垃圾焚烧发电机组仿真系统的研制与开发

李 祥,王廷举

(1.安徽皖能环保发电有限公司,合肥 230000；2.博努力(北京)仿真技术有限公司,北京 100085)

0 引 言

随着我国工业化和城市化的快速发展，城市生活垃圾问题越来越受到人们的关注，当前，我国城市垃圾每年生产量超过2亿吨，且近年来基本上以10%的增速在增长。环保的压力越来越大，国家正大力推进垃圾焚烧发电技术，通过垃圾的焚烧达到垃圾无害化、减容化、资源化的目的[1]。垃圾的干燥、燃烧、燃尽、燃烧产物的处理等问题非常复杂，急需提高从业人员的操作能力和技术素质。目前，最为有效的方法是建立全范围的垃圾焚烧发电模拟系统，对从业人员进行培训。

随着仿真技术的发展，电站仿真培训系统已经十分普遍，国内在使用的仿真系统不下于千余套[3]。但是，垃圾焚烧机组的仿真系统却寥寥无几，即使早期开发了个别垃圾焚烧机组的仿真系统，但从技术上也已比较陈旧。皖能环保长丰垃圾焚烧发电机组的仿真系统委托博努力(北京)仿真技术有限公司开发，经过双方的密切合作，成功研制了全范围垃圾焚烧发电机组的仿真系统，为垃圾焚烧发电机组从业人员的培训提供了帮助。与传统仿真机相比，长丰垃圾焚烧发电机组仿真系统采用了国际先进的一体化多学科仿真平台、高精度的机理型垃圾焚烧数学模型、生动逼真的3D电气就地操作仿真，开发了多种灵活方便的培训与考核功能，取得了令人满意的培训效果。文中将对长丰电厂的仿真培训系统的技术特点与功能做以简要介绍。

1 仿真系统的技术特点

1.1 多学科仿真支撑平台MSP

支撑平台软件功能是否强大、友好是仿真机开发成功的关键。多学科仿真支撑平台MSP(Multi-SubjectSimulationPlatform)是博努力公司根据多年来开发仿真机的实践经验，吸取国内外仿真支撑软件优点，自行开发的大型一体化仿真支撑平台[2]。

MSP能够为大型复杂系统的连续过程仿真提供设计计算、调试、数据访问、运行管理等功能。提供多种插件支持，通过增减插件能够方便地对平台进行功能扩展和屏蔽；采用以TCP/IP协议为基础的P2P网络模型，既能够将仿真开发和运行部署到更大的范围上，也能够通过裁减而满足多种网络应用需求；提供可配置的计算调度模式，能够根据计算机的硬件对仿真计算进行灵活配置，既可以充分的利用多核计算机的计算资源，又可以兼容已有的单核计算机。

1.2 多组份热力系统模型

国内的火电仿真机的热力系统模型基本上采用均相流模型，而实际热力系统是复杂的多组分、两相流过程。因此，均相流模型很难模拟两相流的系统运行过程。本项目的热力系统建模工具PowerBuilder采用六方程模型，对汽相、液相分别建立质量、动量、能量守恒方程，汽相与液相之间的转变采用漂移流模型。对气相采用多组分模型，组分包括N2、O2、H2、CO2、CO、CH4、NOx、SO2等十多种成分。PowerBuilder可快速稳定求解热力系统的压力和流量，可以准确模拟各种工况，如汽液相非平衡，系统泄漏，管道充水等情况下的系统压力的快速变化。PowerBuilder所使用的基本方程可表达如下：

(1)质量守恒方程

(1)

(2)动量守恒方程

(2)

(3)能量平衡方程

(3)

式中，M为质量；ρ为密度；v为流体速度；fin为流入质量流量；fout为流出质量流量；Cp为定压比热；Tin为流入温度；Tout为流出温度；fb为蒸发产生的流量；fc为凝结产生的流量frxn为化学反应的流量；L为流道长度；g为重力加速度；ΔP为流道中泵的压头差；Pf-w为流体与壁面的压降；Pf-f为流动压降；K为壁面损失系数。

