李 祥,王廷舉

(1.安徽皖能環(huán)保發(fā)電有限公司,合肥 230000；2.博努力(北京)仿真技術(shù)有限公司,北京 100085)

0 引 言

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，城市生活垃圾問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，當(dāng)前，我國(guó)城市垃圾每年生產(chǎn)量超過(guò)2億噸，且近年來(lái)基本上以10%的增速在增長(zhǎng)。環(huán)保的壓力越來(lái)越大，國(guó)家正大力推進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)，通過(guò)垃圾的焚燒達(dá)到垃圾無(wú)害化、減容化、資源化的目的[1]。垃圾的干燥、燃燒、燃盡、燃燒產(chǎn)物的處理等問(wèn)題非常復(fù)雜，急需提高從業(yè)人員的操作能力和技術(shù)素質(zhì)。目前，最為有效的方法是建立全范圍的垃圾焚燒發(fā)電模擬系統(tǒng)，對(duì)從業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)十分普遍，國(guó)內(nèi)在使用的仿真系統(tǒng)不下于千余套[3]。但是，垃圾焚燒機(jī)組的仿真系統(tǒng)卻寥寥無(wú)幾，即使早期開(kāi)發(fā)了個(gè)別垃圾焚燒機(jī)組的仿真系統(tǒng)，但從技術(shù)上也已比較陳舊。皖能環(huán)保長(zhǎng)豐垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的仿真系統(tǒng)委托博努力(北京)仿真技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)雙方的密切合作，成功研制了全范圍垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的仿真系統(tǒng)，為垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組從業(yè)人員的培訓(xùn)提供了幫助。與傳統(tǒng)仿真機(jī)相比，長(zhǎng)豐垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)采用了國(guó)際先進(jìn)的一體化多學(xué)科仿真平臺(tái)、高精度的機(jī)理型垃圾焚燒數(shù)學(xué)模型、生動(dòng)逼真的3D電氣就地操作仿真，開(kāi)發(fā)了多種靈活方便的培訓(xùn)與考核功能，取得了令人滿意的培訓(xùn)效果。文中將對(duì)長(zhǎng)豐電廠的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與功能做以簡(jiǎn)要介紹。

1 仿真系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 多學(xué)科仿真支撐平臺(tái)MSP

支撐平臺(tái)軟件功能是否強(qiáng)大、友好是仿真機(jī)開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵。多學(xué)科仿真支撐平臺(tái)MSP(Multi-SubjectSimulationPlatform)是博努力公司根據(jù)多年來(lái)開(kāi)發(fā)仿真機(jī)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，吸取國(guó)內(nèi)外仿真支撐軟件優(yōu)點(diǎn)，自行開(kāi)發(fā)的大型一體化仿真支撐平臺(tái)[2]。

MSP能夠?yàn)榇笮蛷?fù)雜系統(tǒng)的連續(xù)過(guò)程仿真提供設(shè)計(jì)計(jì)算、調(diào)試、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、運(yùn)行管理等功能。提供多種插件支持，通過(guò)增減插件能夠方便地對(duì)平臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展和屏蔽；采用以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的P2P網(wǎng)絡(luò)模型，既能夠?qū)⒎抡骈_(kāi)發(fā)和運(yùn)行部署到更大的范圍上，也能夠通過(guò)裁減而滿足多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求；提供可配置的計(jì)算調(diào)度模式，能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)的硬件對(duì)仿真計(jì)算進(jìn)行靈活配置，既可以充分的利用多核計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源，又可以兼容已有的單核計(jì)算機(jī)。

1.2 多組份熱力系統(tǒng)模型

國(guó)內(nèi)的火電仿真機(jī)的熱力系統(tǒng)模型基本上采用均相流模型，而實(shí)際熱力系統(tǒng)是復(fù)雜的多組分、兩相流過(guò)程。因此，均相流模型很難模擬兩相流的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。本項(xiàng)目的熱力系統(tǒng)建模工具PowerBuilder采用六方程模型，對(duì)汽相、液相分別建立質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程，汽相與液相之間的轉(zhuǎn)變采用漂移流模型。對(duì)氣相采用多組分模型，組分包括N2、O2、H2、CO2、CO、CH4、NOx、SO2等十多種成分。PowerBuilder可快速穩(wěn)定求解熱力系統(tǒng)的壓力和流量，可以準(zhǔn)確模擬各種工況，如汽液相非平衡，系統(tǒng)泄漏，管道充水等情況下的系統(tǒng)壓力的快速變化。PowerBuilder所使用的基本方程可表達(dá)如下：

