火电厂仿真

1. 高 伟主讲 火电厂仿真 华中科技大学·能源与动力工程学院 027—87542817

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、11

3. 1·1 仿真的概念 第一章 概述 仿真（Simulation）的定义： 利用模型模仿实际系统（或对象），再现其某些特性。 仿真的目的： 便于再现和进一步研究系统（或对象）的某些特性。 仿真的关键： 建立实际系统（或对象）的模型。

4. 模型： 模型是实际系统（或对象）在某些方面特性的一种表现形式。它必须反映该系统（或对象）的主要特征、行为特性或本质特性。 仿真分类： 依据模型种类不同，或仿真方式不同，系统仿真可分为三类： 1、物理仿真 2、数学仿真 3、物理-数学混合仿真

5. 1、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。

6. 2、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。

7. 3、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。

8. 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； 第一次模化：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。

9. 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

10. 1、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）。

11. 2、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

12. 3、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；

13. 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。

14. 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。

15. 1·2 火电厂仿真技术的应用 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。

16. 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。

17. 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。

18. 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

19. 1·3 火电厂仿真的发展历史 1955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。

20. 1968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。1968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。

21. 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（Singer Co·Link Simulation Systems Division） EAI公司（Electronic Associates，Inc） CE公司（Combustion Engineering） EPRI公司（Electric Power Research Institute） Gould公司、 Ominidata公司、 Autodynamics公司 加拿大: CAE公司（Canadian Aviation Electronics） 英国： CEGB公司（Central Electricity Generating Board） Link—Miles公司 德国： Krupp Atlas Electronic 芬兰： Nokia Electrnics 我国:清华大学1974年开始了火电机组仿真系统的研制工作，

22. 1975年，美国制订了全复制型核电站培训仿真器国家标准（Nuclear power plant simulators for use in operation training） 1979年3月28日美国三里岛核电站（Three miles Island　Ｎpp）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(Nuclear Regulatory Commission)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。

23. 1981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。1981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。

24. 1983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。1983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Singer Link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。

25. 1988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。1988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/ANS3·5 1990年8月，美国颁布《火电厂仿真机功能要求》ISA-77·20标准。

26. 1991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。

27. 1995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；

28. 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：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。

29. 1·4 系统特点与性质 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；

30. 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。

31. 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