搜索
1火电厂仿真太原理工大学电气与动力工程学院热能系2参考书：张家琛编《火电厂仿真》北京：水利电力出版社1994、10唐世林编《电站计算机仿真技术》北京：科学出版社1996、113前言仿真：模拟真实设备运行模拟真实的过程模拟真实的环境4一、火电厂仿真技术应用的优越性1.减少培训费用，缩短培训周期仿真装置可模拟现场机组的启停、运行操作，还可进行现场不能进行的事故演练和操作实验、分析事故及电厂运行的经济性，不仅可对新的运行人员进行教育，而且可对原有人员进行再教育，对提高工作人员的素质，提高发电站运行水平和管理水平有重要意义。52.节约研究开发时间和经费利用仿真装置可不受现场各种条件的约束，对改造旧的和开发新的动力装置有重要意义。3.提高机组的安全性、效率和使用寿命由于培训和研究开发试验不在现场进行，可以避免现场的人为失误、减少停机次数、提高设备的安全性、提高机组使用效率及寿命。61955年，Profon首先将仿真技术应用于锅炉研究，其研究分为建模理论、燃烧模型、锅炉部件模型三部分，相继发表了许多有意义的研究成果。——可谓电站仿真的开端。1958年，K·L·Chien建立了第一个汽包锅炉模型。随着电力工业的发展和技术的进步，发电机组的容量不断扩大、参数不断提高、自动化程度越来越高，对运行操作人员的技术知识、操作水平、应变能力、熟练程度提出了更高的要求。为此，从20世纪60年代中期，研究人员开始探索采用脱离实际发电机组的实时仿真装置，对运行人员进行培训。二、火电厂仿真的发展历史71968年，美国建成的Dresden电站仿真装置，标志着电厂仿真应用的开始。在1970年以前，限于数字计算机的水平，当时开发的仿真装置都是采用的模拟电路，且只能对电厂局部范围进行仿真。进入20世纪70年代，水蒸汽状态方程标准的制订、发电机组数学模型的完善与优化，数字计算机技术的进步，促进了火电厂仿真的深入。1971年，美国Singer公司Link仿真系统分部、EAI公司和英、日等国几乎同时推出采用数字计算机或数字—模拟混合机的火电机组全仿真系统。在培训中收到良好效果。8随后，各国一些大的电气或电子公司相继成立了仿真公司或分部，专门研究和开发仿真系统。例如：美国：Singer公司（SingerCo·LinkSimulationSystemsDivision）EAI公司（ElectronicAssociates，Inc）CE公司（CombustionEngineering）EPRI公司（ElectricPowerResearchInstitute）Gould公司、Ominidata公司、Autodynamics公司加拿大:CAE公司（CanadianAviationElectronics）英国：CEGB公司（CentralElectricityGeneratingBoard）Link—Miles公司德国：KruppAtlasElectronic芬兰：NokiaElectrnics我国:清华大学1974年开始了火电机组仿真系统的研制工作，91975年，美国制订了全复制型核电站培训仿真器国家标准（Nuclearpowerplantsimulatorsforuseinoperationtraining）1979年3月28日美国三里岛核电站（ThreemilesIslandＮpp）由于运转员的失误发生了严重事故。调查结果表明，在核电站操作员的培训方面存在着严重问题。1980年3月美国NRC(NuclearRegulatoryCommission)发布了一套考核和鉴定反应堆操作员的新标准，它规定了反应堆操作员的起码资格。101981年8月7日美国NRC规定：从即日起将把仿真器作为发放运行许可证审批的一个组成部分。同时美国能源局规定：①未取得仿真培训合格证的任何人员不许上岗进行核电站任何操作。②核电站实时仿真培训系统应尽量是“完全复制控制室”的全仿真系统。111983年5月，清华大学开发的我国第一台200MW燃煤机组部分范围仿真机通过鉴定，并投入使用。