仿真技术在我国电力工业中的发展及应用

仿真技术在我国电力工业中的发展及应用

1　现代化大型火电机组仿真系统的硬件组成和软件结构

1.1　仿真系统的硬件组成

　　中国新建的大型火电机组的控制室有三种方式：a.以常规型的控制盘、操作台为主要控制和操作手段，以屏幕显示操作为辅；b.以屏幕操作和显示的操作员站（OIS）为主，备有小规模的控制盘，装有一定量的模拟操作器和逻辑操作器作为备用操作设备；c.单纯采用计算机屏幕操作和显示，没有仪表盘和操作台。那么相应的仿真系统同样具有三种硬件组成。本文提供的硬件组成是以b方式为主。

    操作员站（OIS）采用了五台同一规格的PC机，分别具有同一规格的专用键盘和20寸显示屏幕。电液调节系统DEH采用一台专用PC机及20寸显示屏幕。指导教师工作站是一台HP-715小型工作站。两台就地操作站采用X-终端。对监视锅炉燃烧火焰、烟囱排烟、锅炉水位等的仿真，则采用了多媒体技术，使用三台PC机。上述所有PC机和X-终端都作为下位机，通过开放式以太网和作为主机的HP-9000/800-K100服务器进行数据交换，其通信速率为10MB/s。该仿真机对辅助操作盘也进行了1∶1的仿真。应该说明的是，硬件系统中的各种计算机型号没有严格的规定，一般是随着计算机的发展，选用国际市场上最新型号和性能价格比比较高的原装机。

1.2　计算机仿真系统的软件结构

　　一般是以多用户、多任务操作系统为基础，如UNIX、VMS等。以数据库管理、进程通讯、内存共享和实时任务调度为手段，建立仿真支持环境。并在它的支持下实现多层次的建模工具，包括源代码管理、工程管理、自动建模工具以及仿真培训所必须的辅助软件，如指导教师站软件、就地操作站软件等。

　　仿真环境软件是现代化仿真机开发和运行维护必不可少的大型软件。从某种意义上说是仿真机的操作系统。世界上各大仿真公司都有各自的支持环境软件，如从事电站仿真开发的美国S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN，加拿大CAE公司的ROSE等。这些软件按当时或现在计算机软件开发水平，对仿真机的开发全过程起到重要的支持作用。

　　从我国电站仿真机生产的几大厂家来看，主要是以借用、租用或修改外国仿真公司80年代的同类仿真软件为主。唯有清华大学独立开发了具有自主版权的支持软件“一体化仿真支持环境”，简称ISSE。

　　ISSE具有完整的支持环境功能，基于B-TREE算法（平衡树算法）的数据库管理内核，提供了从变量、源代码、工况文件、I/O接口等各种仿真机要素的管理。以对仿真机开发的各个阶段，包括图形化建模的支持。基于共享内存、信号灯和实时内核的技术，ISSE提供了可靠而准确的任务调度功能以及各种在线调试功能。由于采用了面向大型的程序设计和数据驱动的思想，ISSE对项目子组形式的开发提供了各种手段，并可实现一机多模的功能。ISSE全部采用C++写成，并形成了ISSE开发类库。该系统已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系统上完整实现，体现了支持环境作为仿真操作系统的思想。除此之外，ISSE提供了一个基于网络通讯的开发接口，以便于第三方软件和ISSE的通讯。

　　ISSE软件结构有三个层面，分别为类库、工具软件和应用软件。

1.3　对象模型

　　电厂机组的各种不同热力系统都是由一些热力设备，如换热器、风机、水泵、阀门、容器等经过管道连接而成，形成一个个流体网络。热力系统的动态过程不仅取决于各热力设备本身的特性，即设备模块；还取决于这些设备的连接方式，即拓扑结构。因此流体网络建模技术成为电厂仿真中的一项重要技术。清华大学开发的流体网络计算软件FLOWNET，可建立单相不可压缩、单相可压缩流体网络模型，采用半隐式欧拉积分算法和大型稀疏矩阵技术求解，很好的解决了网络计算中的稳定性和实时性等问题。

　　为了更快速和直观地进行建模，在ISSE支持下，增加了图形编辑器GNET，发展成为图形化、模块化的建模软件，形成了一种新的流体网络自动建模工具。

　　当确定了热力系统拓扑结构之后，根据GNET的图形编辑器功能，调用各种不同设备所对应的图标，再根据模块入/出口进行连接，组成被仿真的热力系统。同时相应的FORTRAN源程序随之生成。经过实例化，即输入被仿真设备和系统的参数和数据，该仿真系统即可进行调试。

2　中国火电厂仿真系统的发展历程及现状

2.1　中国电力工业发展特点

　　从80年代初开始，我国电力工业以先行工业的地位得到迅速的发展，到1996年拥有发电设备容量约为20亿兆瓦。其中火电装机容量约占75％，水电约占24％，核电不到1％。火电年发电量占全国总发电量的近80％。