在以上三个守恒方程中，质量守恒方程充分考虑了液相的蒸发、汽相的凝结以及可能产生的化学反应。在动量守恒方程中，针对流体的流动状态，对层流和湍流分别考虑，依据流体的雷诺数(Re)来判断。Re>2300时，流动为湍流，压力以流动速度的平方下降。Re<2000 时，流动为层流，且压降与流动呈比例关系。对于 Re 在 2000～2300 之间，流动在层流和湍流之间变化。最后使用PowerBuilder建立相应的某垃圾焚烧机组的汽水系统仿真模型。

1.3 垃圾焚烧炉膛模型

与常规的发电机组相比，垃圾焚烧发电机组的主要区别在于燃烧系统的不同，其燃料为垃圾,热值很低；燃烧方式为炉排层状燃烧，给料方式、燃烧过程以及烟气成分、灰层特性、飞灰特性也与燃煤锅炉有显著不同；炉内温度场、流场、烟气成分复杂，一、二次风调节对燃烧影响的规律复杂，因此必须从垃圾燃烧反应机理和烟风流动机理出发，建立机理模型。

由于垃圾组分的多变，对各种成分在不同燃烧情况下的产物的建模必须准确，而不像传统煤粉燃烧仿真仅需考虑烟气的传热特性和烟气含氧量就可以了，这大大增加了建模的难度。垃圾燃烧的反应过程很复杂，垃圾燃烧在一定条件下发生的反应分为：(1)水分蒸发；(2)高温热解，反应产生挥发分和焦炭；(3)挥发分的气相反应和焦炭燃烧等。因此需要建立以下仿真模型：

(1)垃圾干燥过程的模拟。

(2)挥发分析出过程与燃烧的模拟。

(3)碳燃烧的模拟。

(4)能量平衡方程。

(5)炉排模拟。

(6)分仓风室模型。

(7)给料系统模拟。

(8)燃烧产物成分的模拟。

1.4 生动逼真的3D电气就地操作模拟

随着计算机技术的高速发展，将三维虚拟仿真技术应用到火电厂就地操作仿真成为可能。本项目采用博努力公司开发的3D引擎Surya3D，并采用3DMax建模技术来模拟、构建电气就地操作场景，包括配电室、开关柜、操作面板等，所有设备的位置以生产现场的位置为依据，所有设备均按照生产环境的实际标高和尺寸制作。可真实形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，实现对电气就地系统的巡视、检查，实现对虚拟场景中的设备操作、维护保养、故障排除等工作，使操作具有很强的真实感、现场感。

在3D虚拟仿真软件和2D控制室数值仿真软件的基础上，用OPC通讯协议开发了3D与2D仿真系统的交互通讯软件，实现了3D系统与2D系统的交互嵌入。从而实现电气系统的3D就地操作仿真。同时，可以在电气就地虚拟场景中设置安全用具，如各种常用的标示牌，安全帽，消防栓，消防沙，灭火器，围档等。下图是某垃圾焚烧发电机组电气开关柜的3D仿真。

2 仿真范围与功能

2.1 仿真范围

2.1.1 焚烧炉系统

焚烧炉系统仿真范围主要包括：锅炉本体、汽水系统、垃圾给料系统、烟风系统、风烟及燃烧系统、吹灰系统、疏水和排汽、仪用空气系统。

2.1.2 汽轮机系统

汽轮机系统仿真范围主要包括：汽轮机本体、主蒸汽、抽汽系统、汽轮机调节保安系统、凝结水、除氧器系统、给水系统、加热器疏水系统、汽机轴封系统和汽机疏水系统、循环水系统、汽轮机润滑油及油处理系统、凝汽器和抽空气系统。

2.1.3 电气系统

电气系统仿真范围主要包括：发电机变压器组、发电机励磁系统、同期系统、10 kV厂用电系统、380 V厂用电系统、直流系统、UPS系统、电气控制系统(EMS)。

2.1.4 热控系统

热控系统仿真范围主要包括：数据采集及处理系统(DAS)、顺序控制系统(SCS)、炉膛监控系统(FSSS)、汽轮机电液控制系统、模拟量控制系统(MCS)、汽轮机紧急跳闸系统(ETS)等。

