用于DCS培训与优化的新型仿真系统

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1、用于DCS培训与优化的新型电站仿真系统1 电站仿真系统简介1.1 什么是电站仿真系统仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和 专用物理效应设备为工具，借助系统模型对实际或设想设备进行动态试验研究的 一门综合性技术。仿真的通俗含义还可以描述如下：利用计算机技术，将实际对象的物理规律 转化为数学模型，并编制为可在计算机上执行的软件代码，以模拟实际设备和系 统的运行。将仿真技术应用于电站所构建的仿真系统就称为电站仿真培训系统，或简称 为电站仿真系统，甚至电站仿真机。1.2 电厂仿真培训的重要性电力生产的运行过程和飞机、舰船等的运行过程一样，首先应确保生产的 安全性。因此运行操

2、作人员必须经过严格的训练才允许上岗操作。50 年代之前， 电厂的热力系统和电气系统相对比较简单，技术发展和更新比较缓慢，多数工程 人员经过一段时间的实际运行操作，取得经验后，可以适应电厂运行技术要求， 故对加强人员培训的需求并不强烈。又加上当时的计算机技术水平也不能满足仿 真技术的要求，所以电厂人员的技术培训工作采用以师傅带徒弟的办法进行。发 展到 60 年代，先进国家的生产和生活对电力需求量迅速增大，需要更大量、更 安全的电力供应和高效的发电设备。因此促进电力系统和发电设备向高参数、大 容量发展，如单机500MW1300MW的发电容量、超高温超高压以及超临界参 数火电机组的出现。随着单机容量

3、越来越大，就要求更多地考虑发电的经济性， 使工艺系统设计得非常复杂；相应的控制室操作盘台规模越来越大，监视和操作 参数多达数千个，设备的启停过程和事故处理过程越加困难；操作人员不预先经 过有效的培训，越加难以掌握运行操作技术。同时由于电子技术的发展，促使电 厂自动化程度越来越高，由常规的众多单回路自动控制系统发展为机炉协调控 制。到80 年代进而发展为计算机集散控制，大量采用计算机屏幕进行电厂的操 作，反过来控制操作盘台又由大规模的仪表和操作设备缩小为小规模盘台，甚至 完全精简到没有操作盘台。这些技术上的快速进步，势必造成运行人员对发电设 备和生产过程的干预机会减少，使运行人员的技术水平也难以

4、提高。所以运行中 一旦发生设备事故或自动控制失灵，运行安全性更难保证。美国联邦能源部 1975 年 3 月提出的“安全性专题报告”中说：“电厂的可 靠性可以由改善设计和加强维护来改善，但它只占提高可靠性的20%30%。 另外70%80%依靠于运行人员”。美国核安全信息中心统计：“沸水堆事故 的 1/8，压水堆事故的1/6是由运行人员过错而造成的”。特别是1979年3 月美 国三浬岛核电站核泄漏之后，把仿真培训的重要性和仿真技术提高到空前高度； 并规定每一个操作员必须在1： 1 的全范围高逼真度的仿真机上进行培训，合格 后方可被录用为值班操作人员。在我国改革开放之后， 70 年代开始了电力工业第

5、二次迅猛发展，且持续长 期发展。仅以第八个和第九个五年计划为例，每年以 15001800 万千瓦装机容 量建设新的发电厂。其中火力发电厂燃煤机组占装机容量的 75%和发电量的近 80%。新机组的大部分运行人员没有实际运行经验，只是经过短期跟班实习，并 未完全掌握运行技术就进入了运行岗位。电力工业的培训由 70年代之前采用师傅带徒弟方式发展到采用高科技的计 算机仿真技术，是有其必然性。而且在发展中是受到三个发展关键因素的影响。第一是发电设备的安全性已经构成对人们的危害，包括对人身、设备和社 会的危害。例如核电站由科研阶段发展到在电力工业中普遍得到应用时，它的安 全性不仅关系到社会对电力供应的需求