1985年，美国经两次修订，公布了新的全复制型核电站培训仿真器国家标准（ANSI/ANS3·5，1985）1986年，华北电力学院从美国引进的550MW部分范围仿真机投入使用。1988年1月，从美国SingerLink公司引进的第一台300MW燃煤电厂全范围培训仿真机投入使用。121988年，清华大学开发的我国第一台200MW火电机组全范围培训仿真机通过验收，并投入使用。南京工学院开发完成125MW火电厂仿真机。1989年，华电计算机仿真公司、华北电力学院仿真与控制技术研究所、西安热工所先后开始开发300MW火电厂全范围培训仿真机。西安热工所还着手开发500MW火电厂仿真机。1982年12月，美国颁布新的《核电站操作员培训仿真机》标准ANSI/ANS3·51990年8月，美国颁布《火电厂仿真机功能要求》ISA-77·20标准。131991年，华北电力学院仿真与控制技术研究所开发的我国第一台300MW燃煤机组全范围培训仿真机在银川投入使用。1993年，我国能源部提出了《大型火电机组仿真培训装置技术规范》（试用稿）。1993年4月，华电计算机仿真公司开发的300MW机组全范围仿真机在武汉电力学校投入运行。1993年6月，美国又通过了《火电厂仿真机功能要求》ISA-77·20-1993版本标准。1994年，西安热工所开发的我国第一台500MW火电机组仿真机在太原电力高等专科学校通过验收。141995年8月，由华北电力学院开发的我国第一台500MW超临界火电机组全范围培训仿真机在华北电管局盘山电厂投入使用。1995年底，我国已投入运行和正在制造的200MW以上火电和核电机组培训仿真机达到60多台；15第一章计算机仿真概述第一节研究问题的方法一、种类：直接试验物理模型试验（一次模化技术）数学模型计算机仿真模型试验（二次模化技术）16二、比较直接试验：耗资大、周期长、安全性差。一次模化法：耗资较大，不在现场、安全性好，具有一定的灵活性。计算机仿真：适应性强，灵活性大（改变软件或参数可对不同问题进行拟）安全性好，准确性待验证。171、物理仿真：按真实系统的物理性质构造系统的物理模型，再现系统的一些特性。例如:新型锅炉生产前，各部件按一定比例缩小，构成一个几何相似的物理模型。对此分析研究可发现该锅炉在结构和形态上是否合理，安装、操作和检修是否便利。这种模型仅反映了其结构特性，而未能反映锅炉内部传热学、热力学、流体力学的特性。一、计算机仿真的概念第二节计算机仿真技术简介182、数学仿真：按真实系统的数学关系构造系统的数学模型，即将实际系统的运动规律用数学形式表达出来，并在数学模型上进行试验，再现系统的某些特性。数学模型能精确反映系统内部的各种静态和动态特性，如锅炉运行中的燃料化学反应、传热过程、能量储存与释放、工质循环流动的特性。数学仿真一般是利用计算机对系统数学模型进行运算和试验的。因此，利用计算机实现的系统数学仿真也称为：计算机仿真。193、物理-数学混合仿真：将真实系统的一部分用数学模型描述，并放到计算机上运行，而另一部分则构造其物理模型或直接采用实物，然后将它们连接成系统，并在此系统上进行试验，再现系统的某些特性。这种仿真又称：半物理仿真。204.计算机仿真定义：将一个能近似描述实际系统的数学模型进行第二次模化，转变为一个仿真模型，并将其放到计算机上进行运行，以再现系统某些特性的过程。第一次模化：研究实际系统与数学模型之间的关系；第二次模化：研究数学模型与计算机之间的关系。计算机仿真是本课程讨论的主题。215.计算机仿真系统——用于系统仿真的一套软、硬设备。——其主体是计算机。按计算机的类型分，有以下仿真系统：1、模拟仿真系统2、数字仿真系统3、数模混合仿真系统22模拟仿真系统——用模拟计算机组成的仿真系统。优点：运算是“并行”的、“连续”的。因此，运算速度快，且更接近连续系统。缺点：运算精度低、线路复杂、对采样和逻辑系统的仿真比较困难、仿真的自动化程度低（依靠排题板接线）。