仇韜，鄔峰，孟曉偉，王偉

（中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安710075）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，燃煤造成的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，同時我國的化石燃料資源也在日漸枯竭，在這種情況下，對于清潔可再生能源的需求越來越高。太陽能，作為最大的非化石能源來源，其在一小時內(nèi)提供的能量高于地球全年內(nèi)消耗的能量［1］。如何對太陽能進(jìn)行高效、低成本的應(yīng)用是目前可再生能源應(yīng)用研究中的重要分支，而塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電是太陽能利用中的一個重要的研究方向［2］。塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電站全廠工藝系統(tǒng)主要由以下三大部分組成：由數(shù)萬個定日鏡及位于塔頂?shù)奈鼰崞鳂?gòu)成的太陽能聚光集熱系統(tǒng)；高低溫熔鹽儲罐及蒸汽發(fā)生器組成的儲換熱系統(tǒng)；汽輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備組成的發(fā)電系統(tǒng)。

目前國內(nèi)已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的光熱電站，由于技術(shù)的限制，目前還很難達(dá)到24 h不間斷運(yùn)行，因此為了保證汽輪機(jī)效率，正常運(yùn)行過程中一般需要在晚高峰過后汽輪機(jī)即停機(jī)，待第二天日出后再啟動，這樣的運(yùn)行特點(diǎn)使得光熱電站對運(yùn)行人員有著較高的要求。但目前光熱電站尤其是塔式光熱電站在國內(nèi)仍是新興行業(yè)，運(yùn)行人員對于其運(yùn)行過程，尤其是對集熱場、儲換熱等非常規(guī)系統(tǒng)的控制都比較陌生，在實(shí)際操作中可能發(fā)生誤操作導(dǎo)致安全隱患，或者因?yàn)椴僮鞑皇炀毷沟脵C(jī)組無法運(yùn)行在最佳的工作點(diǎn)上，使整個機(jī)組的效率難以達(dá)到最高。

仿真機(jī)技術(shù)在常規(guī)火電機(jī)組中已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，其主要用于對運(yùn)行人員的培訓(xùn)［3-4］，因此國內(nèi)各個研究機(jī)構(gòu)均致力于開發(fā)光熱電站仿真機(jī)用于培訓(xùn)，雖然國內(nèi)已有數(shù)個已投入商業(yè)運(yùn)行的光熱電站，但目前能達(dá)到全范圍深度的塔式熔鹽光熱電站仿真平臺尚未見報道。本課題組結(jié)合某實(shí)際光熱項(xiàng)目，開發(fā)了一套基于虛擬DPU 技術(shù)的塔式熔鹽光熱電站全范圍驗(yàn)證平臺。

1 虛擬DPU技術(shù)

虛擬DPU與實(shí)際DCS系統(tǒng)的區(qū)別如圖1所示。

圖1 虛擬DPU技術(shù)與實(shí)際DCSFig.1 Virtual DPU technology and real DCS

虛擬DPU 技術(shù)是相對于真實(shí)分散控制系統(tǒng)（DCS）而言的，是將真實(shí)DCS 的組態(tài)文件同步至虛擬DPU 中，并通過數(shù)據(jù)通訊技術(shù)與仿真服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成從控制到對象的流程［5］。

基于虛擬DPU 的仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的基于翻譯式的仿真技術(shù)相比，由于其DCS邏輯的運(yùn)算方式與實(shí)際DPU 完全一致，因此其運(yùn)算逼真度非常高，其仿真結(jié)果可以直接用于現(xiàn)場控制中，但需要說明的是，基于虛擬DPU 的仿真技術(shù)要求DCS 控制系統(tǒng)支持虛擬DPU 功能，同時由于需要單獨(dú)購買一套虛擬DPU軟件，因此其費(fèi)用大多偏高。

隨著DCS 的不斷發(fā)展，目前大多數(shù)DCS 控制系統(tǒng)均已支持虛擬DPU 技術(shù)［6］，因此基于虛擬DPU的仿真技術(shù)是目前的主流，本課題組基于南京科遠(yuǎn)自動化公司的DCS 控制系統(tǒng)NT6000 設(shè)計(jì)和開發(fā)了全范圍驗(yàn)證平臺。

2 全范圍仿真機(jī)架構(gòu)及建模過程

2.1 全范圍仿真機(jī)架構(gòu)