2.1.5 烟气处理系统

垃圾焚烧的烟气处理系统，采用非选择性催化还原法SNCR和催化还原法(SCR)脱硝装置，在锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量条件下，脱硝效率不小于80%，脱硝还原剂采用20%的氨水。

其仿真范围包括氨区和SNCR/SCR反应区，氨区包括氨卸料系统、氨水储存系统、氨水蒸发系统、事故喷淋系统、冷却喷淋系统、废氨吸收系统；SCR反应区包括氨气/空气混合系统、氨喷射系统、反应器系统、控制系统、压缩空气系统等。

2.1.6 渗滤液系统

垃圾渗沥液处理系统的工艺一般为预处理、UBF厌氧、外置式膜生物反应器(MBR，两级硝化反硝化+超滤)、两级纳滤(NF)、反渗透(RO)。

其仿真范围包括：预处理系统、双向管道系统、UBF厌氧系统、MBR系统、两级纳滤(NF)、反渗透(RO)、纳滤浓缩液处理系统、离心机系统、应急火炬系统、液氧罐系统。

2.2 仿真系统的功能

2.2.1 机组正常运行工况仿真

(1)从冷态、温态、热态到满负荷的启动操作。

(2)机组从满负荷的停机操作。

(3)其他指定工况启、停或升、降负荷的操作。

2.2.2 机组异常运行工况仿真

仿真机能模拟垃圾焚烧机组实时运行中各种异常和故障情况，并有正确的反应结果。仿真机各种组合故障数千个，对于故障和事故，学员可在操作员站上进行操作处理。

2.2.3 操作票演练功能

针对垃圾焚烧发电机组的仿真操作训练，将机组的启动、停止、各种状态的运行、以及故障模拟操作分为若干个工作任务，对这些任务一一编写操作票，可对每一个任务进行单独的操作培训。在培训过程中，采用演示、练习交替，任务驱动，目标导向的培训模式。学员培训时，只需要在操作票上点击右键，即可以弹出“演示模式”、“练习模式”的选项(如图所示)，实现培训的演示与练习相结合的模式，针对学员的个人需要进行不同的操作票练习，快速提高学员的技术水平和操作能力。

图 操作票培训示例

2.2.4 考核功能

配合仿真机的操作培训，本项目开发了自动考评系统软件。可以在局域网内同时或分别进行在线考评，可以自动向任意一个单机用户或一个协同培训群分发试卷，并自动生成考评结果。考评系统由考题模板、模块化考题、自定义考题、试卷库四部分组成。

在考评时，教师选择考卷可同时对多个学员进行考评，考评结束后直接得出成绩汇总表和含有学员信息的考评报告。考评报告的内容包括：

(1)考试信息：包括考生的姓名、得分、考试开始时间、结束时间。

(2)考题信息：包括考题的名称、得分、难度、判分的细则。

3 仿真精度及效果

垃圾焚烧发电机组仿真系统采用逼真的数学模型，符合实际机组全工况全物理过程的机理性模型，遵守质量、能量和动量守恒定律。如汽水系统建模采用了高精度的六方程模型，对汽相、液相分别建模，燃烧模型将炉排沿运动方向分为干燥段、燃烧段、燃尽段，每段又分为若干子段进行建模，共计分为120个子段，确保了仿真模型的精度。仿真机组的重要参数，如：主蒸汽压力、温度、流量，出口烟气温度，给水压力、温度、流量，机组功率等的静态精度在0.5%内，动态精度在5%内，完全可满足仿真培训的要求。

4 结束语

垃圾焚烧发电机组仿真模拟的关键在于垃圾燃烧过程、传热、燃烧产物、烟气处理系统的建模，同时开发了3D就地仿真系统。在培训功能上开发了操作票演练功能和自动考评系统，这是博努力公司的特有技术，大大提高了仿真培训的效率和针对性。垃圾焚烧机组仿真系统已正式验收并投入运行，员工培训效果良好,并为垃圾处理和环保事业做出重要贡献。