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

(2)動(dòng)量守恒方程

(2)

(3)能量平衡方程

(3)

式中，M為質(zhì)量；ρ為密度；v為流體速度；fin為流入質(zhì)量流量；fout為流出質(zhì)量流量；Cp為定壓比熱；Tin為流入溫度；Tout為流出溫度；fb為蒸發(fā)產(chǎn)生的流量；fc為凝結(jié)產(chǎn)生的流量frxn為化學(xué)反應(yīng)的流量；L為流道長(zhǎng)度；g為重力加速度；ΔP為流道中泵的壓頭差；Pf-w為流體與壁面的壓降；Pf-f為流動(dòng)壓降；K為壁面損失系數(shù)。

在以上三個(gè)守恒方程中，質(zhì)量守恒方程充分考慮了液相的蒸發(fā)、汽相的凝結(jié)以及可能產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。在動(dòng)量守恒方程中，針對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)層流和湍流分別考慮，依據(jù)流體的雷諾數(shù)(Re)來(lái)判斷。Re>2300時(shí)，流動(dòng)為湍流，壓力以流動(dòng)速度的平方下降。Re<2000 時(shí)，流動(dòng)為層流，且壓降與流動(dòng)呈比例關(guān)系。對(duì)于 Re 在 2000～2300 之間，流動(dòng)在層流和湍流之間變化。最后使用PowerBuilder建立相應(yīng)的某垃圾焚燒機(jī)組的汽水系統(tǒng)仿真模型。

1.3 垃圾焚燒爐膛模型

與常規(guī)的發(fā)電機(jī)組相比，垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的主要區(qū)別在于燃燒系統(tǒng)的不同，其燃料為垃圾,熱值很低；燃燒方式為爐排層狀燃燒，給料方式、燃燒過(guò)程以及煙氣成分、灰層特性、飛灰特性也與燃煤鍋爐有顯著不同；爐內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、煙氣成分復(fù)雜，一、二次風(fēng)調(diào)節(jié)對(duì)燃燒影響的規(guī)律復(fù)雜，因此必須從垃圾燃燒反應(yīng)機(jī)理和煙風(fēng)流動(dòng)機(jī)理出發(fā)，建立機(jī)理模型。

由于垃圾組分的多變，對(duì)各種成分在不同燃燒情況下的產(chǎn)物的建模必須準(zhǔn)確，而不像傳統(tǒng)煤粉燃燒仿真僅需考慮煙氣的傳熱特性和煙氣含氧量就可以了，這大大增加了建模的難度。垃圾燃燒的反應(yīng)過(guò)程很復(fù)雜，垃圾燃燒在一定條件下發(fā)生的反應(yīng)分為：(1)水分蒸發(fā)；(2)高溫?zé)峤猓磻?yīng)產(chǎn)生揮發(fā)分和焦炭；(3)揮發(fā)分的氣相反應(yīng)和焦炭燃燒等。因此需要建立以下仿真模型：

(1)垃圾干燥過(guò)程的模擬。

(2)揮發(fā)分析出過(guò)程與燃燒的模擬。

(3)碳燃燒的模擬。

(4)能量平衡方程。

(5)爐排模擬。

(6)分倉(cāng)風(fēng)室模型。

(7)給料系統(tǒng)模擬。

(8)燃燒產(chǎn)物成分的模擬。

1.4 生動(dòng)逼真的3D電氣就地操作模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，將三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到火電廠就地操作仿真成為可能。本項(xiàng)目采用博努力公司開(kāi)發(fā)的3D引擎Surya3D，并采用3DMax建模技術(shù)來(lái)模擬、構(gòu)建電氣就地操作場(chǎng)景，包括配電室、開(kāi)關(guān)柜、操作面板等，所有設(shè)備的位置以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的位置為依據(jù)，所有設(shè)備均按照生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)際標(biāo)高和尺寸制作?？烧鎸?shí)形象地反映設(shè)備的正常、異常、事故狀態(tài)及其動(dòng)作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣就地系統(tǒng)的巡視、檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中的設(shè)備操作、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除等工作，使操作具有很強(qiáng)的真實(shí)感、現(xiàn)場(chǎng)感。

