仿真技術在我國電力工業中的發展及應用

1　現代化大型火電機組仿真系統的硬件組成和軟件結構

1.1　仿真系統的硬件組成

　　中國新建的大型火電機組的控制室有三種方式：a.以常規型的控制盤、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備；c.單純采用計算機屏幕操作和顯示，沒有儀表盤和操作臺。那么相應的仿真系統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）采用了五臺同一規格的PC機，分別具有同一規格的專用鍵盤和20寸顯示屏幕。電液調節系統DEH采用一臺專用PC機及20寸顯示屏幕。指導教師工作站是一臺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，使用三臺PC機。上述所有PC機和X-終端都作為下位機，通過開放式以太網和作為主機的HP-9000/800-K100服務器進行數據交換，其通信速率為10MB/s。該仿真機對輔助操作盤也進行了1∶1的仿真。應該說明的是，硬件系統中的各種計算機型號沒有嚴格的規定，一般是隨著計算機的發展，選用國際市場上最新型號和性能價格比比較高的原裝機。

1.2　計算機仿真系統的軟件結構

　　一般是以多用戶、多任務操作系統為基礎，如UNIX、VMS等。以數據庫管理、進程通訊、內存共享和實時任務調度為手段，建立仿真支持環境。并在它的支持下實現多層次的建模工具，包括源代碼管理、工程管理、自動建模工具以及仿真培訓所必須的輔助軟件，如指導教師站軟件、就地操作站軟件等。

　　仿真環境軟件是現代化仿真機開發和運行維護必不可少的大型軟件。從某種意義上說是仿真機的操作系統。世界上各大仿真公司都有各自的支持環境軟件，如從事電站仿真開發的美國S3T公司的S3、ABB公司的CETRAN，加拿大CAE公司的ROSE等。這些軟件按當時或現在計算機軟件開發水平，對仿真機的開發全過程起到重要的支持作用。

　　從我國電站仿真機生產的幾大廠家來看，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。唯有清華大學獨立開發了具有自主版權的支持軟件“一體化仿真支持環境”，簡稱ISSE。

　　ISSE具有完整的支持環境功能，基于B-TREE算法（平衡樹算法）的數據庫管理內核，提供了從變量、源代碼、工況文件、I/O接口等各種仿真機要素的管理。以對仿真機開發的各個階段，包括圖形化建模的支持。基于共享內存、信號燈和實時內核的技術，ISSE提供了可靠而準確的任務調度功能以及各種在線調試功能。由于采用了面向大型的程序設計和數據驅動的思想，ISSE對項目子組形式的開發提供了各種手段，并可實現一機多模的功能。ISSE全部采用C++寫成，并形成了ISSE開發類庫。該系統已在HP-UX、DECOpenVMS、SGIIRIX等操作系統上完整實現，體現了支持環境作為仿真操作系統的思想。除此之外，ISSE提供了一個基于網絡通訊的開發接口，以便于第三方軟件和ISSE的通訊。

　　ISSE軟件結構有三個層面，分別為類庫、工具軟件和應用軟件。

1.3　對象模型

　　電廠機組的各種不同熱力系統都是由一些熱力設備，如換熱器、風機、水泵、閥門、容器等經過管道連接而成，形成一個個流體網絡。熱力系統的動態過程不僅取決于各熱力設備本身的特性，即設備模塊；還取決于這些設備的連接方式，即拓撲結構。因此流體網絡建模技術成為電廠仿真中的一項重要技術。清華大學開發的流體網絡計算軟件FLOWNET，可建立單相不可壓縮、單相可壓縮流體網絡模型，采用半隱式歐拉積分算法和大型稀疏矩陣技術求解，很好的解決了網絡計算中的穩定性和實時性等問題。

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

　　當確定了熱力系統拓撲結構之后，根據GNET的圖形編輯器功能，調用各種不同設備所對應的圖標，再根據模塊入/出口進行連接，組成被仿真的熱力系統。同時相應的FORTRAN源程序隨之生成。經過實例化，即輸入被仿真設備和系統的參數和數據，該仿真系統即可進行調試。

