水泥生产线余热电站仿真系统

水泥生产线余热电站仿真系统

WHRSimulation System in Cement Production Line

王 林，祝 强

近些年来，余热电站作为水泥生产线的一个必不可少的附属车间要充分发挥其经济效益，必须减少设备故障率并且降低运行维护成本，这就对余热电站操作员的操作水平有了更高的要求。以往的培训受各方面条件限制，只能进行理论知识讲解和运行电站现场观摩，无法让操作员进行实际操作，严重影响了培训效果。为进一步提高操作培训水平，提升企业的自主创新能力和科技发展水平，并为后续研发与工程建设提供可靠的技术支持，有必要建立一套针对水泥生产线的余热电站仿真系统（以下简称仿真系统）。本文就我公司水泥生产线余热电站仿真系统的构成和基本功能做了简单的论述。

水泥生产线；余热电站；仿真系统

水泥生产线余热电站仿真系统是在火电机组仿真技术的基础上结合水泥生产线余热电站的技术特点建立的。仿真系统可以作为实验平台进行不同方式的机组启停操作实验，监视各种过程运行参数和运行指标，优化电站运行方式，进行控制系统的研究和改进工作；还可作为运行操作人员的培训平台，实现机组正常工况和异常工况下的运行操作训练，培训复杂的、长周期的顺序操作流程，加强对过程因果关系的理解，节约培训经费，达到使受训人员能够在各种状态下进行正确的判断和事故处理操作的目的。以下就仿真系统的软硬件组成和功能等做详细的介绍。

1 系统软硬件构成

考虑仿真系统的主要应用目的，采用软件与硬件结合的模式。本系统采用了和利时公司产品，该公司的仿真软件集成在其自主开发的HOL⁃LiAS MACS系统产品线之中，仿真机使用真正的DCS软件和先进的虚拟DPU技术，即仿真中操作员站软件和工程师软件与现场完全一致，现场DCS组态可直接复制到仿真机中，最大程度地提高了仿真真实度、开发效率及培训效果，拓展了仿真功能。

软件系统包括：

（1）MACSV_OPS：基于和利时集成化系统1.0平台DCS操作员软件。

（2）MACSV_ENG：基于和利时集成化系统1.0平台DCS离线组态软件。

（3）MACSV_SERVER：基于和利时集成化系统1.0平台DCS数据服务软件。

（4）SimuRTS：基于和利时集成化系统1.0平台DCS虚拟DPU软件。

（5）DPUOPC Server：：基于和利时集成化系统1.0平台虚拟DPU及OPCClient服务器软件。

（6）SimuWorks：基于和利时集成化系统1.0平台仿真运行支撑软件。

（7）YRFD：基于和利时集成化系统1.0平台余热发电数学模型。

（8）OPCClient：基于和利时集成化系统1.0平台通讯软件。

硬件系统包括：

（1）服务器1台：作为数学模型站兼教练员站。用于过程模型的开发，在培训过程中还可以加载冷态、热态、正常运行、故障等各种工况，且切换简便；作为教练员平台考察培训人员对于现场工况变化的应变能力和操作水平。

图1 系统结构图

图2 双压热力系统图

（2）工程师站1台：模拟电站工程师站权限，对实时DCS系统组态编程。

（3）操作员站5台，分别用于：

a窑头余热锅炉控制站：模拟窑头余热锅炉操作员站权限，包括烟风和汽水流程中所有设备启/停操作，各测点监控。

b窑尾余热锅炉控制站：模拟窑尾余热锅炉操作员站权限，包括烟风和汽水流程中所有设备启/停操作，各测点监控。

c汽机控制站：包括汽机热力系统、油系统设备的各种操作，DEH系统的监控和操作。模拟汽机冷态、冲转、空载、升负荷、降负荷等各种运行状态和保护功能的投/退。

d就地操作控制站：实际中所有需要就地手动操作的设备，如手动阀门的开闭，就地按钮的控制等由就地操作控制站实现模拟。

e电气综合控制站：模拟电站综合自动化保护系统和400V低压配电系统的操作，继电保护功能投/退，设备送电/断电，同期并网等操作均由此站实现模拟。

（4）交换机1台：用于组建内部网络。

（5）电气控制屏2面：用于模拟实际电站中/低压系统的电参数显示，断路器分合闸操作，励磁系统操作等。

（6）42寸液晶电视2台：此部分用于模拟余热电站中控室内工业电视监控系统。1台用于连续运行时间和累计发电量参数，1台用于余热锅炉汽包水位、振打电机工作状态及各主要辅机（如锅炉给水泵、配电室、除氧器、油站等）的运行状态监视。现场采集视频和照片，由仿真软件加载模拟。余热锅炉汽包水位为实时变化，在图片中将水位部分用红/绿棒状图表示水位的变化，与水位参数变化保持同步，便于培训。系统结构如图1所示。