在3D虛擬仿真軟件和2D控制室數(shù)值仿真軟件的基礎(chǔ)上，用OPC通訊協(xié)議開(kāi)發(fā)了3D與2D仿真系統(tǒng)的交互通訊軟件，實(shí)現(xiàn)了3D系統(tǒng)與2D系統(tǒng)的交互嵌入。從而實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的3D就地操作仿真。同時(shí)，可以在電氣就地虛擬場(chǎng)景中設(shè)置安全用具，如各種常用的標(biāo)示牌，安全帽，消防栓，消防沙，滅火器，圍檔等。下圖是某垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組電氣開(kāi)關(guān)柜的3D仿真。

2 仿真范圍與功能

2.1 仿真范圍

2.1.1 焚燒爐系統(tǒng)

焚燒爐系統(tǒng)仿真范圍主要包括：鍋爐本體、汽水系統(tǒng)、垃圾給料系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)煙及燃燒系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、疏水和排汽、儀用空氣系統(tǒng)。

2.1.2 汽輪機(jī)系統(tǒng)

汽輪機(jī)系統(tǒng)仿真范圍主要包括：汽輪機(jī)本體、主蒸汽、抽汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)、凝結(jié)水、除氧器系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)、汽機(jī)軸封系統(tǒng)和汽機(jī)疏水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、汽輪機(jī)潤(rùn)滑油及油處理系統(tǒng)、凝汽器和抽空氣系統(tǒng)。

2.1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)仿真范圍主要包括：發(fā)電機(jī)變壓器組、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、10 kV廠用電系統(tǒng)、380 V廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)(EMS)。

2.1.4 熱控系統(tǒng)

熱控系統(tǒng)仿真范圍主要包括：數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(DAS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、爐膛監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)等。

2.1.5 煙氣處理系統(tǒng)

垃圾焚燒的煙氣處理系統(tǒng)，采用非選擇性催化還原法SNCR和催化還原法(SCR)脫硝裝置，在鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于80%，脫硝還原劑采用20%的氨水。

其仿真范圍包括氨區(qū)和SNCR/SCR反應(yīng)區(qū)，氨區(qū)包括氨卸料系統(tǒng)、氨水儲(chǔ)存系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)系統(tǒng)、事故噴淋系統(tǒng)、冷卻噴淋系統(tǒng)、廢氨吸收系統(tǒng)；SCR反應(yīng)區(qū)包括氨氣/空氣混合系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等。

2.1.6 滲濾液系統(tǒng)

垃圾滲瀝液處理系統(tǒng)的工藝一般為預(yù)處理、UBF厭氧、外置式膜生物反應(yīng)器(MBR，兩級(jí)硝化反硝化+超濾)、兩級(jí)納濾(NF)、反滲透(RO)。

其仿真范圍包括：預(yù)處理系統(tǒng)、雙向管道系統(tǒng)、UBF厭氧系統(tǒng)、MBR系統(tǒng)、兩級(jí)納濾(NF)、反滲透(RO)、納濾濃縮液處理系統(tǒng)、離心機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)急火炬系統(tǒng)、液氧罐系統(tǒng)。

2.2 仿真系統(tǒng)的功能

2.2.1 機(jī)組正常運(yùn)行工況仿真

(1)從冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)到滿負(fù)荷的啟動(dòng)操作。

(2)機(jī)組從滿負(fù)荷的停機(jī)操作。

(3)其他指定工況啟、?；蛏?、降負(fù)荷的操作。

2.2.2 機(jī)組異常運(yùn)行工況仿真

仿真機(jī)能模擬垃圾焚燒機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行中各種異常和故障情況，并有正確的反應(yīng)結(jié)果。仿真機(jī)各種組合故障數(shù)千個(gè)，對(duì)于故障和事故，學(xué)員可在操作員站上進(jìn)行操作處理。