6、，更重要的是关系到核安全对社会造成可 怕的危害。因此对运行人员的技术水平、操作技能、应变能力、心理素质、工作 态度等都提出了严格的要求。而且要求运行人员必须在上岗之前加以严格的培 训，以尽可能在上岗后不致因操作失误而造成严重的后果。第二是发电设备及其相关技术的发展。 60 年代之后由于社会生产力的快速 发展，刺激了电力供求增长，火电机组普遍出现单机容量为600800MW,甚至 出现 1300MW 的超大容量机组。仅一台 300MW 火电机组它的主蒸汽压力和温 度分别高达25Mpa和560C，输入/输出模拟量参数和开关量参数多达3000个， 其中监视参数 1000 多个，操作量 2000 多个，

7、计算机屏幕上的操作画面达 300 多幅。这样的复杂系统和工艺过程只依赖于23 名运行人员操作和监视，难以 长时间做到得心应手、头脑清楚地操纵它。因此相应地促进了自动化技术、先进 过程控制技术和计算机分散控制系统在发电厂全面应用。在正常运行过程中自动 化技术和设备代替人员的操作，运行人员直接参与操作的机会甚少。一旦发生故 障和事故时，需要运行人员进行处理，就显得运行知识不足，实际操作经验缺乏， 最终导致事故扩大。轻者被迫停机停产，重者设备损坏、人身伤亡。60 年代末和 70 年代初，随着数字式计算机和计算技术的迅猛发展，为电厂 仿真培训提供了进一步的条件。使用计算机可以方便的组成仿真系统和为仿真

8、模 型的算法提供灵活的技术环境。这是电厂仿真技术发展的第三个重要因素。清华大学 1988 年曾对电厂运行人员仿真培训效果进行调查，结果是某电厂 未经过仿真培训的一组运行人员在连续18 个月内出现七次事故，其中六次未能 正确操作处理而被迫停机。其中有一次事故造成人员受伤，还有一次事故造成的 停机长达15 天。另一电厂在10个月内发生过四次甩负荷事故，由于是参加过仿 真培训的炉、机、电运行人员操作，互相配合，均能正确地处理事故。还有一个 电厂在11 个月内发生过五次事故，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，结果有四次均能很快消除事故，十分钟内恢复正常 生产。这些例子说

9、明仿真培训对电力生产的安全性起着至关重要的作用。对于 200MW 以上的发电机组，其运行人员因通过仿真培训提高运行操作水平，能够 在实际运行值班中避免造成一次三天停机的事故，其发电直接经济效益就可以投 资一台同容量的培训仿真机。1.3 电站仿真系统的发展历史和应用现状从50年代开始，西方几个主要发达国家（包括美国、英国和日本等），出 于对核电站安全运行的需求，开始研制核反应堆和核电站的操作模拟培训器。到 70 年代，已建起了相当数量的核电站培训仿真中心，对提高运行人员的操作水 平，起到了非常重要的作用。随着我国现代化事业的发展，对电力的需求不断增加，各种类型的大容量 火电机组不断投入运行，对仿

10、真机有着强烈的需求。由于没有自己的仿真技术， 只能花费高昂的资金从国外进口，例如 1988 年从美国引进一台 300MW 火电全 范围仿真机，安装在华北电管局北京电力学校，这台仿真机的价格高达 670 万美 元。自 70 年代末、80 年代初期，我国清华大学热能系开始研制自己的电站模拟 培训器，并于 82 年完成了我国第一台仿真机。能源部并于 1988 年 10 月向各省 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。 迄今为止，已开发成功并投入使用与正在研制中的各类仿真机已达近百套，为我 国的电力事业的现代化建设起到了巨大的作用。2 传统电站仿真系统2.1 功能传统电

11、站仿真系统主要用于机组运行人员的培训，确切地说是对锅炉、汽 轮机和电气运行人员的培训，使其熟练掌握机组的全部操作，包括正常工况、异 常工况和事故状态的操作与处理、以及自动控制系统投入运行和切除条件下的操 作，仿真机在各种操作过程中具有的动态响应能力均应和参考电厂运行特性一 致。使用仿真机不但可以对运行人员的操作技能进行训练，而且可以作为对其上 岗、考核与晋级的依据。2.1.1 仿真机的能力正常操作仿真机应该具有连续、超实时地计算特定操作条件下的电厂系统参数，并 在相应的仪表上显示这些参数并发出相应的报警信号或保护系统动作。相应于电 厂操作人员的正常操作，按美国国家标准 ISA77.20 的规定