2　中國火電廠仿真系統的發展歷程及現狀

2.1　中國電力工業發展特點

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

　　80年代我國電力工業安裝了一批200MW的大型火電機組，到1990年已經有142臺在運行中。隨著電網容量的增大，到90年代我國大型火電廠安裝的主力機組單機容量則以300MW－600MW大型機組為主，甚至800MW也已經開始安裝。第八個五年計劃里發電機組的年裝機容量為1800萬千瓦，到1996年，300MW－600MW的機組已達90臺，而且大部分是引進的外國先進設備。它們的自動控制系統也都是采用計算機分散控制系統（DCS），運行人員要掌握這些機組的運行技術是具有較高難度的。

　　由于我國一次能源的蘊藏量以煤最為豐富，每年大約有12億噸原煤的產量。其中約5億噸用于發電，只有少量火電廠采用石油或天然氣作燃料。因此，我國火電廠的結構是以燃煤機組為主。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電設備的結構和熱力系統帶來了復雜性、技術困難和高投資。

2.2　電廠仿真培訓的必要性

　　早在70年代中期，我國電力工業第一次較大規模從西方發達國家引進4個大型火電廠，它們分別是元寶山電廠法國300MW燃煤機組、大港電廠意大利350MW燃油機組、陡河電廠引進日本200MW燃煤機組、清河電廠為蘇聯200MW燃煤機組。它們都是超高壓（蒸汽壓力為13MPa）或亞臨界（蒸汽參數17MPa）機組，具有蒸汽再過熱系統。它們的自動控制系統主要采用了機、爐協調控制和計算機監控。這些特點反映了當時的世界火電機組的先進水平。在建廠過程中，就已經掌握這些新型機組運行技術問題擺在了電力部門領導面前。在國內進行理論培訓和派人到國外去進行培訓的同時，也在考慮如何發展中國自己的發電廠仿真培訓技術。

　　1975年美國聯邦能源部提出的安全性專題報告中就已經指出：“電廠的可靠性可以由改進設計和加強維護來改善，但是它只占可靠性的20－30%。另外70－80%依靠于運行人員。”

　　1988年清華大學曾對國內電廠運行人員進行過調查，結果是：某電廠未經過仿真培訓的一組運行人員在200MW機組上連續18個月內出現過七次事故，其中六次未能正確操作處理而被迫停機，有一次事故中造成人員受傷，另一次事故中造成停機長達15天之久。另一個電廠在10個月內發生過四次甩負荷事故，但它是由參加過仿真培訓的運行人員操作的。他們的爐、機、電運行人員互相配合，均能正確地處理事故。還有一個電廠在11個月內發生五次事故，包括保護動作、甩負荷、鍋爐滅火等，也是由經過仿真培訓的人員操作的，結果是有四次能夠很快消除事故，十分鐘內恢復正常生產。這些資料說明仿真培訓對電力生產的安全性起著至關重要的作用。

2.3　中國火電廠培訓仿真機從科研到產品的發展過程

2.3.1　從科研開始獨立發展中國的電廠系統仿真技術及培訓用仿真機

　　隨著數字式計算機的發展，世界上工業發達的國家，經過一個10多年的研究過程，于1971年幾乎同時在英國、美國、日本出現了實用性的火電仿真培訓系統。如1971年美國加利福尼亞州匹茲堡火電廠安裝了一臺750MW全機組仿真機，采用了數字式計算機；同年日本仙臺火電廠安裝了一臺350MW機組的培訓仿真機，也是采用了全數字計算機；也是同一年英國中央發電局在利茲市白宮路培訓站建成了一臺660MW全范圍仿真機，采用的是模擬－數字混合式計算機。

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

　　當時我國還處于不開放年代，和國外沒有深入的技術交流，只能依靠中國自己的技術力量作為一個科研項目去進行。克服了沒有先進的計算機設備和軟件的困難，在一臺國產DJS－130型的小型計算機上，于1982年完成了中國第一臺大型火電仿真系統，開始了中國自己有能力開發電廠仿真機的歷史，使中國成為世界上少有的幾個有能力開發此類仿真機的國家之一。因此獲得電力工業部優秀科技成果一等獎和國家科學技術進步一等獎被電力部門稱為中國電力培訓的里程碑。利用這一臺仿真機在清華大學建成了中國第一個火電運行仿真培訓中心，在5年時間里為電力工業培訓了約2000名運行技術人員。1984年清華大學又開始研制中國第一臺完全復制哈爾濱第三發電廠200MW機組控制室的全范圍高精度仿真機，于1988年完成，安裝在東北電管局沈陽電力專科學校。這是中國自己成功研制和開發最早的兩臺適用性的火電仿真機。

