真。以參考機(jī)組集控室內(nèi)所有的監(jiān)視、操作、控制為主，同時(shí)包括集控室外的啟停和故障處理中必要的就地操作。

3.1 鍋爐的主要仿真范圍

    (1) 汽水系統(tǒng)，包括：過熱蒸汽流程、再熱蒸汽流程、啟動(dòng)分離系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)等。

    (2) 煙風(fēng)系統(tǒng)，包括：一次風(fēng)系統(tǒng)流程、二次風(fēng)系統(tǒng)流程、煙氣系統(tǒng)流程、密封空氣系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等。

    (3) 制粉和燃燒系統(tǒng)，包括：給煤機(jī)、磨煤機(jī)、油槍及點(diǎn)火裝置、等離子點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒器等。

    (4) 鍋爐的輔助部分，包括：吹灰系統(tǒng)、疏水和排汽、除灰除渣系統(tǒng)、儀用空氣系統(tǒng)等。

    (5) 脫硝系統(tǒng)，采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝裝置，包括布置在鍋爐煙道上的SCR反應(yīng)器系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、聲波吹灰系統(tǒng)，以及布置在爐后冷卻塔側(cè)的脫硝劑存儲(chǔ)、制備、供應(yīng)系統(tǒng)。

3.2 汽機(jī)的主要仿真范圍

    除汽輪機(jī)外，還包括：

    (1) 主蒸汽、再熱蒸汽、旁路系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、軸封汽系統(tǒng)等。

    (2) 凝結(jié)水、除氧加熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)、汽機(jī)疏水系統(tǒng)等。

    (3) 循環(huán)水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝汽器和抽空氣系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫冷和定子水冷系統(tǒng)等。

    (4)汽機(jī)EH油系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)等。

    (5) 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)（DEH、ETS）。

3.3 電氣的主要仿真范圍

    發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、主變壓器、廠用電系統(tǒng)、保安電源一柴油發(fā)電機(jī)、直流系統(tǒng)及不停電交流系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、事故照明等。

3.4 脫硫系統(tǒng)主要仿真范圍

    FGD工藝系統(tǒng)主要由石灰石漿液制備系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、排空及漿液拋棄系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、雜用和儀用壓縮空氣系統(tǒng)等組成。

3.5 儀控部分主要仿真范圍

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、FSSS系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、汽機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）、旁路控制系統(tǒng)（BPS）、小機(jī)調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)（MEH、METS）、ECS系統(tǒng)等。

4 超超臨界百萬機(jī)組仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能

    仿真機(jī)可實(shí)現(xiàn)機(jī)組從冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷的操作以及停機(jī)過程全部操作（包括控制盤、操作員站及就地操作員臺(tái)上的操作），無論是正確的還是錯(cuò)誤的，都能和實(shí)際機(jī)組的反映相一致。而且可事故模擬和重演，還可對(duì)某些新型控制策略在仿真機(jī)上先行驗(yàn)證后再用于實(shí)際系統(tǒng)。

4.1 運(yùn)行人員培訓(xùn)

4.1.1正常工況仿真培訓(xùn)

    培訓(xùn)運(yùn)行人員，能夠熟練正確地掌握機(jī)組設(shè)備在各種工況條件下的啟、停和正常運(yùn)行中的監(jiān)視操作技術(shù)等，主要有以下功能：

    (1) 從冷態(tài)時(shí)電氣廠用電系統(tǒng)受電開始到溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)直至滿負(fù)荷的啟動(dòng)操作。

    (2) 汽機(jī)啟動(dòng)和發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)。

    (3) 鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)跳閘后恢復(fù)到額定負(fù)荷。

    (4) 機(jī)組從100%負(fù)荷正常停機(jī)到滑參數(shù)停機(jī)狀態(tài)。

    (5) 其它指定工況的啟、停或升、降負(fù)荷操作。

    (6) 運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)及聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)。

    (7) 500kV系統(tǒng)和廠用電系統(tǒng)的操作。

4.1.2故障工況仿真培訓(xùn)

