仿真技術(shù)在中國電力工業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用

1　現(xiàn)代化大型火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)

1.1　仿真系統(tǒng)的硬件組成

　　中國新建的大型火電機(jī)組的控制室有三種方式：a.以常規(guī)型的控制盤、操作臺為主要控制和操作手段，以屏幕顯示操作為輔；b.以屏幕操作和顯示的操作員站（OIS）為主，備有小規(guī)模的控制盤，裝有一定量的模擬操作器和邏輯操作器作為備用操作設(shè)備；c.單純采用計(jì)算機(jī)屏幕操作和顯示，沒有儀表盤和操作臺。那么相應(yīng)的仿真系統(tǒng)同樣具有三種硬件組成。本文提供的硬件組成是以b方式為主。

操作員站（OIS）采用了五臺同一規(guī)格的PC機(jī)，分別具有同一規(guī)格的專用鍵盤和20寸顯示屏幕。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH采用一臺專用PC機(jī)及20寸顯示屏幕。指導(dǎo)教師工作站是一臺HP-715小型工作站。兩臺就地操作站采用X-終端。對監(jiān)視鍋爐燃燒火焰、煙囪排煙、鍋爐水位等的仿真，則采用了多媒體技術(shù)，使用三臺PC機(jī)。上述所有PC機(jī)和X-終端都作為下位機(jī)，通過開放式以太網(wǎng)和作為主機(jī)的HP-9000/800-K100服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其通信速率為10MB/s。該仿真機(jī)對輔助操作盤也進(jìn)行了1∶1的仿真。應(yīng)該說明的是，硬件系統(tǒng)中的各種計(jì)算機(jī)型號沒有嚴(yán)格的規(guī)定，一般是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，選用國際市場上最新型號和性能價格比比較高的原裝機(jī)。

1.2　計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　一般是以多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，如UNIX、VMS等。以數(shù)據(jù)庫管理、進(jìn)程通訊、內(nèi)存共享和實(shí)時任務(wù)調(diào)度為手段，建立仿真支持環(huán)境。并在它的支持下實(shí)現(xiàn)多層次的建模工具，包括源代碼管理、工程管理、自動建模工具以及仿真培訓(xùn)所必須的輔助軟件，如指導(dǎo)教師站軟件、就地操作站軟件等。

　　仿真環(huán)境軟件是現(xiàn)代化仿真機(jī)開發(fā)和運(yùn)行維護(hù)必不可少的大型軟件。從某種意義上說是仿真機(jī)的操作系統(tǒng)。世界上各大仿真公司都有各自的支持環(huán)境軟件，如從事電站仿真開發(fā)的美國S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN，加拿大CAE公司的ROSE等。這些軟件按當(dāng)時或現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)水平，對仿真機(jī)的開發(fā)全過程起到重要的支持作用。

　　從我國電站仿真機(jī)生產(chǎn)的幾大廠家來看，主要是以借用、租用或修改外國仿真公司80年代的同類仿真軟件為主。唯有清華大學(xué)獨(dú)立開發(fā)了具有自主版權(quán)的支持軟件“一體化仿真支持環(huán)境”，簡稱ISSE。

　　ISSE具有完整的支持環(huán)境功能，基于B-TREE算法（平衡樹算法）的數(shù)據(jù)庫管理內(nèi)核，提供了從變量、源代碼、工況文件、I/O接口等各種仿真機(jī)要素的管理。以對仿真機(jī)開發(fā)的各個階段，包括圖形化建模的支持?；诠蚕韮?nèi)存、信號燈和實(shí)時內(nèi)核的技術(shù)，ISSE提供了可靠而準(zhǔn)確的任務(wù)調(diào)度功能以及各種在線調(diào)試功能。由于采用了面向大型的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想，ISSE對項(xiàng)目子組形式的開發(fā)提供了各種手段，并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多模的功能。ISSE全部采用C++寫成，并形成了ISSE開發(fā)類庫。該系統(tǒng)已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系統(tǒng)上完整實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了支持環(huán)境作為仿真操作系統(tǒng)的思想。除此之外，ISSE提供了一個基于網(wǎng)絡(luò)通訊的開發(fā)接口，以便于第三方軟件和ISSE的通訊。