　　80年代我国电力工业安装了一批200MW的大型火电机组，到1990年已经有142台在运行中。随着电网容量的增大，到90年代我国大型火电厂安装的主力机组单机容量则以300MW－600MW大型机组为主，甚至800MW也已经开始安装。第八个五年计划里发电机组的年装机容量为1800万千瓦，到1996年，300MW－600MW的机组已达90台，而且大部分是引进的外国先进设备。它们的自动控制系统也都是采用计算机分散控制系统（DCS），运行人员要掌握这些机组的运行技术是具有较高难度的。

　　由于我国一次能源的蕴藏量以煤最为丰富，每年大约有12亿吨原煤的产量。其中约5亿吨用于发电，只有少量火电厂采用石油或天然气作燃料。因此，我国火电厂的结构是以燃煤机组为主。燃煤电厂的煤粉制备、烟气除尘、除硫和燃煤过程减少氮的氧化物生成等都给发电设备的结构和热力系统带来了复杂性、技术困难和高投资。

2.2　电厂仿真培训的必要性

　　早在70年代中期，我国电力工业第一次较大规模从西方发达国家引进4个大型火电厂，它们分别是元宝山电厂法国300MW燃煤机组、大港电厂意大利350MW燃油机组、陡河电厂引进日本200MW燃煤机组、清河电厂为苏联200MW燃煤机组。它们都是超高压（蒸汽压力为13MPa）或亚临界（蒸汽参数17MPa）机组，具有蒸汽再过热系统。它们的自动控制系统主要采用了机、炉协调控制和计算机监控。这些特点反映了当时的世界火电机组的先进水平。在建厂过程中，就已经掌握这些新型机组运行技术问题摆在了电力部门领导面前。在国内进行理论培训和派人到国外去进行培训的同时，也在考虑如何发展中国自己的发电厂仿真培训技术。

　　1975年美国联邦能源部提出的安全性专题报告中就已经指出：“电厂的可靠性可以由改进设计和加强维护来改善，但是它只占可靠性的20－30%。另外70－80%依靠于运行人员。”

　　1988年清华大学曾对国内电厂运行人员进行过调查，结果是：某电厂未经过仿真培训的一组运行人员在200MW机组上连续18个月内出现过七次事故，其中六次未能正确操作处理而被迫停机，有一次事故中造成人员受伤，另一次事故中造成停机长达15天之久。另一个电厂在10个月内发生过四次甩负荷事故，但它是由参加过仿真培训的运行人员操作的。他们的炉、机、电运行人员互相配合，均能正确地处理事故。还有一个电厂在11个月内发生五次事故，包括保护动作、甩负荷、锅炉灭火等，也是由经过仿真培训的人员操作的，结果是有四次能够很快消除事故，十分钟内恢复正常生产。这些资料说明仿真培训对电力生产的安全性起着至关重要的作用。

2.3　中国火电厂培训仿真机从科研到产品的发展过程

2.3.1　从科研开始独立发展中国的电厂系统仿真技术及培训用仿真机

　　随着数字式计算机的发展，世界上工业发达的国家，经过一个10多年的研究过程，于1971年几乎同时在英国、美国、日本出现了实用性的火电仿真培训系统。如1971年美国加利福尼亚州匹兹堡火电厂安装了一台750MW全机组仿真机，采用了数字式计算机；同年日本仙台火电厂安装了一台350MW机组的培训仿真机，也是采用了全数字计算机；也是同一年英国中央发电局在利兹市白宫路培训站建成了一台660MW全范围仿真机，采用的是模拟－数字混合式计算机。

　　就在70年代中期中国引进国外四台大容量、高参数、先进的发电机组的同时，北京清华大学于1975年向中国水利电力工业部建议研制中国的火电机组仿真系统，并得到水利电力工业部的批准和资金支持，开始了中国第一台“大型火电机组模拟系统”的研制。仿真对象确定为正在辽宁省朝阳发电厂运行的哈尔滨三大动力厂生产的国产第一台200MW燃煤发电机组。

　　当时我国还处于不开放年代，和国外没有深入的技术交流，只能依靠中国自己的技术力量作为一个科研项目去进行。克服了没有先进的计算机设备和软件的困难，在一台国产DJS－130型的小型计算机上，于1982年完成了中国第一台大型火电仿真系统，开始了中国自己有能力开发电厂仿真机的历史，使中国成为世界上少有的几个有能力开发此类仿真机的国家之一。因此获得电力工业部优秀科技成果一等奖和国家科学技术进步一等奖被电力部门称为中国电力培训的里程碑。利用这一台仿真机在清华大学建成了中国第一个火电运行仿真培训中心，在5年时间里为电力工业培训了约2000名运行技术人员。1984年清华大学又开始研制中国第一台完全复制哈尔滨第三发电厂200MW机组控制室的全范围高精度仿真机，于1988年完成，安装在东北电管局沈阳电力专科学校。这是中国自己成功研制和开发最早的两台适用性的火电仿真机。