12、，仿真机应至少能够 进行以下操作：1）电厂启动从冷态到带满负荷：启动的条件是所有系统的温度和压力处于冷态停机条件下。2）从热备用状态到满负荷启动。3）汽轮机启动到发电机同步。4）锅炉/汽轮机/发电机单元跳闸，接着并网恢复到额定负荷。5）电厂从满负荷到热备用以及冷却到冷停机状态。6）操作人员对系统或设备进行在运行规程中所确定的各种试验，如汽轮机的危急保安器试验、设备的连锁保护试验等。电厂的故障操作仿真机应能实时地仿真非正常和紧急条件（包括故障和设备失效），以显 示电厂固有的响应和自动控制的功能。当操作人员的操作随故障的严重程度而有 所不同时，例如锅炉管子泄漏、汽机丧失真空、冷凝器管子失效等。其中

13、锅炉管 子泄漏可能存在泄漏位置的不同和泄漏量大小的不同；汽机丧失真空可能出现真 空降低速度不同，冷凝器管子失效有可能管子的淹没程度大小不同等，仿真机的 数学模型应能够反映此类故障严重程度所波及的范围和影响程度。仿真机所设置的故障可包括离散型故障和连续型故障两种，这两种故障都 能在电厂的设备、系统和控制过程中遇到。离散型故障包括电厂在特定条件下的 故障，例如调节阀门达不到开启、关闭和中间位置，信号转换和传送过程中短路 或断路等。连续型故障包括电厂设备、系统和控制过程中在连续状态下的故障， 例如受热面积灰的变化和敏感元件的信号漂移都是典型的连续型的故障。由于故障的注入所引起仿真机的响应，应与实际电

14、厂的响应或者由运行经 验或工程分析中得到的最佳响应相比较。当故障出现时，仿真机应有能力使得操 作人员通过操作使电厂恢复正常或减缓故障。仿真机应能继续工作到稳定、可控、 安全的时刻，并可持续逐步操作到停机或者达到仿真机的操作极限。2.1.2 指导教师工作站的功能根据ISA 77.20和ISAS77.201993标准规定，以及作者对电厂仿真机的 研究及实践经验，认为在指导教师工作台上应能实现下列功能，以便于对仿真机 进行技术上和功能上的管理：1) 启动和初始工况选择：根据培训进程的要求启动预先规定的初始状态。 包括冷态启动、热态启动、停机、正常负荷工况或仿真机所保存的任一 工况。2) 瞬时记录和设

15、置初始状态：在培训进行过程中，指导教师可以存储任一 瞬时的特定状态，以便将来作为初始条件调用。3) 修改参数：指导教师可以修改外部参数，例如根据季节修改数学模型的 环境温度，循环水温度，根据煤种修改煤的成分和发热量。也可修改内 部参数，例如修改调节器整定参数，设备污垢系数；如果需要也可以修 改数据公用区的全部仿真变量。4) 故障注入：指导教师能控制仿真机随时注入预先设置的故障或撤销正在 进行的故障。可以是单项故障，也可以是设置的成组故障。成组故障可 以是多个故障并发、也可能是顺序发生的成组故障。故障的类型包括离 散型和连续型两种。故障的插入方式可以是教师命令临时注入，可以是 预设自动延时加入。

16、5) 冻结和解冻：根据培训进展的需要，随时冻结所有的动态仿真进程或者 解除冻结。一旦实现冻结命令，所有参数将维持不变，操作员的所有操 作将无效。当指导教师发出解冻指令后，仿真机将从冻结状态继续运行。6) 重演：仿真机在运行中自动定时记录和保存全部运行参数，例如每 2分 钟保存一次数据。在冻结状态下一旦指导教师选定重演功能，并给出重 演的时间，仿真机将从所选择的某一保存的初始化工况开始重新运行演 示。但是重新运行前需进行盘台开关状态检查。7) 再现/终止：系统运行过程中自动保存再现所需的全部参数数据。在冻结 状态下一旦指导教师选择再现功能并输入再现时间，则系统自动重复该 段时间的全部参数的动态过程。再现时间的长短与计算机容量有关。在 再现过程中选择终止命令后，再现过程立即中止，并强迫返回到冻结状 态。8) 改变时标：一般情况下培训仿真机总是按实时要求运行。但是可以根据 需要对于短时间内快