2.2.3 操作票演練功能

針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的仿真操作訓(xùn)練，將機(jī)組的啟動(dòng)、停止、各種狀態(tài)的運(yùn)行、以及故障模擬操作分為若干個(gè)工作任務(wù)，對(duì)這些任務(wù)一一編寫操作票，可對(duì)每一個(gè)任務(wù)進(jìn)行單獨(dú)的操作培訓(xùn)。在培訓(xùn)過(guò)程中，采用演示、練習(xí)交替，任務(wù)驅(qū)動(dòng)，目標(biāo)導(dǎo)向的培訓(xùn)模式。學(xué)員培訓(xùn)時(shí)，只需要在操作票上點(diǎn)擊右鍵，即可以彈出“演示模式”、“練習(xí)模式”的選項(xiàng)(如圖所示)，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)的演示與練習(xí)相結(jié)合的模式，針對(duì)學(xué)員的個(gè)人需要進(jìn)行不同的操作票練習(xí)，快速提高學(xué)員的技術(shù)水平和操作能力。

圖 操作票培訓(xùn)示例

2.2.4 考核功能

配合仿真機(jī)的操作培訓(xùn)，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了自動(dòng)考評(píng)系統(tǒng)軟件?？梢栽诰钟蚓W(wǎng)內(nèi)同時(shí)或分別進(jìn)行在線考評(píng)，可以自動(dòng)向任意一個(gè)單機(jī)用戶或一個(gè)協(xié)同培訓(xùn)群分發(fā)試卷，并自動(dòng)生成考評(píng)結(jié)果?？荚u(píng)系統(tǒng)由考題模板、模塊化考題、自定義考題、試卷庫(kù)四部分組成。

在考評(píng)時(shí)，教師選擇考卷可同時(shí)對(duì)多個(gè)學(xué)員進(jìn)行考評(píng)，考評(píng)結(jié)束后直接得出成績(jī)匯總表和含有學(xué)員信息的考評(píng)報(bào)告?？荚u(píng)報(bào)告的內(nèi)容包括：

(1)考試信息：包括考生的姓名、得分、考試開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間。

(2)考題信息：包括考題的名稱、得分、難度、判分的細(xì)則。

3 仿真精度及效果

垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)采用逼真的數(shù)學(xué)模型，符合實(shí)際機(jī)組全工況全物理過(guò)程的機(jī)理性模型，遵守質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定律。如汽水系統(tǒng)建模采用了高精度的六方程模型，對(duì)汽相、液相分別建模，燃燒模型將爐排沿運(yùn)動(dòng)方向分為干燥段、燃燒段、燃盡段，每段又分為若干子段進(jìn)行建模，共計(jì)分為120個(gè)子段，確保了仿真模型的精度。仿真機(jī)組的重要參數(shù)，如：主蒸汽壓力、溫度、流量，出口煙氣溫度，給水壓力、溫度、流量，機(jī)組功率等的靜態(tài)精度在0.5%內(nèi)，動(dòng)態(tài)精度在5%內(nèi)，完全可滿足仿真培訓(xùn)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組仿真模擬的關(guān)鍵在于垃圾燃燒過(guò)程、傳熱、燃燒產(chǎn)物、煙氣處理系統(tǒng)的建模，同時(shí)開(kāi)發(fā)了3D就地仿真系統(tǒng)。在培訓(xùn)功能上開(kāi)發(fā)了操作票演練功能和自動(dòng)考評(píng)系統(tǒng)，這是博努力公司的特有技術(shù)，大大提高了仿真培訓(xùn)的效率和針對(duì)性。垃圾焚燒機(jī)組仿真系統(tǒng)已正式驗(yàn)收并投入運(yùn)行，員工培訓(xùn)效果良好,并為垃圾處理和環(huán)保事業(yè)做出重要貢獻(xiàn)。