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1、引言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對用電量的需求逐步增加，發(fā)電機(jī)組不斷增多。同時機(jī)組向著高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，電廠控制系統(tǒng)的自動化水平也越來越高。由于電廠自動化水平的提高，運(yùn)行人員逐漸減少，而且在正常滿負(fù)荷情況下，操作人員幾乎不需要進(jìn)行操作，使得電力專業(yè)學(xué)生在實(shí)際電廠中學(xué)習(xí)的機(jī)會減少。電力系統(tǒng)院校肩負(fù)著培養(yǎng)電力人才的任務(wù)，傳統(tǒng)的課本講解和電廠實(shí)習(xí)已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要。為適應(yīng)電力院校對在校學(xué)生的培訓(xùn)要求，我們以STAR - 90仿真支持系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對某發(fā)電廠的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行簡化，采用模塊化建模方法，開發(fā)了300 MW火電機(jī)組原理型仿真機(jī)。該仿真機(jī)的仿真對象來源于實(shí)際機(jī)組，同時又針對學(xué)校培訓(xùn)的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，既保留了電廠的主要設(shè)備和過程，又對其進(jìn)行了簡化。該模型對機(jī)組的啟動、停爐、故障和正常運(yùn)行操作進(jìn)行了仿真，給電力專業(yè)學(xué)生提供了良好的培訓(xùn)環(huán)境，可以滿足電力專業(yè)學(xué)生和電廠運(yùn)行人員的培訓(xùn)要求。
2、仿真對象概述
    300 MW火電機(jī)組原理型仿真機(jī)仿真的對象為某發(fā)電廠1#機(jī)組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠制造，型號為HG1025/18.2 -YM6型，與上海汽輪機(jī)廠N300 -  16. 7/538/538型汽輪機(jī)及上海電機(jī)廠QSFN - 300 -2型發(fā)電機(jī)匹配成單元機(jī)組。鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、控制循環(huán)、單爐膛、固態(tài)排渣煤粉爐。制粉系統(tǒng)采用中速磨，正壓直吹冷一次風(fēng)機(jī)形式，鍋爐呈Ⅱ形布置，三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，采用平衡通風(fēng)，擺動式燃燒器四角布置切園燃燒。鍋爐采用刮板式撈渣機(jī)作為出渣裝置。
    額定工況(88.3%MCR)主要參數(shù)如下：
    過熱蒸汽流量    905.3 t/h
    過熱蒸汽出口壓力    17. 26MPa
    過熱蒸汽出口溫度    540℃
    再熱蒸汽流量    745. lt/h
再熱蒸汽進(jìn)口壓力    3 .41MPa
再熱蒸汽進(jìn)口溫度    317.3qC
再熱蒸汽出口溫度    540℃
給水溫度    273.1℃
排煙溫度    123.9℃
3、控制循環(huán)鍋爐的仿真模型
3.1STAR - 90模塊化建模和仿真支撐平臺簡介