    本仿真機(jī)總共設(shè)置500多種上千個(gè)故障點(diǎn)，為運(yùn)行人員提供各種故障、事故現(xiàn)象，培訓(xùn)運(yùn)行人員正確判斷故障、事故的應(yīng)變能力。

    仿真機(jī)能模擬和重演機(jī)組運(yùn)行中的異常和故障工況。仿真機(jī)模擬機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生故障與事故的可能性包括兩種：一種是由于運(yùn)行培訓(xùn)人員操作不當(dāng)自然引發(fā)的；另一種是在仿真機(jī)上由教練員根據(jù)運(yùn)行培訓(xùn)工況需要，人為設(shè)置以后發(fā)生。無論是自然引發(fā)，還是人為設(shè)置的隨機(jī)故障，其產(chǎn)生的物理現(xiàn)象和機(jī)組實(shí)際反映一致。多重故障可以同時(shí)發(fā)生，對(duì)于各種故障或事故，學(xué)員可在盤上或操作員站上進(jìn)行操作處理，這時(shí)仿真裝置能反映學(xué)員的操作處理情況，如果處理合理，故障或事故應(yīng)逐漸消除，如處理不當(dāng)，模擬出事故擴(kuò)大后的現(xiàn)象與機(jī)組反映一樣。

4.1.3對(duì)運(yùn)行崗位、值長、集控運(yùn)行崗位等定期輪訓(xùn)和上崗、晉升前進(jìn)行實(shí)際操作能力和分析判斷能力的考核。

4.2 事件分析

    仿真機(jī)可供機(jī)組在各種工況運(yùn)行中進(jìn)行運(yùn)行方式分析、操作方式調(diào)整分析和設(shè)備系統(tǒng)異動(dòng)分析，提高安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力，制定反事故措施提供驗(yàn)證環(huán)境。同時(shí)，仿真機(jī)也是進(jìn)行事件分析的一個(gè)有力工具，電站發(fā)生的事件是無法在真實(shí)機(jī)組上再現(xiàn)的，而在仿真機(jī)上就可以再現(xiàn)某些事件，通過調(diào)用DCS系統(tǒng)中存儲(chǔ)的機(jī)組異常、事故前后的參數(shù)進(jìn)行異常原因分析和模擬，并可以使用仿真機(jī)的時(shí)間控制、回調(diào)、重演等功能進(jìn)行仔細(xì)的分析，對(duì)找出事件產(chǎn)生的原因和采取相應(yīng)的糾正措施提供強(qiáng)有力的幫助。

4.3 變更方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

    熱控人員可對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)整定及試驗(yàn)、驗(yàn)證，邏輯保護(hù)優(yōu)化驗(yàn)證等。同時(shí)可進(jìn)行超超臨界百萬機(jī)組的控制方案和策略的研究與分析。

5 超超臨界百萬機(jī)組仿真機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

5.1 優(yōu)秀的支撐軟件平臺(tái)DCOSE

    支撐軟件功能是否強(qiáng)大、界面是否友好是仿真機(jī)開發(fā)成功的關(guān)鍵。一體化仿真支撐系統(tǒng)DCOSE包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)、實(shí)時(shí)計(jì)算引擎、計(jì)算機(jī)輔助建模系統(tǒng)、操作員終端的建立及運(yùn)行四大部分，符合MMC規(guī)范的系統(tǒng)管理，模塊動(dòng)態(tài)調(diào)用，基于流體網(wǎng)絡(luò)算法的圖形化建模技術(shù)，可根據(jù)機(jī)組原始數(shù)據(jù)直接生成仿真語言的虛擬DPU模擬器及基于以上模塊的MMI軟件等。同時(shí)DCOSE還提供了虛擬DPU軟件包以及和現(xiàn)場實(shí)際DPU通訊的能力。

5.2 先進(jìn)的虛擬DPU技術(shù)

