基于simuworks软件工业锅炉仿真

刘 欢 岳 忠 侯欢欢

（首都经济贸易大学，北京 100070）

SimuWorks是为大型科学计算、复杂系统动态特性建模研究、过程仿真培训、系统优化设计与调试、故障诊断与专家系统等，提供通用的、一体化的、全过程支撑的、基于微机环境的开发与运行支撑平台。软件采用了动态内存机器码生成技术、分布式实时数据库技术和面向对象的图形化建模方法，在仿真领域处于国内领先水平。

锅炉是一种特种设备，在实际正常运行过程中不能停炉，调整工况。锅炉工作有两个显著特点：一是承受高温高压；二是维持连续运转[1]。若对实体锅炉进行研究，将会造成公司停产，对公司的经济效益影响很大。在教学过程中，学生只能参观锅炉的外在设备，对其正常运行状况以及故障状况下实际情况不能直观理解。另外，锅炉操作工是特种工种，国家相关规定要求要对其进行培训，并且凭证上岗。以前的培训是课堂式的，而将传统培训转化为仿真机上培训，将会更加的形象化和整体化。

本论文通过simuworks软件对工业锅炉进行仿真，锅炉实际无法操作的过程可以通过仿真机来完成，仿真机开发实验模块为学生学习锅炉安全技术提供形象化的实验平台。因此，对工业锅炉进行仿真是十分有必要的。

1 锅炉系统概述

锅炉设备基本参数如表1所示。

表1 锅炉基本参数

2 系统仿真的建立

2.1 仿真平台介绍

SimuWorks仿真软件模块的边界即为设备的自然边界，并指定工质在各模块之间流经的出、入口情况。利用模块资源管理器SimuManager对锅炉仿真模块的管理，可对模块库进行扩充，也可根据需要对模块进行删除和修改。利用仿真引擎SimuEngine可以获得实时网络数据库，对锅炉进行在线调试，模拟其在正常状态和故障状态时的运行情况。

2.2 仿真平台的制作

仿真系统主界面，如图1所示。

图1 仿真系统主界面

3 仿真机的功能

3.1 正常运行

3.1.1 检查准备

锅炉机炉启动前的检查工作，注意给水压力，启动渣水泵、冷却水循环泵，检查冷却水情况、除尘器运行情况，检查地沟喷嘴，注意各路冷却水畅通。

3.1.2 上水

（1）在SimuMMI下显示的Visual Graph图形中点击上水按钮会显示关于上水的相关知识。

（2）全开Visual Graph图形中循环泵的总门，用图形中干路给水调节阀控制上水，点击后会产生调节阀二级界面。上水应缓慢进行，锅炉水位从无水到上锅筒水位计负100mm处所需的时间，冬季不少于2小时，夏季不少于1小时，上水时不得影响运行锅炉的给水。

（3）在上水过程中，应检查各上锅筒、各联箱的手孔门及各部位的阀门、法兰、堵头等是否有漏水现象。当发现漏水时，应停止上水，并通知车间，进行处理。在SimuMMI中的具体表现是数字超过本身额定上水控制范围，显示警告。

（4）在模型中当锅炉水位升至上锅筒水位的负100mm处停止上水，此时停止20分钟，水位应不变，若水位有明显变化，应查明原因予以消除。如锅炉原已有水，经化验水质合格，方可使用。如水质不合格，可将炉水放掉，重新上水。

（5）需要说明的是锅炉启动燃烧时的配风分为三股风：第一股为燃烧风亦称点火风，经点火风口和稳燃器进入风道，用来满足油燃烧需要。第二股风为混合风，经预燃室的内外筒之间进入风道内，将油燃烧产生的高温烟气降到启动所需温度，同时这股风对燃烧器壁起冷却作用。前两股风均为一次风机出口的冷风。第三股风为锅炉正常运行的一次风，启动时挡板也有一定的开度，这股风取自预热器。在本模型中省略前两种风的配送，以自然进入代替模拟，当显示数据的时候仅显示从空气预热器中输出的这股风。

3.1.3 烘炉

新装、迁装、大修或长期停用的锅炉，在点火升压前应进行烘炉，在炉膛中用文火慢慢地烘烤炉壁，并使受热面逐渐受热膨胀。在SimuMMI中可直接点击烘炉按钮，会弹出一个二级窗口显示烘炉的相关知识。同时在Simubuiler的后台运行中炉膛内的温度也将相应地有所上升，以达到烘炉目的。由于是正式运行点炉前的准备工作，本温度数值的上升并不在Visual Graph图形中显示，仅在后台运行，如需得知温度可直接运行后台动态查看。这时的送煤量应控制在少量，煤柴同时供应。