2.3.2　产品推广的条件成熟

　　中国能源部于1988年在第一台完全复制控制室的全范围仿真机的安装现场召开了各省市电力局领导参加的电厂仿真机技术交流会，提出了中国有能力开发自己的电厂全范围、高精度的仿真机，决定在电力系统推广、发展和应用仿真技术。1988年10月能源部向各省市电力局及大型发电厂发出了“关于发展火电机组模拟培训装置的通知”。文件规定把仿真机列为电力工业的重要技术进步项目，抓紧规划和定点，建立200MW以上各种容量机组的仿真机，运行人员上岗前必须在仿真机进行为期不少于一个月的仿真培训，并逐步作到人员定期轮训。

　　在这个阶段我国引进了几台国外开发的电厂仿真机。如1986年国家核安全局从美国引进了一台900MW压水堆核电仿真机，安装在清华大学；一台550MW原理型火电仿真机安装在华北电力学院；1987年随华能大连电厂主设备从日本带进一台350MW火电仿真机，安装在大连电力技校；1988年从美国引进一台300MW火电全范围仿真机，安装在北京电力学校，但是这台仿真机价格十分昂贵，高达670万美元，这是中国国力难以承受的。

2.3.3　中国发展火电仿真机的高峰

　　进入九十年代，西方发达国家能源发展几乎处于停滞状态，新电厂建设减少，因此它们的电厂仿真机工业相应地也没有足够的市场而纷纷关闭。

　　这个阶段电厂仿真机发展的突出特点是在中国：1988年中国国家能源部发出“关于发展火电机组模拟培训装置的通知”之后，国内电厂仿真机开发公司的盲目发展也是在历史上世界各国所未有过的，到1993年底竞然有20多家电厂仿真机开发公司或中心出现。但是该时期运行的国产仿真机数目只有15台，其中清华大学生产8台；华北电力学院3台；亚洲仿真公司2台；东南大学1台；西安热工研究所1台。清华大学和华北电力学院联合被国家科委等单位评为1992年全国十大科技成就。

　　与此同时，电网调度仿真机、水电仿真机、变电站仿真机也在开发，但数量较少。1992年清华大学完成的中国第一套电力系统调度仿真系统安装在东北电管局调度中心，获电力部科技进步一等奖和国家科技进步二等奖；1993年完成的中国第一台水电仿真机，仿真对象为吉林省的丰满水电站。

　　到1997年，中国电力部门的火电机组培训仿真机已经达到68台，除广西、海南和西藏外，各省市均建立了火电仿真培训中心。一部分新建大型火电厂也拥有自己的培训仿真机。

3　我国投入使用和正在建造的火电仿真机的分布情况

　　据不完全统计，仅仅十年之内，到1997年中国已经投入运行和签定合同的火电厂仿真机数量已迅速达到68台；核电仿真机3台；水电厂仿真机2台；电网调度仿真机5台，这些属于电力工业的培训仿真机共计达到78台，成为世界上仅次于美国的第二个电力工业仿真机拥有大国。其中单就火电仿真机而言，其数量已占世界第一位，而且近90％是由国内自己研制和开发的，充分显示了中国具有强大的仿真技术和仿真机开发实力。各省市的培训中心已经拥有或规划建成200MW－600MW各种规格型号的火电培训仿真机；还有不少发电厂如华能福州电厂、华北盘山电厂等单独拥有自己使用的仿真机。

　　这些仿真机的分布是：东北电网占有10台火电仿真机，一台电网仿真机，一台水电仿真机；华北电网占有16台火电仿真机，一台核电仿真机，一台电网仿真机；华东电网有18台火电仿真机，一台核电仿真机。华中电网有12台火电仿真机，一台核电仿真机，二台电网仿真机；西南电网有7台火电仿真机。西北电网5台火电仿真机，一台水电仿真机，一台电网仿真机。

　　从开发单位来看，清华大学开发的有23台，其中包括19台火电、两台水电、两台电网仿真机；华北电力学院开发18台火电仿真机；亚洲仿真公司开发15台，其中14台火电，一台核电仿真机。上述三个单位开发的仿真机数量共为56台，占中国电力工业仿真机总量的72％。从美、日、法等国家进口了9台。其余13台为国内其它8家仿真开发单位所完成。

　　不仅如此，中国已有能力出口电厂仿真机，1995年8月清华大学完成了向巴基斯坦出口中国第一台仿真机的任务，仿真对象为木扎法戈电厂210MW燃油机组。同时由于独立发展火电仿真系统和技术，开发成功面向对象、面向工程的模块化、图形化、高精度的建模方法；有着独立研制成功的为支持仿真机的开发、调试、运行管理等仿真支持环境软件。这些建模和支持软件工具于1996年出口韩国，成为世界上有能力出口电力仿真技术的先进国家。