    在仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)中, 虛擬DPU（簡稱VDPU）仿真技術(shù)以接近激勵(lì)DCS的逼真度、接近仿真DCS的應(yīng)用功能和最節(jié)省的投資表現(xiàn)出相對(duì)的綜合優(yōu)勢(shì), 成為目前國內(nèi)電站仿真領(lǐng)域的發(fā)展方向, 是過程工業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)之一。

    VDPU是將實(shí)際DCS的組態(tài)數(shù)據(jù)直接輸入至仿真機(jī)，使其能直接模擬實(shí)際DPU的計(jì)算過程。VDPU的實(shí)現(xiàn)依賴于3個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：即實(shí)際DCS的控制算法模塊、實(shí)際DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的識(shí)別和編譯、實(shí)際DCS操作員端軟件的通訊和翻譯。基于對(duì)西門子SPPA－T3000控制系統(tǒng)的深入理解，開發(fā)了SPPA－T3000的算法模塊、DPU文件的轉(zhuǎn)換軟件，以及過程模型與DCS的接口軟件等，使本仿真機(jī)模擬效果與機(jī)組DCS及相應(yīng)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面高度一致。

5.3 完善的圖形建模技術(shù)CAM

    CAM代表當(dāng)今仿真機(jī)建模的最新趨勢(shì)，本系統(tǒng)軟件以實(shí)際存在的物理對(duì)象為獨(dú)立的模塊，建立其數(shù)學(xué)模型，通過分析各模塊的連接關(guān)系，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出隱含在系統(tǒng)流程中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用獨(dú)特的流體網(wǎng)絡(luò)算法，自動(dòng)完成大型流體網(wǎng)絡(luò)的求解任務(wù)。

5.4 提供分組培訓(xùn)功能

    實(shí)際培訓(xùn)時(shí)，仿真機(jī)可作為多個(gè)虛擬的1000MW機(jī)組運(yùn)行；另一方面，仿真模型可以按任意組合方式在各操作站上使用，任意幾臺(tái)操作員站可以組合為一個(gè)單元機(jī)組進(jìn)行培訓(xùn)而不干擾其它機(jī)組的培訓(xùn)，為全能值班員或規(guī)模培訓(xùn)提供了方便。

5.5 全面的控制室模擬

    仿真機(jī)大量采用多媒體技術(shù), 對(duì)燈光、音響、火焰及仿真機(jī)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了全面的模擬。

5.6 學(xué)員成績?cè)u(píng)定功能

    教練員站提供多種對(duì)仿真機(jī)的監(jiān)控手段及教學(xué)管理手段，根據(jù)需要可采用報(bào)警規(guī)則評(píng)分、觸發(fā)規(guī)則評(píng)分、曲線規(guī)則評(píng)分等方法，并自動(dòng)生成評(píng)分報(bào)告。

6 實(shí)現(xiàn)效果

    該仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)了寧海電廠二期#5機(jī)組的爐、機(jī)、電、脫硫、公用系統(tǒng)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全范圍、全過程仿真，建立從0到100％額定負(fù)荷的機(jī)組全范圍數(shù)學(xué)模型。實(shí)現(xiàn)了集控室所有操作、大部分就地操作及部分外圍操作的仿真。

    在公司的高度重視下，各單位部門通力合作，如機(jī)、電、爐資料的收集，超前進(jìn)行機(jī)組的邏輯優(yōu)化和組態(tài)、定值清單的整理、運(yùn)行畫面完善、系統(tǒng)調(diào)試，使本仿真機(jī)提前機(jī)組168六個(gè)月投入使用，打破了常規(guī)仿真機(jī)開發(fā)需168過后半年才能仿真培訓(xùn)的慣例。因此，在仿真機(jī)的應(yīng)用時(shí)效上，真正起到了超超臨界百萬機(jī)組運(yùn)行人員崗前培訓(xùn)的作用，提高了整體運(yùn)行水平，對(duì)寧海電廠二期百萬機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了重要作用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 《DCOSE用戶手冊(cè)V2.0》、《DCOSE系統(tǒng)操作員站手冊(cè)》、《DCOSE系統(tǒng)教練員站手冊(cè)》，北京同方電子科技有限公司2008版.