    仿真機(jī)模型的開發(fā)是建立在STAR - 90模塊化建模和仿真支撐平臺上的。STAR - 90模塊化建模方法來源于系統(tǒng)分解的思想。由于實(shí)際系統(tǒng)設(shè)備眾多，連接關(guān)系復(fù)雜，難以用單一的函數(shù)或程序來模擬。根據(jù)系統(tǒng)分解的思想，將系統(tǒng)分解為若干個功能獨(dú)立、可分別調(diào)試的模塊，各個模塊完成一定的功能，由支撐系統(tǒng)完成模塊之間的連接。采用這種方法降低了建模的難度，便于模型的查錯、調(diào)試和修改，而且各種模塊所使用的算法可以重復(fù)使用，提高軟件開發(fā)的效率。模型建立的基礎(chǔ)是模型算法庫。模型算法是以電廠中的設(shè)備、管道、控制邏輯為對象編制的子程序，具有通用性。這些算法分為過程算法和通用算法兩類。過程算法是針對電廠中的設(shè)備、管道，根據(jù)物質(zhì)守恒、能量守恒、動量平衡的原理，嚴(yán)格按照物理過程，利用歐拉法對微分方程進(jìn)行差分而建立的，如汽包算法、爐膛燃燒算法、過熱器算法、磨煤機(jī)算法等等。通用算法完成邏輯運(yùn)算功能，如邏輯與算法、邏輯非算法。
    STAR - 90模塊化建模和仿真支撐系統(tǒng)支持多個模型同時運(yùn)行，在線模塊化建模、在線調(diào)試、擴(kuò)充和修改，可以大大縮短仿真機(jī)的建設(shè)周期，是一種先進(jìn)的仿真支撐軟件。
3.2鍋爐仿真模型
    根據(jù)實(shí)際電廠的流程和仿真機(jī)的仿真范圍，鍋爐模型分為汽水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、制粉燃燒系統(tǒng)3個部分。
3.2.1汽水系統(tǒng)
    鍋爐安裝3臺爐水循環(huán)泵，保證了水冷壁在各個工況下能夠得到足夠的冷卻。循環(huán)倍率較低，約為2左右。鍋爐給水經(jīng)省煤器及省煤器吊管進(jìn)入汽包，與爐水相混合后進(jìn)入下降管，再經(jīng)爐水循環(huán)泵升壓后在水冷壁中受熱形成汽水混合物。汽水混合物進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離；水繼續(xù)循環(huán)；飽和蒸汽從汽包引出進(jìn)入過熱器。過熱蒸汽經(jīng)頂棚過熱器和后墻包覆及側(cè)墻包覆，進(jìn)入水平低溫過熱器和垂直低溫過熱器。然后依次流經(jīng)分隔屏、后屏、末級過熱器，送至汽輪機(jī)的高壓缸作功。過熱汽系統(tǒng)設(shè)有兩級噴水減溫。第一級減溫器設(shè)在低溫過熱器出口，進(jìn)行粗調(diào)；第二級減溫器設(shè)在后屏出口用于微調(diào)主汽溫度。過熱器采用二級噴水。第一級噴水減溫器設(shè)于低溫過熱器到分隔屏過熱器的大直徑連接管上。減溫水來自給水泵出口，最大噴水量為102.5t/H。
    為防止鍋爐超壓，在過熱器出口設(shè)有兩個彈簧安全閥和一個電磁泄放閥。
    機(jī)組的高低壓旁路系統(tǒng)容量為30%，并在鍋爐尾部豎井下集箱處設(shè)有5%的起動疏水旁路。它的作用是在鍋爐起動升溫升壓時，控制過熱汽溫和主汽壓力匹配，以滿足汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的要求。
    自汽輪機(jī)高壓缸排出作功后的冷再熱蒸汽首先進(jìn)入墻式輻射再熱器，然后流經(jīng)屏式再熱器和末級再熱器，再送至汽輪機(jī)中壓缸作功。在墻式再熱器入口設(shè)有事故噴水減溫器，用于事故情況下的噴水減溫。再熱器正常調(diào)溫主要靠燃燒器的擺動，改變爐膛內(nèi)火焰中心的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但再熱汽溫調(diào)節(jié)延遲較大，當(dāng)燃燒器擺角調(diào)整不過來時，則采用事故噴水進(jìn)行再熱汽溫調(diào)調(diào)整。采用事故噴水調(diào)整再熱汽溫，會增加再熱蒸汽流量，增加中、低壓缸的作功量，使機(jī)組的熱效率降低，因此正常應(yīng)采取擺動燃燒器角度調(diào)整再熱汽溫。過剩空氣百分比的改變對再熱器和過熱器的調(diào)溫也有一定的作用。在墻式輻射再熱器入口裝有三個彈簧安全閥，末級再熱器出口裝有兩個彈簧安全閥，以防止鍋爐超壓。