　　ISSE軟件結(jié)構(gòu)有三個層面，分別為類庫、工具軟件和應(yīng)用軟件。

1.3　對象模型

　　電廠機(jī)組的各種不同熱力系統(tǒng)都是由一些熱力設(shè)備，如換熱器、風(fēng)機(jī)、水泵、閥門、容器等經(jīng)過管道連接而成，形成一個個流體網(wǎng)絡(luò)。熱力系統(tǒng)的動態(tài)過程不僅取決于各熱力設(shè)備本身的特性，即設(shè)備模塊；還取決于這些設(shè)備的連接方式，即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此流體網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)成為電廠仿真中的一項(xiàng)重要技術(shù)。清華大學(xué)開發(fā)的流體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算軟件FLOWNET，可建立單相不可壓縮、單相可壓縮流體網(wǎng)絡(luò)模型，采用半隱式歐拉積分算法和大型稀疏矩陣技術(shù)求解，很好的解決了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中的穩(wěn)定性和實(shí)時性等問題。

　　為了更快速和直觀地進(jìn)行建模，在ISSE支持下，增加了圖形編輯器GNET，發(fā)展成為圖形化、模塊化的建模軟件，形成了一種新的流體網(wǎng)絡(luò)自動建模工具。

　　當(dāng)確定了熱力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，根據(jù)GNET的圖形編輯器功能，調(diào)用各種不同設(shè)備所對應(yīng)的圖標(biāo)，再根據(jù)模塊入/出口進(jìn)行連接，組成被仿真的熱力系統(tǒng)。同時相應(yīng)的FORTRAN源程序隨之生成。經(jīng)過實(shí)例化，即輸入被仿真設(shè)備和系統(tǒng)的參數(shù)和數(shù)據(jù)，該仿真系統(tǒng)即可進(jìn)行調(diào)試。

2　中國火電廠仿真系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2.1　中國電力工業(yè)發(fā)展特點(diǎn)

　　從80年代初開始，我國電力工業(yè)以先行工業(yè)的地位得到迅速的發(fā)展，到1996年擁有發(fā)電設(shè)備容量約為20億兆瓦。其中火電裝機(jī)容量約占75％，水電約占24％，核電不到1％。火電年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的近80％。

　　80年代我國電力工業(yè)安裝了一批200MW的大型火電機(jī)組，到1990年已經(jīng)有142臺在運(yùn)行中。隨著電網(wǎng)容量的增大，到90年代我國大型火電廠安裝的主力機(jī)組單機(jī)容量則以300MW－600MW大型機(jī)組為主，甚至800MW也已經(jīng)開始安裝。第八個五年計(jì)劃里發(fā)電機(jī)組的年裝機(jī)容量為1800萬千瓦，到1996年，300MW－600MW的機(jī)組已達(dá)90臺，而且大部分是引進(jìn)的外國先進(jìn)設(shè)備。它們的自動控制系統(tǒng)也都是采用計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS），運(yùn)行人員要掌握這些機(jī)組的運(yùn)行技術(shù)是具有較高難度的。

　　由于我國一次能源的蘊(yùn)藏量以煤最為豐富，每年大約有12億噸原煤的產(chǎn)量。其中約5億噸用于發(fā)電，只有少量火電廠采用石油或天然氣作燃料。因此，我國火電廠的結(jié)構(gòu)是以燃煤機(jī)組為主。燃煤電廠的煤粉制備、煙氣除塵、除硫和燃煤過程減少氮的氧化物生成等都給發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)和熱力系統(tǒng)帶來了復(fù)雜性、技術(shù)困難和高投資。

