电厂热力系统图形化建模的设备自动编号技术

苏晓静 赵志刚 龙俊峰 李平康

(北京交通大学机械与电子控制工程学院1，北京 100044;内蒙古大唐国际托克托第二发电有限责任公司2，内蒙古 托克托 010206)

0 引言

电厂热力系统是一个复杂的能量转换系统，随着机组参数的提高及新技术、新设备的采用，热力系统日益变得复杂。这对设计和运行维护人员提出了更高的要求。同时，电厂热力系统经济性分析既是热力系统设计、技术改造的理论基础，又是电厂热力设备经济运行在线分析的有力工具。目前，国内外已开发出一些计算机辅助热力系统流程模拟软件[1－5]，它们被广泛应用于热力系统的优化设计、热力核算等。这些成果都在不同程度上提高了电厂热力系统的设计水平，但是也存在一些不足之处：①热力系统的工质管道编号易出错，这在设备比较多的情况下时常有发生;②复杂热力系统建模繁琐，尤其是对高参数、大容量机组进行热平衡分析时更为繁琐;③系统模型在线修改困难，难以完成系统动态模型的自动化建模和可视化分析。

针对以上现象，本文采用Microsoft Visio，开发了具有良好兼容性的组态图形模具库，实现了热力系统可视化建模中设备的自动编号。采用该方法，分析人员只要根据系统结构，就可很容易地通过点击鼠标的方式，建立一个完整的热力系统模型并实现自动编号。

1 设计思想及开发工具

为了形象地构建热力系统模型网络图，有必要创建包含各模块的模块资源库。热力系统包括锅炉、汽轮机和发电机三大主要部分。由于各电厂之间的实际情况存在差异，所以很难建立通用的系统模型。Matlab的交互式模型与仿真环境——Simulink工具箱是一个用来对系统进行建模、仿真及分析的软件包。但是Simulink是一个动态的仿真环境，采用它来实现自动编号及网络拓扑结构识别时，需要解决代数环的问题;并且由于热力系统是一个封闭的循环系统，在计算完一个设备模块遇到支路分叉时，需要对模块间的计算顺序进行控制，而这一点在Simulink中很难实现。考虑到系统的直观性和工程应用性，我们采用Microsoft Visio解决方案来实现。

Microsoft Visio是近年国外较流行的图形化解决方案开发平台之一，具有强大的图形操作功能[6]。通常Visio解决方案是指将现实世界模型化并用来解决特定的绘图问题的Visio图形和程序的组合。Microsoft Visio支持ActiveX技术，这是Microsoft软件平台中的一种完全面向对象的技术，它使面向对象化的编程语言和应用程序可以通过ActiveX与Visio进行通信，连接和控制Visio中的图元和作图对象。Visio以其独特的模板、模具、形状、拖拽式绘图方式和智能图形技术，使得不具有专业绘图基础的人员也能充分利用图形表达自己的思维，对客观世界或思维活动进行抽象和建模[7]。本文采用计算功能强大的Matlab结合Microsoft Visio实现图形化建模中的自动编号技术。用Visio制作模块资源库，用来搭建热力系统模型，在Matlab中使用ActiveX技术生成Visio控件对象后调用该对象的各种事件和属性，从而完成可视化仿真的自动化。设备号和管道号在仿真时都能够自动生成，因此，操作人员不必担心设备号和管道号的错误和重复问题。

2 热力设备自动编号

2.1 热力设备模型

火电厂中有许多设备，如汽轮机、发电机、锅炉等，其结构很复杂，但利用面向对象技术可不考虑其具体结构和与其他设备的关系，只考虑其输入、输出参数和性能参数，利用模块化思想就可建立模块库。这对于生成易维护、通用性好的模拟集成系统有一定的实际意义。

以逐级自流式加热器为例说明模具的开发过程。模具的开发包括定义模具的几何外观和物理属性两个步骤。加热器的外观是用Visio绘制而成。通常，逐级自流式加热器具有五个连接点：给水入口、给水出口、抽汽入口、上级疏水入口和本级疏水出口。加热器模具用以上五个连接点来表征。连接点用于“锁定”设备和管道支路的连接，它主要是用来识别热力设备的连接关系。