    在建立汽水系統(tǒng)模型的過程中，根據(jù)實(shí)際電廠的流程，將汽水系統(tǒng)的設(shè)備與STAR-90模型算法庫的算法相對應(yīng)，通過模型模塊變量搭接來建立設(shè)備的換熱模型和流動模型。
    在建模過程中，為反映過熱汽和再熱汽的兩側(cè)汽溫偏差和煙溫偏差，利用了單相介質(zhì)換熱器算法。將各級過熱器、各級再熱器分為A、B兩側(cè)，分別建立換熱模型。在建摸中注意使過熱器、再熱器模型能反映出換熱過程以及泄漏、積灰等故障現(xiàn)象和吹灰對其換熱的影響。對于鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)，模型采用下降管算法、水冷壁算法、汽包算法構(gòu)成，使其能夠良好地反映水循環(huán)特性；同時能夠反映出給水流量變化，燃料變化、主汽門開度變化、噴水量變化時對汽包壓力、汽包水位和主汽流量的影響。利用閥門算法、流量算法，聯(lián)箱算法和壓力節(jié)點(diǎn)算法以及汽包算法，建立了工質(zhì)流動的模型。其中包括主蒸汽流動、再熱汽流動、過熱汽和再熱汽的噴水減溫、旁路系統(tǒng)以及安全門、對空排汽門、電磁泄放閥、疏水門的開關(guān)過程。對各種閥門的開關(guān)時間和流通量嚴(yán)格依據(jù)現(xiàn)場時參數(shù)進(jìn)行整定。其開啟、關(guān)閉條件與現(xiàn)場保持完全一致，使它的影響能夠在模型中得到正確反應(yīng)。
3.2.2風(fēng)煙系統(tǒng)
    風(fēng)煙系統(tǒng)包括二次風(fēng)系統(tǒng)，一次風(fēng)系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。
    二次風(fēng)系統(tǒng)的作用是向爐膛提供煤粉燃燒所需要的空氣，保證煤粉在爐膛中完全燃燒。二次風(fēng)系統(tǒng)包括兩臺送風(fēng)機(jī)，兩臺回轉(zhuǎn)式空氣予熱器和各自的擋板�？疹A(yù)器為三分倉結(jié)構(gòu)，空預(yù)器前設(shè)有暖風(fēng)器，以提高空預(yù)器入口風(fēng)溫。兩臺送風(fēng)機(jī)出口設(shè)有聯(lián)絡(luò)管和平衡門，用以平衡風(fēng)壓。二次風(fēng)由送風(fēng)機(jī)升壓后，經(jīng)暖風(fēng)器，在空預(yù)器中加熱后進(jìn)入二次風(fēng)箱，經(jīng)燃燒器送至爐膛助燃。
    一次風(fēng)系統(tǒng)用來提供攜帶和干燥煤粉的，鍋爐設(shè)有兩臺一次風(fēng)機(jī)。冷風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)機(jī)升壓后分成兩路，一路直接進(jìn)入磨煤機(jī)稱為冷一次風(fēng)，另一路經(jīng)空預(yù)器加熱成為熱一次風(fēng)，熱一次風(fēng)和冷一次風(fēng)在進(jìn)入磨煤機(jī)前都有調(diào)節(jié)擋板，調(diào)節(jié)冷一次風(fēng)擋板的目的是為了使進(jìn)入磨煤機(jī)的總一次風(fēng)量滿足磨煤機(jī)磨煤的要求，調(diào)節(jié)熱一次風(fēng)擋板的目的是為丁維持磨煤機(jī)出口溫度在75℃。熱一次風(fēng)和冷一次風(fēng)混合后送至磨煤機(jī)，以干燥和攜帶煤粉，經(jīng)一次風(fēng)管送煤粉至爐膛燃燒。
    煙氣系統(tǒng)的作用是排出煙氣，維持爐膛負(fù)壓。煙氣系統(tǒng)設(shè)有兩臺引風(fēng)機(jī)。燃料在爐膛燃燒產(chǎn)生的煙氣，由尾部煙道排出，經(jīng)電除塵器凈化后，由兩臺引風(fēng)機(jī)通過煙囪排入大氣。煙風(fēng)系統(tǒng)流程圖省略。