2 参数的确定

本仿真系统目前选择的是国内典型的5000t/d水泥生产线，配套9MW余热电站，双压系统（可切换为单压系统）作为建模基础，热力系统见图2。作为建模基础的主要系统参数见表1、表2。

表1 建模基础的主要系统参数

表2 汽轮机系统参数

由于水泥生产线窑头、窑尾排出废气的温度变化范围大，且没有规律，很难对其进行数学建模，但考虑到培训需要，要求窑头、窑尾余热锅炉废气温度随机变化的频率为20s，3h（工程师级别可调整时间）为一个几率计算周期。根据多个实际投运5000t/d生产线窑头、窑尾废气参数的标定数据，最终确定仿真系统窑头、窑尾废气参数变化范围和几率，如图3所示。

3 建模组态

本系统由仿真支撑平台SimuEn⁃gine和图形化建模工具SimuBuilder搭建,在SimuBuilder环境中，利用系统提供的模块和用户自己开发的模块，根据仿真对象的组成，用图形的方式进行模块组合，构建仿真系统配合SimuEngine的仿真支撑，利用SimuBuilder对所构建的仿真系统进行调试，直至形成稳定的最终产品。

SimuEngine的模型开发，采用Fortran语言编写，对模型源程序进行扫描、编译并生成可执行程序。Sim⁃uEngine与生成的可执行程序通过实时变量数据库共享，采用变量名对数据辨识的方法，对变量进行统一管理。既可以直观的方式显示数据，也可方便地对数据进行在线修改，从而达到对模型程序进行在线调试的目的。开发流程如图4所示。

（1）对源程序进行编写、扫描，其中SimuEngine对变量的描述进行了扩充，用来描述变量的类是TVar类，也是SimuEngine的核心数据结构,利用这一数据结构，可以完整描述一个变量的所有性质。整个系统基于此数据结构定义变量数据库，利用结构中包含的变量名称实现数据的检索和存取。

（2）设定变量的扫描规则。

图3 窑头/窑尾余热锅炉废气变化参数范围和几率

（3）生成变量批处理文件（CMD文件）。

（4）变量入库：信息窗口中会提示变量入库过程完成情况，表示变量入库工作已经完成，可以在“数据浏览”窗口中看到已经加入数据库的所有变量。

（5）对源程序扫描完成后，用Fortran语言对源程序进行编译，编译完成后，会在窗口下面的状态栏中给出提示。

（6）模型开发完成后进行任务的生成与管理，以便进行数据可视化操作。数据可视化表现为数据表格、动态曲线、趋势图、直方图、流程图等。结合画面组态功能，在任何一种显示状态下，使用鼠标和对话框对显示画面进行修改，包括画面标题的修改、可视单元的增减与属性修改等。

（7）当变量数据库搭建完成后再结合SimuBuilder软件用图形的方式进行模块组合。采用SimuBuilder模块化建模的基本思想将大系统分解为数目合理、容易处理的基本部件和设备，以一种规范化的标准建立这些基本部件和设备的数学模型，再将其开发成通用的基本模块，连接组合得到整个大系统的仿真模型。以水泵为例，如图5所示。

通过上面的描述，可以看到实际设备的数学建模以及图形化的过程：首先按照实际设备的物理特性和工作原理，用数学公式进行描述；其次建立实际设备的机理模型；最后用形象的图形来表示这段机理模型。

4 功能介绍

仿真系统运行界面分为教练员级和培训员级。培训员级操作界面与实际运行的余热电站DCS操作员控制界面完全一致，并且增加了主系统图（见图6），便于学员从整体上理解整个余热电站的汽水流程。培训过程中学员根据运行规程对系统中各主辅机设备进行操作。运行界面分为锅炉控制、汽机控制、循环水控制、化学水处理、电气综保、就地操作、主页7个界面。

