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1、引言
    隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對用電量的需求逐步增加，發(fā)電機組不斷增多。同時機組向著高參數(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，運行人員逐漸減少，而且在正常滿負荷情況下，操作人員幾乎不需要進行操作，使得電力專業(yè)學生在實際電廠中學習的機會減少。電力系統(tǒng)院校肩負著培養(yǎng)電力人才的任務，傳統(tǒng)的課本講解和電廠實習已經(jīng)不能滿足實際需要。為適應電力院校對在校學生的培訓要求，我們以STAR - 90仿真支持系統(tǒng)為基礎，對某發(fā)電廠的實際系統(tǒng)進行簡化，采用模塊化建模方法，開發(fā)了300 MW火電機組原理型仿真機。該仿真機的仿真對象來源于實際機組，同時又針對學校培訓的特點進行了改進，既保留了電廠的主要設備和過程，又對其進行了簡化。該模型對機組的啟動、停爐、故障和正常運行操作進行了仿真，給電力專業(yè)學生提供了良好的培訓環(huán)境，可以滿足電力專業(yè)學生和電廠運行人員的培訓要求。
2、仿真對象概述
    300 MW火電機組原理型仿真機仿真的對象為某發(fā)電廠1#機組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠制造，型號為HG1025/18.2 -YM6型，與上海汽輪機廠N300 -  16. 7/538/538型汽輪機及上海電機廠QSFN - 300 -2型發(fā)電機匹配成單元機組。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，正壓直吹冷一次風機形式，鍋爐呈Ⅱ形布置，三分倉回轉式空氣預熱器，采用平衡通風，擺動式燃燒器四角布置切園燃燒。鍋爐采用刮板式撈渣機作為出渣裝置。
    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
再熱蒸汽進口壓力    3 .41MPa
再熱蒸汽進口溫度    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。由于實際系統(tǒng)設備眾多，連接關系復雜，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立、可分別調試的模塊，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、調試和修改，而且各種模塊所使用的算法可以重復使用，提高軟件開發(fā)的效率。模型建立的基礎是模型算法庫。模型算法是以電廠中的設備、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備、管道，根據(jù)物質守恒、能量守恒、動量平衡的原理，嚴格按照物理過程，利用歐拉法對微分方程進行差分而建立的，如汽包算法、爐膛燃燒算法、過熱器算法、磨煤機算法等等。通用算法完成邏輯運算功能，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行，在線模塊化建模、在線調試、擴充和修改，可以大大縮短仿真機的建設周期，是一種先進的仿真支撐軟件。
3.2鍋爐仿真模型
    根據(jù)實際電廠的流程和仿真機的仿真范圍，鍋爐模型分為汽水系統(tǒng)、風煙系統(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入汽包，與爐水相混合后進入下降管，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。汽水混合物進入汽包進行汽水分離；水繼續(xù)循環(huán)；飽和蒸汽從汽包引出進入過熱器。過熱蒸汽經(jīng)頂棚過熱器和后墻包覆及側墻包覆，進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，送至汽輪機的高壓缸作功。過熱汽系統(tǒng)設有兩級噴水減溫。第一級減溫器設在低溫過熱器出口，進行粗調；第二級減溫器設在后屏出口用于微調主汽溫度。過熱器采用二級噴水。第一級噴水減溫器設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，在過熱器出口設有兩個彈簧安全閥和一個電磁泄放閥。
    機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，以滿足汽機沖轉的要求。