    在建模過程中，對應(yīng)風(fēng)煙系統(tǒng)的設(shè)備，按照現(xiàn)場的實(shí)際流程建立相應(yīng)的模塊。
    對風(fēng)煙系統(tǒng)中的一次風(fēng)機(jī)采用離心風(fēng)機(jī)算法來模擬；對送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)算法來模擬。對閥門、空氣預(yù)熱器、馬達(dá)等設(shè)備分別采用相應(yīng)的閥門算法、空氣預(yù)熱器算法和馬達(dá)算法來建立模塊。采用爐內(nèi)燃燒算法和輻射換熱算法來計(jì)算爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物和換熱量。利用流量算法和壓力節(jié)點(diǎn)算法來計(jì)算工質(zhì)流量。用此方案建立的風(fēng)煙系統(tǒng)模型能夠良好地反映一次風(fēng)機(jī)、送引風(fēng)機(jī)和各自馬達(dá)在工況變動情況下的靜態(tài)和動態(tài)特性。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)、擋板開度、燃燒器投入數(shù)量變化情況下能夠反映空氣系統(tǒng)流量、壓力、溫度的變化。采用的爐膛燃燒和換熱算法能夠反映煤種煤量變化、風(fēng)量變化、燃燒器角度變化對爐內(nèi)燃燒工況和換熱量的影響。在建模時注意了使各設(shè)備的流程控制的邏輯條件與現(xiàn)場保持完全一致。
3.2.3制粉燃燒系統(tǒng)
    鍋爐采用正壓直吹式制粉燃燒系統(tǒng)，共配有五臺ZGM -95型中速磨煤機(jī)。每臺磨煤機(jī)分別帶一層四角燃燒器。鍋爐帶額定負(fù)荷時，四臺磨煤機(jī)運(yùn)行，一臺備用。鍋爐設(shè)有兩臺一次風(fēng)機(jī)，熱一次風(fēng)從空預(yù)器出來后，與冷一次風(fēng)混合，送至磨煤機(jī)，以干燥和攜帶煤粉。原煤從原煤斗進(jìn)入給煤機(jī)，經(jīng)給煤機(jī)出口門落入磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)中經(jīng)過碾壓變成煤粉，由一次風(fēng)帶入磨煤機(jī)上部的煤粉分離器，合格的煤粉輸送到爐膛進(jìn)行燃燒，較粗的顆粒回到磨煤機(jī)內(nèi)部繼續(xù)研磨。在磨煤機(jī)底部設(shè)有排渣門，以排出混在煤中的雜物。
    因磨煤機(jī)是正壓運(yùn)行的，所以每臺磨煤機(jī)配有一臺密封風(fēng)機(jī)，將密封空氣送入制粉系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動設(shè)備的動靜間隙處，防止熱風(fēng)和煤粉向外噴出。
    鍋爐點(diǎn)火油及助燃油為輕柴油，點(diǎn)火油經(jīng)霧化后，通過油槍進(jìn)入爐膛，多余的油經(jīng)回油母管流出，鍋爐共配有12支油槍，分三層布置，總出力為25%MCR。
    鍋爐采用切園燃燒方式，燃燒器四角布置。燃燒器形式為可擺動的直流式煤粉燃燒器，最大擺動角度為士300。整個燃燒器分五層布置，每一層燃燒器由一臺中速磨煤機(jī)供粉，一、二次風(fēng)噴口呈均等配風(fēng)方式間隔布置。制粉燃燒系統(tǒng)圖省略。
    建模過程中，采用磨煤機(jī)算法來模擬中速磨煤機(jī)。對于磨煤機(jī)出口門、入口門、冷熱風(fēng)擋板、油槍用閥門算法來模擬。采用流量算法和壓力節(jié)點(diǎn)算法來計(jì)算空氣流量和煤、油流量。以此方案建立的模型能夠良好地反映磨煤機(jī)在煤種變化、進(jìn)口風(fēng)溫和風(fēng)量變化情況下，磨煤機(jī)的靜、動態(tài)響應(yīng)特性，也正確地反映了磨煤機(jī)馬達(dá)電流的變化和制粉系統(tǒng)的異常工況及磨煤機(jī)啟停對燃燒的影響。