加热器模具除了定义几何外形外，还需定义一些物理属性，如：加热器上下端差、散热效率、设备节点以及各个连接点的编号等。Visio允许用户为对象指定一些自定义属性。Visio不会对这些自定义属性数据进行解释，如何使用它们完全由解决方案的开发者决定，加热器的这些物理属性就是为建模中的网络拓扑识别分析和热力系统二次参数的计算设置的。打开加热器模块的自定义属性对话框，输入设备成管道的相应编号，如：上面提到的逐级自流式加热器其设备编号为4、给水管道编号为5等。对象模块的ShapeSheet结构如表1所示。

表1 对象模块的ShapeSheet结构Tab.1 ShapeSheet structure of the object module

定义的所有几何和物理属性都被存储在一个被称为ShapeSheet的数据结构中。ShapeSheet是一个由Visio提供给开发者相对低级的、强有力的开发工具。ShapeSheet分为若干个小节(section)，每个小节是一个二维的数据表格，对象的所有属性和行为都存储在这些表格的单元(cell)中。

2.2 设备、支路编号的自动实现

利用流体网络的方法编写关联矩阵方程时，需要对各支路和节点进行编号。热力系统中的设备均构成闭环回路，且每条管道支路的两边均连着设备节点。编号的解决思路如下：在Matlab中捕捉Visio的Shape添加事件，经Matlab处理后，标志和编号被送入Visio中的模型自定义属性表并保存。以管道为例，具体实现过程如下。

首先，在Matlab中定义一个变量N和一个二维数组pipe[标志，编号]n×2，变量N定义为管道编号标志，它用来记录系统中共有多少个管道支路;而二维数组用来定义系统中每个管道的编号及标志。每向系统添加一条管道支路，变量N将自动加1，此时该管道被赋予一个标志;之后Pipe数组从1开始自动搜索已用编号，当搜索到第一个未被使用的编号时，将它作为该管道的编号存入Pipe数组中，同时将其送入Visio的管道支路模块属性表。每从系统删除一条管道支路，Matlab先识别哪条支路被选中，之后从Pipe数组中自动删除其相关记录，变量N将自动减1，同时Visio中的相应模块及其属性表被删除，从而完成管道的自动编号。

自动编号流程如图1所示。

图1 自动编号流程图Fig.1 Flowchart of automatic numbering

3 应用实例

某电厂25 MW机组热力系统是由两级高压加热、三级低压加热带一级除氧组成的六级回热系统。热力系统中汽水循环过程为：汽轮机做完功的乏汽被凝汽器冷却成凝结水，凝结水经凝结水泵送到低压加热器加热，然后经除氧器除氧后进入高级加热器。高级加热器出来的水经省煤器、汽包、过热器后变成过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机后做功，将热能转变为动能，进而转化为电能。之后的乏汽再次进入凝汽器进行循环。

利用模型库搭建的热力系统模型如图2所示。图中设备模块上以及管道上的数字代表设备和管道在整个热力系统中的编号。设备及管道的自动编号不但便于系统建模时的更改，更为实现热力系统热平衡模块化计算提供了相关信息。利用热力系统模型，并结合热力系统计算软件包，就可以计算热力系统相关参数。

图2 热力系统模型Fig.2 Thermal system model

系统参数以及回热系统的参数分别如表2、表3所示。在进行热力系统热平衡计算时，软件包直接调用该模型即可得到运算结果。该结果可与实际运行的测量参数进行比较以确定机组的运行状态，也可以通过该结果评估新老电厂的经济性能。如果设备实际运行的参数与此相差较大，则说明该管道发生了故障，应该对其进行维护，从而保证了机组的安全运行。

表2 系统参数Tab.2 System parameters

表3 回热系统参数Tab.3 Parameters of the heat return system

此外，通过对热力设备性能参数的变化趋势进行分析，并将电厂DCS系统历史数据库中实际值与设计值或机组的目标值进行比较，可以得知设备的运行状况，及早发现设备的故障征兆或诊断出设备的故障。

热平衡计算得到各管道支路的温度、压力、焓、流量等参数如表4所示。

表4 热平衡计算结果Tab.4 Calculation results of thermal balance

4 结束语

目前，单元机组经济性分析及运行优化软件包往往只针对某特定机组开发，可移植性、通用性都较差。本文提出了采用Visio二次开发的模型库以及Visio结合Matlab的自动编号技术。

应用该技术可以使工程技术人员通过简单组态的方式建立复杂热力系统的模型。此外，该方法还可以使建模、仿真过程简捷、高效。应用该方法对某电厂25 MW机组热力系统进行建模仿真，并对该热力系统进行热平衡计算，结果表明本文提出的方法能够方便地进行模型建立和修改，能够准确地进行热力计算。因此，该方法是可行的。

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