2.3.2　產品推廣的條件成熟

　　中國能源部于1988年在第一臺完全復制控制室的全范圍仿真機的安裝現場召開了各省市電力局領導參加的電廠仿真機技術交流會，提出了中國有能力開發自己的電廠全范圍、高精度的仿真機，決定在電力系統推廣、發展和應用仿真技術。1988年10月能源部向各省市電力局及大型發電廠發出了“關于發展火電機組模擬培訓裝置的通知”。文件規定把仿真機列為電力工業的重要技術進步項目，抓緊規劃和定點，建立200MW以上各種容量機組的仿真機，運行人員上崗前必須在仿真機進行為期不少于一個月的仿真培訓，并逐步作到人員定期輪訓。

　　在這個階段我國引進了幾臺國外開發的電廠仿真機。如1986年國家核安全局從美國引進了一臺900MW壓水堆核電仿真機，安裝在清華大學；一臺550MW原理型火電仿真機安裝在華北電力學院；1987年隨華能大連電廠主設備從日本帶進一臺350MW火電仿真機，安裝在大連電力技校；1988年從美國引進一臺300MW火電全范圍仿真機，安裝在北京電力學校，但是這臺仿真機價格十分昂貴，高達670萬美元，這是中國國力難以承受的。

2.3.3　中國發展火電仿真機的高峰

　　進入九十年代，西方發達國家能源發展幾乎處于停滯狀態，新電廠建設減少，因此它們的電廠仿真機工業相應地也沒有足夠的市場而紛紛關閉。

　　這個階段電廠仿真機發展的突出特點是在中國：1988年中國國家能源部發出“關于發展火電機組模擬培訓裝置的通知”之后，國內電廠仿真機開發公司的盲目發展也是在歷史上世界各國所未有過的，到1993年底競然有20多家電廠仿真機開發公司或中心出現。但是該時期運行的國產仿真機數目只有15臺，其中清華大學生產8臺；華北電力學院3臺；亞洲仿真公司2臺；東南大學1臺；西安熱工研究所1臺。清華大學和華北電力學院聯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，電網調度仿真機、水電仿真機、變電站仿真機也在開發，但數量較少。1992年清華大學完成的中國第一套電力系統調度仿真系統安裝在東北電管局調度中心，獲電力部科技進步一等獎和國家科技進步二等獎；1993年完成的中國第一臺水電仿真機，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組培訓仿真機已經達到68臺，除廣西、海南和西藏外，各省市均建立了火電仿真培訓中心。一部分新建大型火電廠也擁有自己的培訓仿真機。

3　我國投入使用和正在建造的火電仿真機的分布情況

　　據不完全統計，僅僅十年之內，到1997年中國已經投入運行和簽定合同的火電廠仿真機數量已迅速達到68臺；核電仿真機3臺；水電廠仿真機2臺；電網調度仿真機5臺，這些屬于電力工業的培訓仿真機共計達到78臺，成為世界上僅次于美國的第二個電力工業仿真機擁有大國。其中單就火電仿真機而言，其數量已占世界第一位，而且近90％是由國內自己研制和開發的，充分顯示了中國具有強大的仿真技術和仿真機開發實力。各省市的培訓中心已經擁有或規劃建成200MW－600MW各種規格型號的火電培訓仿真機；還有不少發電廠如華能福州電廠、華北盤山電廠等單獨擁有自己使用的仿真機。

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

　　從開發單位來看，清華大學開發的有23臺，其中包括19臺火電、兩臺水電、兩臺電網仿真機；華北電力學院開發18臺火電仿真機；亞洲仿真公司開發15臺，其中14臺火電，一臺核電仿真機。上述三個單位開發的仿真機數量共為56臺，占中國電力工業仿真機總量的72％。從美、日、法等國家進口了9臺。其余13臺為國內其它8家仿真開發單位所完成。

　　不僅如此，中國已有能力出口電廠仿真機，1995年8月清華大學完成了向巴基斯坦出口中國第一臺仿真機的任務，仿真對象為木扎法戈電廠210MW燃油機組。同時由于獨立發展火電仿真系統和技術，開發成功面向對象、面向工程的模塊化、圖形化、高精度的建模方法；有著獨立研制成功的為支持仿真機的開發、調試、運行管理等仿真支持環境軟件。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的先進國家。