    自汽輪機高壓缸排出作功后的冷再熱蒸汽首先進入墻式輻射再熱器，然后流經(jīng)屏式再熱器和末級再熱器，再送至汽輪機中壓缸作功。在墻式再熱器入口設有事故噴水減溫器，用于事故情況下的噴水減溫。再熱器正常調溫主要靠燃燒器的擺動，改變爐膛內火焰中心的高度進行調節(jié)，但再熱汽溫調節(jié)延遲較大，當燃燒器擺角調整不過來時，則采用事故噴水進行再熱汽溫調調整。采用事故噴水調整再熱汽溫，會增加再熱蒸汽流量，增加中、低壓缸的作功量，使機組的熱效率降低，因此正常應采取擺動燃燒器角度調整再熱汽溫。過�？諝獍俜直鹊母淖儗υ贌崞骱瓦^熱器的調溫也有一定的作用。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)實際電廠的流程，將汽水系統(tǒng)的設備與STAR-90模型算法庫的算法相對應，通過模型模塊變量搭接來建立設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汽溫偏差和煙溫偏差，利用了單相介質換熱器算法。將各級過熱器、各級再熱器分為A、B兩側，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)點算法以及汽包算法，建立了工質流動的模型。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、疏水門的開關過程。對各種閥門的開關時間和流通量嚴格依據(jù)現(xiàn)場時參數(shù)進行整定。其開啟、關閉條件與現(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。
3.2.2風煙系統(tǒng)
    風煙系統(tǒng)包括二次風系統(tǒng)，一次風系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。
    二次風系統(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。二次風系統(tǒng)包括兩臺送風機，兩臺回轉式空氣予熱器和各自的擋板�？疹A器為三分倉結構，空預器前設有暖風器，以提高空預器入口風溫。兩臺送風機出口設有聯(lián)絡管和平衡門，用以平衡風壓。二次風由送風機升壓后，經(jīng)暖風器，在空預器中加熱后進入二次風箱，經(jīng)燃燒器送至爐膛助燃。
    一次風系統(tǒng)用來提供攜帶和干燥煤粉的，鍋爐設有兩臺一次風機。冷風經(jīng)一次風機升壓后分成兩路，一路直接進入磨煤機稱為冷一次風，另一路經(jīng)空預器加熱成為熱一次風，熱一次風和冷一次風在進入磨煤機前都有調節(jié)擋板，調節(jié)冷一次風擋板的目的是為了使進入磨煤機的總一次風量滿足磨煤機磨煤的要求，調節(jié)熱一次風擋板的目的是為丁維持磨煤機出口溫度在75℃。熱一次風和冷一次風混合后送至磨煤機，以干燥和攜帶煤粉，經(jīng)一次風管送煤粉至爐膛燃燒。
    煙氣系統(tǒng)的作用是排出煙氣，維持爐膛負壓。煙氣系統(tǒng)設有兩臺引風機。燃料在爐膛燃燒產生的煙氣，由尾部煙道排出，經(jīng)電除塵器凈化后，由兩臺引風機通過煙囪排入大氣。煙風系統(tǒng)流程圖省略。
    在建模過程中，對應風煙系統(tǒng)的設備，按照現(xiàn)場的實際流程建立相應的模塊。
    對風煙系統(tǒng)中的一次風機采用離心風機算法來模擬；對送風機、引風機采用軸流風機算法來模擬。對閥門、空氣預熱器、馬達等設備分別采用相應的閥門算法、空氣預熱器算法和馬達算法來建立模塊。采用爐內燃燒算法和輻射換熱算法來計算爐內燃燒產物和換熱量。利用流量算法和壓力節(jié)點算法來計算工質流量。用此方案建立的風煙系統(tǒng)模型能夠良好地反映一次風機、送引風機和各自馬達在工況變動情況下的靜態(tài)和動態(tài)特性。在風機運行臺數(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、風量變化、燃燒器角度變化對爐內燃燒工況和換熱量的影響。在建模時注意了使各設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。每臺磨煤機分別帶一層四角燃燒器。鍋爐帶額定負荷時，四臺磨煤機運行，一臺備用。鍋爐設有兩臺一次風機，熱一次風從空預器出來后，與冷一次風混合，送至磨煤機，以干燥和攜帶煤粉。原煤從原煤斗進入給煤機，經(jīng)給煤機出口門落入磨煤機，在磨煤機中經(jīng)過碾壓變成煤粉，由一次風帶入磨煤機上部的煤粉分離器，合格的煤粉輸送到爐膛進行燃燒，較粗的顆粒回到磨煤機內部繼續(xù)研磨。在磨煤機底部設有排渣門，以排出混在煤中的雜物。
    因磨煤機是正壓運行的，所以每臺磨煤機配有一臺密封風機，將密封空氣送入制粉系統(tǒng)各轉動設備的動靜間隙處，防止熱風和煤粉向外噴出。
    鍋爐點火油及助燃油為輕柴油，點火油經(jīng)霧化后，通過油槍進入爐膛，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供粉，一、二次風噴口呈均等配風方式間隔布置。制粉燃燒系統(tǒng)圖省略。
    建模過程中，采用磨煤機算法來模擬中速磨煤機。對于磨煤機出口門、入口門、冷熱風擋板、油槍用閥門算法來模擬。采用流量算法和壓力節(jié)點算法來計算空氣流量和煤、油流量。以此方案建立的模型能夠良好地反映磨煤機在煤種變化、進口風溫和風量變化情況下，磨煤機的靜、動態(tài)響應特性，也正確地反映了磨煤機馬達電流的變化和制粉系統(tǒng)的異常工況及磨煤機啟停對燃燒的影響。