2.2　電廠仿真培訓(xùn)的必要性

　　早在70年代中期，我國電力工業(yè)第一次較大規(guī)模從西方發(fā)達(dá)國家引進(jìn)4個大型火電廠，它們分別是元寶山電廠法國300MW燃煤機(jī)組、大港電廠意大利350MW燃油機(jī)組、陡河電廠引進(jìn)日本200MW燃煤機(jī)組、清河電廠為蘇聯(lián)200MW燃煤機(jī)組。它們都是超高壓（蒸汽壓力為13MPa）或亞臨界（蒸汽參數(shù)17MPa）機(jī)組，具有蒸汽再過熱系統(tǒng)。它們的自動控制系統(tǒng)主要采用了機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制和計(jì)算機(jī)監(jiān)控。這些特點(diǎn)反映了當(dāng)時的世界火電機(jī)組的先進(jìn)水平。在建廠過程中，就已經(jīng)掌握這些新型機(jī)組運(yùn)行技術(shù)問題擺在了電力部門領(lǐng)導(dǎo)面前。在國內(nèi)進(jìn)行理論培訓(xùn)和派人到國外去進(jìn)行培訓(xùn)的同時，也在考慮如何發(fā)展中國自己的發(fā)電廠仿真培訓(xùn)技術(shù)。

　　1975年美國聯(lián)邦能源部提出的安全性專題報(bào)告中就已經(jīng)指出：“電廠的可靠性可以由改進(jìn)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)維護(hù)來改善，但是它只占可靠性的20－30%。另外70－80%依靠于運(yùn)行人員。”

　　1988年清華大學(xué)曾對國內(nèi)電廠運(yùn)行人員進(jìn)行過調(diào)查，結(jié)果是：某電廠未經(jīng)過仿真培訓(xùn)的一組運(yùn)行人員在200MW機(jī)組上連續(xù)18個月內(nèi)出現(xiàn)過七次事故，其中六次未能正確操作處理而被迫停機(jī)，有一次事故中造成人員受傷，另一次事故中造成停機(jī)長達(dá)15天之久。另一個電廠在10個月內(nèi)發(fā)生過四次甩負(fù)荷事故，但它是由參加過仿真培訓(xùn)的運(yùn)行人員操作的。他們的爐、機(jī)、電運(yùn)行人員互相配合，均能正確地處理事故。還有一個電廠在11個月內(nèi)發(fā)生五次事故，包括保護(hù)動作、甩負(fù)荷、鍋爐滅火等，也是由經(jīng)過仿真培訓(xùn)的人員操作的，結(jié)果是有四次能夠很快消除事故，十分鐘內(nèi)恢復(fù)正常生產(chǎn)。這些資料說明仿真培訓(xùn)對電力生產(chǎn)的安全性起著至關(guān)重要的作用。

2.3　中國火電廠培訓(xùn)仿真機(jī)從科研到產(chǎn)品的發(fā)展過程

2.3.1　從科研開始獨(dú)立發(fā)展中國的電廠系統(tǒng)仿真技術(shù)及培訓(xùn)用仿真機(jī)

　　隨著數(shù)字式計(jì)算機(jī)的發(fā)展，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，經(jīng)過一個10多年的研究過程，于1971年幾乎同時在英國、美國、日本出現(xiàn)了實(shí)用性的火電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。如1971年美國加利福尼亞州匹茲堡火電廠安裝了一臺750MW全機(jī)組仿真機(jī)，采用了數(shù)字式計(jì)算機(jī)；同年日本仙臺火電廠安裝了一臺350MW機(jī)組的培訓(xùn)仿真機(jī)，也是采用了全數(shù)字計(jì)算機(jī)；也是同一年英國中央發(fā)電局在利茲市白宮路培訓(xùn)站建成了一臺660MW全范圍仿真機(jī)，采用的是模擬－數(shù)字混合式計(jì)算機(jī)。

　　就在70年代中期中國引進(jìn)國外四臺大容量、高參數(shù)、先進(jìn)的發(fā)電機(jī)組的同時，北京清華大學(xué)于1975年向中國水利電力工業(yè)部建議研制中國的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)，并得到水利電力工業(yè)部的批準(zhǔn)和資金支持，開始了中國第一臺“大型火電機(jī)組模擬系統(tǒng)”的研制。仿真對象確定為正在遼寧省朝陽發(fā)電廠運(yùn)行的哈爾濱三大動力廠生產(chǎn)的國產(chǎn)第一臺200MW燃煤發(fā)電機(jī)組。