3.1.4 煮炉

将药品溶化，用加药泵注入锅筒，加热升温，使锅水沸腾，维持10-12小时之后减弱燃烧，进行排污，并保持水位；再加强燃烧12-24小时，然后停火冷却，排出锅水，并及时用清水冲洗干净，直至各部件水侧无污物为止。在SimuMMI中可直接点击煮炉按钮，会弹出一个二级窗口显示煮炉的相关知识。在煮炉过程中上锅筒水压保持恒压，不用升压，流量不变，水温在煮炉过程中先升起，后维持平衡状态。烘炉过程中Simubuiler会呈现温度上升的趋势，煮炉中无显示，故Visual Graph图形在上锅筒数据方面无显示。

3.1.5 点火与升压

（1）点燃木柴，用自然通风燃烧（打开炉前检查门、第一二道风门），视情况开启吸风机，将负压调至20～30Pa。（2）木柴燃尽后，方可逐渐开车，适当增加吸送风量，加快炉排速度，增加给煤量。（3）生火过程中，水位将逐渐变化，此时应注意上、放水，保持正确水位。（4）投自动连锁。（5）锅炉升压。锅炉升压过程中应严格控制升压速度，严禁急速升压。一般从开始升压至正常压力，所用时间不少于2小时。

开启主气门前主汽母管的泄水门，上锅筒压力升至0.1MPa时，全开连续排污门并冲洗水位计，冲洗程序如下：①开放水门，使汽连管、水连管及玻璃管得到冲洗。②关水门，冲洗汽连管和玻璃管。③开水门，关汽门，冲洗水连管。④开汽门，关放水门，检查水位计水位，与另一水位计比较，此时水位计很快上升，上升后水面微微波动，如水位上升缓慢，则应分析，再冲洗。进行上述工作时，操作应缓慢，并戴手套，身体不要正对水位计玻璃管。

当汽压升至0.2Mpa时，关闭主汽母管泄水门。当汽压升至0.3MPa时，应定期排污一次，排污时间每个不准超过30秒，汽压升至0.4MPa时，对检修过的阀门等，通知检修人员热紧螺栓。将锅炉升至工作压力。

3.1.6 暖管与并汽

（1）锅炉设备运行正常，燃烧稳定，开启并汽炉前的疏水门进行疏水。（2）锅炉蒸汽品质合格。（3）并汽锅炉压力比母管压力低0.05～0.1MPa。（4）上锅筒水位计维持较低水位。（5）并汽时应注意压力表、水位计和主汽流量表的指示值。若主汽管内发生水击现象，应立即停止并汽工作，减弱燃烧，加强主汽母管疏水，待恢复正常后，重新并汽。（6）在SimuMMI中可直接点击暖管并汽按钮，则会弹出一个二级窗口显示暖管并汽的相关知识。

3.1.7 停炉

（1）分层装置关到零位将链条解开，与有关炉联系，逐渐降低负荷，相应降低炉排速度和风量，维持汽压的稳定，保持上锅筒水位在正常水位范围内。（2）改自动运行为手动运行。当煤燃尽走净后，停止送风机运行，5分钟后停止吸风机。打开各段放灰挡板进行自然通风，炉排继续转动一周，以便空气通过炉排使其冷却。（3）当上锅筒水位下降时，应向锅炉进水，当水位计升至最高水位时，停止上水，打开再循环门，关连排门。除渣机内灰渣走净后停止运行。

3.2 故障运行

3.2.1 事故故障处理原则

对于本模型仿真的实创单位锅炉系统，当机组发生事故时，汇报值长，应综合分析各参数变化及设备故障现象，沉着、冷静、迅速、准确地处理事故，力求将事故损失减到最小。

3.2.2 紧急停炉

（1）紧急停炉条件。①锅炉严重满水，在Visual Graph图形中水位达+250mm时。②锅炉严重缺水，在Visual Graph图形中虽经补水仍不见上锅筒水位。③锅炉所有水位计损坏，无法监视上锅筒水位时。④受热面爆管，无法维持上锅筒水位。⑤锅炉灭火，在VisualGraph图形中炉膛温度无显示。