（1）锅炉控制界面分为锅炉总貌、锅炉集控、锅炉顺控、烟气主参数、窑头/窑尾余热锅炉烟风系统、汽水系统等8个子界面。窑头、窑尾操作员控制各自的子界面，余热锅炉运行中所有参数和设备均能从各自的子界面中进行监控。为了增加操作员实际操作经验，操作过程中可根据需要调整设备参数。例如：通过调整AQC锅炉入口阀门开度控制锅炉入口烟风量，锅炉内各段负压将发生改变，致使AQC锅炉过热蒸汽量发生变化，从而影响最终的发电功率。

图4 SimuEngine模型开发流程图

图5 数学模型

（2）汽机控制界面分为汽机热力系统、润滑油系统、汽机顺控、电调主控、ETS保护5个子界面。汽机电调主控界面参照和利时DEH电液调节系统，涵盖了汽机从冷态到冲转、并网、增负荷至额定功率运行所有状态。汽轮机是余热电站中重要的设备，一般培训只能理论讲解和现场观摩，不能亲自动手操作。加入电调主控界面使学员能够模拟汽机的启动、冲转、增负荷等操作。例如在汽轮机冲转时，用DEH缓慢给定升速值，当达到临界转速时，汽机各项振动指标会达到最大，学员可清晰看到整个冲转过程中各个参数的变化情况，这样既能使学员学习理论知识，也能增加实际操作经验，是仿真教学中十分重要的一环。电调主控操作界面如图7所示。

（3）电气综保界面主要模拟余热电站综合自动化保护系统和站用电辅机系统等，由10kV系统接线图、站用电系统接线图、电气保护、电气综合故障组成。模拟并网前后所有电气过程，包括设备送电、发电机启动前投入保护、发电的同期并网等。目前余热电站多采用自动并网，本仿真系统模拟自动并网过程（图8）。

（4）仿真系统模拟了现场实际运行中出现的各种故障，系统建模时就已经在故障库里添加了电气保护、电气故障、锅炉故障、汽机故障四个组。每一个故障组分别包含若干个

图6 总系统流程图

图7 电调主控界面

图8 10kV系统接线图

图9 故障管理界面

图10 英文操作界面

图11工业电视监控画面仿真子故障。教练员可以在教练后台机加载不同的故障，每个故障都会引起相应的参数变化（见图9），加载后学员通过不同故障在仿真系统中的表现和故障报警来判断故障类型，通过相应操作来消除故障，使设备恢复正常运行状态。该部分仿真可使学员在培训时接触大部分故障现象，当在实际运行现场出现相应故障时,能够及时分析原因，找出故障点并排除故障，减少损失。教练员还可以实际添加故障，完善故障仿真的功能。

（5）国外很多工程不能在当地已建成的项目进行培训，国内现场观摩又受到语言文字等条件限制。考虑到这一情况，仿真系统建立了中英文界面切换功能。面对国外项目可以方便地切换成英文界面，便于教练员与学员沟通，提高培训效率（图10）。

（6）仿真系统还增加了工业电视监控画面功能。所有图片均为现场实地采集，教练员在实际讲解过程中可任意调出对应的设备，更加形象地对学员进行讲解。所有设备图片均来自已经投运的余热电站现场，采集时间分为早晨、黄昏、夜间，系统自动根据运行时间调出不同时段的现场图片充分模拟现场工业电视监控系统（图11）。

5 结语

仿真系统自建成以来已对国内和国外业主进行了多次培训，收到了良好的效果。随着培训次数的增加和运行经验的积累，也显现了一些问题，例如故障报警英文界面显示数量有限，不能用完整的英文单词描述；工业电视监控画面不能加载视频只能采用多图循环播放等，这些都需要完善。随着对仿真系统的熟练掌握将来还会在该仿真平台上进行其他热力系统的模拟，对公司业务的拓展也有十分积极的作用。

[1]DLT 1022-2006,火电机组仿真技术规范[S].

TQ172.625.9

A

1001-6171（2013）05-0099-06

材节能股份有限公司，天津 300400；

2012-12-27； 编辑：吕 光