　　當(dāng)時我國還處于不開放年代，和國外沒有深入的技術(shù)交流，只能依靠中國自己的技術(shù)力量作為一個科研項(xiàng)目去進(jìn)行。克服了沒有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備和軟件的困難，在一臺國產(chǎn)DJS－130型的小型計(jì)算機(jī)上，于1982年完成了中國第一臺大型火電仿真系統(tǒng)，開始了中國自己有能力開發(fā)電廠仿真機(jī)的歷史，使中國成為世界上少有的幾個有能力開發(fā)此類仿真機(jī)的國家之一。因此獲得電力工業(yè)部優(yōu)秀科技成果一等獎和國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎被電力部門稱為中國電力培訓(xùn)的里程碑。利用這一臺仿真機(jī)在清華大學(xué)建成了中國第一個火電運(yùn)行仿真培訓(xùn)中心，在5年時間里為電力工業(yè)培訓(xùn)了約2000名運(yùn)行技術(shù)人員。1984年清華大學(xué)又開始研制中國第一臺完全復(fù)制哈爾濱第三發(fā)電廠200MW機(jī)組控制室的全范圍高精度仿真機(jī)，于1988年完成，安裝在東北電管局沈陽電力?？茖W(xué)校。這是中國自己成功研制和開發(fā)最早的兩臺適用性的火電仿真機(jī)。

2.3.2　產(chǎn)品推廣的條件成熟

　　中國能源部于1988年在第一臺完全復(fù)制控制室的全范圍仿真機(jī)的安裝現(xiàn)場召開了各省市電力局領(lǐng)導(dǎo)參加的電廠仿真機(jī)技術(shù)交流會，提出了中國有能力開發(fā)自己的電廠全范圍、高精度的仿真機(jī)，決定在電力系統(tǒng)推廣、發(fā)展和應(yīng)用仿真技術(shù)。1988年10月能源部向各省市電力局及大型發(fā)電廠發(fā)出了“關(guān)于發(fā)展火電機(jī)組模擬培訓(xùn)裝置的通知”。文件規(guī)定把仿真機(jī)列為電力工業(yè)的重要技術(shù)進(jìn)步項(xiàng)目，抓緊規(guī)劃和定點(diǎn)，建立200MW以上各種容量機(jī)組的仿真機(jī)，運(yùn)行人員上崗前必須在仿真機(jī)進(jìn)行為期不少于一個月的仿真培訓(xùn)，并逐步作到人員定期輪訓(xùn)。

　　在這個階段我國引進(jìn)了幾臺國外開發(fā)的電廠仿真機(jī)。如1986年國家核安全局從美國引進(jìn)了一臺900MW壓水堆核電仿真機(jī)，安裝在清華大學(xué)；一臺550MW原理型火電仿真機(jī)安裝在華北電力學(xué)院；1987年隨華能大連電廠主設(shè)備從日本帶進(jìn)一臺350MW火電仿真機(jī)，安裝在大連電力技校；1988年從美國引進(jìn)一臺300MW火電全范圍仿真機(jī)，安裝在北京電力學(xué)校，但是這臺仿真機(jī)價格十分昂貴，高達(dá)670萬美元，這是中國國力難以承受的。

2.3.3　中國發(fā)展火電仿真機(jī)的高峰

　　進(jìn)入九十年代，西方發(fā)達(dá)國家能源發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)，新電廠建設(shè)減少，因此它們的電廠仿真機(jī)工業(yè)相應(yīng)地也沒有足夠的市場而紛紛關(guān)閉。

　　這個階段電廠仿真機(jī)發(fā)展的突出特點(diǎn)是在中國：1988年中國國家能源部發(fā)出“關(guān)于發(fā)展火電機(jī)組模擬培訓(xùn)裝置的通知”之后，國內(nèi)電廠仿真機(jī)開發(fā)公司的盲目發(fā)展也是在歷史上世界各國所未有過的，到1993年底競?cè)挥?0多家電廠仿真機(jī)開發(fā)公司或中心出現(xiàn)。但是該時期運(yùn)行的國產(chǎn)仿真機(jī)數(shù)目只有15臺，其中清華大學(xué)生產(chǎn)8臺；華北電力學(xué)院3臺；亞洲仿真公司2臺；東南大學(xué)1臺；西安熱工研究所1臺。清華大學(xué)和華北電力學(xué)院聯(lián)合被國家科委等單位評為1992年全國十大科技成就。