（2）请示停炉条件。①锅炉主要承压部件泄露，能基本维持上锅筒正常水位。②锅炉主给水调节设备损坏，经采取措施无法维持上锅筒正常水位时。③水位计损坏，短时无法修复时。④锅炉炉排压力达9KPA，经多方调整无法恢复正常时。⑤当炉排温度大于1 000℃（仅在Simubuilder中显示），经调整无效并有上升趋势。

（3）紧急停炉操作步骤。①在本公司仿真模型中如锅炉主联锁未动作，应立即按“手动MFT”按钮，确认各跳闸电机。②将各自动改为手动操作，视情况果断关断减温水手动总门，密切注意汽温、汽压变化，调整上锅筒水位，炉膛负压正常。③若汽机已打闸，根据汽压情况，开启对过热再热空排汽阀并调整其开度或投入一、二级旁路。④若停炉后5分钟内不具备恢复条件，应汇报值长，停运行风机。其余操作按正常停炉处理。

若具备恢复条件，有必要时，炉膛吹扫后，重新点火恢复。由于本步骤是针对紧急停炉，故不涉及画面动态。

（4）紧急停炉注意事项。①锅炉严重缺水时，短期内严禁向炉内进水。②发生烟道再燃烧时，紧急停炉，及时停运鼓风机及引风机，紧闭烟风系统。③锅炉紧急停炉也尽可能保证床温变化率小于100℃/h。④迅速断绝锅炉燃料，及时降负荷运行。⑤如果燃烧室内发生严重泄露，则停止向锅炉供水，并迅速将炉排床料除掉。⑥如果对流烟道中发生泄露，应维持正常上锅筒水位。

3.2.3 锅炉缺水事故

（1）锅炉缺水的现象。①水位低于最低安全水位线，或看不见水位，在Visual Graph图形中水位表玻璃管上呈白色。②水位计呈全部气相指示颜色。③高低水位警报器发生低水位警报信号。在Visual Graph图形中由Simubuilder后台指挥运行。④低水位联锁装置，水位低于规定值应使送风机、引风机、炉排减速器电机停止运行。关闭VisualGraph图形中的干路阀门。⑤过热器汽温急剧上升，高于正常出口汽温。⑥锅炉排烟温度升高。⑦给水流量小于蒸汽流量，如若因炉管或省煤器管破裂造成缺水时，则出现相反现象。⑧缺水严重时，可嗅到焦味。⑨缺水严重时，从炉门可见到烧红的水冷壁管。⑩缺水严重时，炉管可能破裂，这时可听到有爆破声，蒸汽和烟气将从炉门、看火门处喷出。

（2）锅炉缺水的处理。①通过“叫水”判为严重缺水时，必须紧急停炉，严禁盲目向锅炉给水。②通过“叫水”判为轻微缺水时，应减少燃料，鼓风，引风，并缓慢给水。

3.2.4 锅炉满水事故

（1）锅炉满水的现象。①水位高于最高许可线，或看不见水位，水位表玻璃管内颜色发暗[2]。②双色水位计呈全部水相指示颜色。③高低水位警报器发生高水位警报信号。④过热蒸汽温度明显下降。⑤给水流量不正常地大于蒸汽流量。⑥分汽缸大量存水，疏水器剧烈动作。⑦严重时蒸汽大量带水，含盐量增加，蒸汽管道内发出水锤声，连接法兰处向外冒汽滴水。

（2）锅炉满水的处理。冲洗水位表，确定是轻微满水还是严重满水。方法：先关闭水位表，水连管旋塞，再开启放水旋塞，如能看到水位线下降，表明是轻微满水，停止给水，开启排污阀，放至正常水位。严重满水时，应采取紧急停炉措施。

4 结论

4.1 利用simuworks软件对工业锅炉进行仿真，可模拟工业锅炉启动、正常运行的情况。

4.2 利用simuworks软件对工业锅炉进行仿真，可模拟工业锅炉故障运行状态下的参数变化，为锅炉事故的预防提供分析依据。

4.3 在此仿真的基础上连接传感器可以对工业锅炉的过程参数和运行状态进行显示和处理，为实现自动化控制提供技术支持。

[1]冯维君.锅炉压力容器安全知识[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2005：2.

[2]刘清方，沈贞珉.锅炉安全[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2004：261.