23数字仿真系统——用数字计算机组成的仿真系统。优点：被仿真的系统包含在一组程序中，仿真自动化程度高，使用方便；运算精度高；易实现逻辑处理和非线性环节；程序和参数修改容易。缺点：运算过程是“串行”的，运算速度相对较低、实时仿真和寻优计算等不如模拟仿真系统快。用微型数字计算机阵列组成的仿真系统，称为全数字仿真系统24数模混合仿真系统——用模拟计算机和数字计算机组成的仿真系统。由于模拟计算机和数字计算机的优缺点是互补的。因此，该系统达到了扬长避短的目的。该系统适用于：（1）要求与实物连接，又有许多复杂函数需计算的实时仿真；（2）需要进行反复迭代计算（如统计分析、参数寻优）的仿真；（3）对计算机控制系统的仿真；25二、计算机仿真的基本步骤（1）根据系统研究的目的和范围，建立系统的数学模型；（2）将数学模型转换成计算机能接受、可运行的仿真模型；（3）根据仿真模型编写仿真程序；（4）对仿真程序进行调试、校核和修改；（5）确认仿真程序正确无误后，进行仿真运算；（6）对仿真结果进行分析、评价，并作出决策。26仿真技术的特点：仿真作为一门利用模型进行试验、研究和培训的技术，具有可控、安全、经济、节约时间、允许多次重复的特点。仿真技术的应用领域：仿真技术已广泛地应用于航空航天、航海、国防、原子能、电力、冶金、化工、医学、农业等领域。三、火电厂仿真技术的应用27火电厂计算机仿真技术是一门综合技术。它是以数学、物理、化学、传热学、热力学、流体力学、控制理论、计算机技术、热能动力、电工学、热工仪表及电气仪表等多学科专业的理论为基础，以计算机和各种物理效应设备（它再现真实环境）为工具，对真实火电厂发电机组及其运行进行仿真的技术。28火力发电机组的设备庞大，系统复杂。因此：对设备的研究、对系统的试验、对参数的校正、对运行安全和经济的分析、对运行值班员的培训等，在实际发电机组上直接进行，或是很困难或根本不可能。利用仿真技术的特点、在模型上进行试验研究，在仿真机上培训运行值班员，则上述问题可迎刃而解。29火电厂仿真技术的应用主要在以下几个方面：对运行值班员进行培训；对设备或系统进行试验、研究、设计、评价、改进、参数优化；对机组运行进行分析、对控制系统的组态和控制规律等进行探讨；对已发故障进行验证，提出反事故措施；对运行规程进行校核。30火电厂应用的仿真机（系统）全范围培训仿真机缩减范围培训仿真机通用型培训仿真机基本原理培训仿真机分析研究仿真机31由于整个计算机仿真过程涉及到：实际系统、数学模型和计算机三个部分。因此，实施有效地仿真必须：充分认识实际系统、合理建立数学模型、灵巧地应用计算机。这三个方面将是本课程所涉及的内容。32对系统正确的认识是正确的决策的基础，而认识系统必须了解系统的基本特点。系统的特点：（1）系统具有一定功能——不同功能系统，研究方法不完全相同；（2）系统具有相关性——不是元素的简单组合；（3）系统具有整体性——组成部分不可分割；（4）系统是可辨识的——确定的系统才有仿真的可能；（5）系统是有边界的——研究是在一定范围内进行的；（6）系统是可分解的——大系统可分为若干小系统来研究；第三节系统特点与性质33系统的性质对一个系统进行仿真时，必须明确是一个什么系统、具有什么性质、需作何处理。——对建立系统数学模型极为重要。所谓系统性质是指系统的属性，系统性质通常有：线性系统非线性系统连续系统离散化系统离散事件系统等之分。34应当明确：（1）不同性质的系统，会有不同的研究方法、不同的仿真方法。（2）描述一个系统时，并非完全按系统的自然特性确定系统性质，而是根据研究的目的、要求、条件等来确定系统模型的类型35第2章系统数学模型的建立数学模型：——是系统的数学描述，是系统研究的基础，是计算机仿真的依据。362·1建立系统模型的任务（1）确定系统模型的结构——定义模型性质、确定模型框架和边界条件、明确各环节的特性和相互关系。（2）提供系统模型的数据—