　　與此同時，電網(wǎng)調(diào)度仿真機(jī)、水電仿真機(jī)、變電站仿真機(jī)也在開發(fā)，但數(shù)量較少。1992年清華大學(xué)完成的中國第一套電力系統(tǒng)調(diào)度仿真系統(tǒng)安裝在東北電管局調(diào)度中心，獲電力部科技進(jìn)步一等獎和國家科技進(jìn)步二等獎；1993年完成的中國第一臺水電仿真機(jī)，仿真對象為吉林省的豐滿水電站。

　　到1997年，中國電力部門的火電機(jī)組培訓(xùn)仿真機(jī)已經(jīng)達(dá)到68臺，除廣西、海南和西藏外，各省市均建立了火電仿真培訓(xùn)中心。一部分新建大型火電廠也擁有自己的培訓(xùn)仿真機(jī)。

3　我國投入使用和正在建造的火電仿真機(jī)的分布情況

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅僅十年之內(nèi)，到1997年中國已經(jīng)投入運(yùn)行和簽定合同的火電廠仿真機(jī)數(shù)量已迅速達(dá)到68臺；核電仿真機(jī)3臺；水電廠仿真機(jī)2臺；電網(wǎng)調(diào)度仿真機(jī)5臺，這些屬于電力工業(yè)的培訓(xùn)仿真機(jī)共計(jì)達(dá)到78臺，成為世界上僅次于美國的第二個電力工業(yè)仿真機(jī)擁有大國。其中單就火電仿真機(jī)而言，其數(shù)量已占世界第一位，而且近90％是由國內(nèi)自己研制和開發(fā)的，充分顯示了中國具有強(qiáng)大的仿真技術(shù)和仿真機(jī)開發(fā)實(shí)力。各省市的培訓(xùn)中心已經(jīng)擁有或規(guī)劃建成200MW－600MW各種規(guī)格型號的火電培訓(xùn)仿真機(jī)；還有不少發(fā)電廠如華能福州電廠、華北盤山電廠等單獨(dú)擁有自己使用的仿真機(jī)。

　　這些仿真機(jī)的分布是：東北電網(wǎng)占有10臺火電仿真機(jī)，一臺電網(wǎng)仿真機(jī)，一臺水電仿真機(jī)；華北電網(wǎng)占有16臺火電仿真機(jī)，一臺核電仿真機(jī)，一臺電網(wǎng)仿真機(jī)；華東電網(wǎng)有18臺火電仿真機(jī)，一臺核電仿真機(jī)。華中電網(wǎng)有12臺火電仿真機(jī)，一臺核電仿真機(jī)，二臺電網(wǎng)仿真機(jī)；西南電網(wǎng)有7臺火電仿真機(jī)。西北電網(wǎng)5臺火電仿真機(jī)，一臺水電仿真機(jī)，一臺電網(wǎng)仿真機(jī)。

　　從開發(fā)單位來看，清華大學(xué)開發(fā)的有23臺，其中包括19臺火電、兩臺水電、兩臺電網(wǎng)仿真機(jī)；華北電力學(xué)院開發(fā)18臺火電仿真機(jī)；亞洲仿真公司開發(fā)15臺，其中14臺火電，一臺核電仿真機(jī)。上述三個單位開發(fā)的仿真機(jī)數(shù)量共為56臺，占中國電力工業(yè)仿真機(jī)總量的72％。從美、日、法等國家進(jìn)口了9臺。其余13臺為國內(nèi)其它8家仿真開發(fā)單位所完成。

　　不僅如此，中國已有能力出口電廠仿真機(jī)，1995年8月清華大學(xué)完成了向巴基斯坦出口中國第一臺仿真機(jī)的任務(wù)，仿真對象為木扎法戈電廠210MW燃油機(jī)組。同時由于獨(dú)立發(fā)展火電仿真系統(tǒng)和技術(shù)，開發(fā)成功面向?qū)ο?、面向工程的模塊化、圖形化、高精度的建模方法；有著獨(dú)立研制成功的為支持仿真機(jī)的開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行管理等仿真支持環(huán)境軟件。這些建模和支持軟件工具于1996年出口韓國，成為世界上有能力出口電力仿真技術(shù)的先進(jìn)國家。