塔式熔鹽光熱電站全范圍仿真機(jī)的架構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯觯抡嫫脚_的控制策略與實(shí)際運(yùn)行中的機(jī)組完全一致，區(qū)別只是在于實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組其邏輯運(yùn)行于工業(yè)級的控制器DPU中，而仿真驗(yàn)證平臺的邏輯運(yùn)行于仿真機(jī)服務(wù)器中。兩者僅是硬件載體不一致，而其計(jì)算方法完全相同，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也確保了從控制層面仿真驗(yàn)證平臺與實(shí)際完全一致。

同時，為了保證運(yùn)行人員在培訓(xùn)過程中人機(jī)界面的真實(shí)性，通過手動同步的方式保證在操作員站和仿真學(xué)員站中的畫面保持一致。

2.2 全范圍仿真機(jī)數(shù)值模型建模

仿真驗(yàn)證平臺的建模工作分為邏輯建模和工藝系統(tǒng)建模兩個部分。

邏輯建模工作基于南京科遠(yuǎn)自動化集團(tuán)NT6000 虛擬DPU 系統(tǒng)，其組態(tài)過程與實(shí)際DCS 完全一致，其界面如圖3 所示，由于使用了虛擬DPU技術(shù)，在保證仿真真實(shí)性的同時可以將仿真機(jī)邏輯文件直接導(dǎo)入DCS中，縮短了組態(tài)工作的周期。

2.3 全范圍仿真機(jī)邏輯建模

在工藝系統(tǒng)的建模過程中，為了確保模型與實(shí)際工藝過程保持一致，課題組根據(jù)實(shí)際50 MW 塔式熔鹽光熱電站全套設(shè)計(jì)資料以及全套供貨商資料為輸入，并基于其熱力學(xué)模型［7-8］進(jìn)行建模，從參數(shù)角度保持模型與實(shí)際工藝過程的一致性，部分?jǐn)?shù)值模型如圖4所示。

2.4 仿真模型參數(shù)在線校正

在建模過程中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際物理特性之間難免有所不同，同時設(shè)計(jì)參數(shù)僅代表工藝系統(tǒng)的靜態(tài)特性，而仿真模型是一個動態(tài)的模型，其動態(tài)參數(shù)需要通過試驗(yàn)確定，因此僅通過設(shè)計(jì)參數(shù)建立的數(shù)值模型難以保證和實(shí)際系統(tǒng)完全一致。

為了解決上述問題，本次仿真平臺采用實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行在線優(yōu)化。仿真驗(yàn)證平臺從運(yùn)行的機(jī)組中讀取DCS指令信號，將該指令信號作為激勵輸入到數(shù)值仿真模型中，得到理論響應(yīng)值后與實(shí)際反饋信號進(jìn)行比較后通過預(yù)先設(shè)置的校正算法對數(shù)值模型參數(shù)進(jìn)行滾動校正。

圖2 塔式熔鹽光熱電站全范圍仿真驗(yàn)證平臺架構(gòu)Fig.2 Full scope simulation verification platform architecture of molten salt tower solar thermal power station

圖3 全范圍仿真機(jī)邏輯組態(tài)界面Fig.3 Logical configuration interface of the full scope simulator

2.5 仿真模型數(shù)量統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過仿真建模工作，本文最終開發(fā)完成了一套用于塔式熔鹽光熱電站的全范圍仿真機(jī)，其各個部分?jǐn)?shù)量統(tǒng)計(jì)如表1和表2所示。

圖4 全范圍仿真機(jī)數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of the full scope simulator

表1 邏輯組態(tài)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Logical configuration quantity statistics

表2 數(shù)值仿真模型數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Quantity statistics of numerical simulation models 個

3 全范圍仿真機(jī)邏輯驗(yàn)證

塔式熔鹽光熱電站主要分為集熱場、儲換熱裝置、蒸汽發(fā)生器及汽輪機(jī)，由于設(shè)置了儲熱系統(tǒng)，使得蒸汽發(fā)生器及汽輪機(jī)這部分常規(guī)的發(fā)電單元能夠與集熱場和儲換熱裝置達(dá)到完全解耦運(yùn)行。關(guān)于常規(guī)發(fā)電單元的仿真已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了深入的研究［9］，本文不再對這部分內(nèi)容進(jìn)行介紹。對于儲換熱控制系統(tǒng)，以較為典型的冷鹽泵備用啟動控制系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。

3.1 冷鹽泵控制邏輯仿真驗(yàn)證

1）備用啟動：正常運(yùn)行過程中，通過冷鹽泵將溫度較低的熔鹽輸送至吸熱器中進(jìn)行吸熱，冷鹽泵的安全運(yùn)行對于整個光熱電站來說非常關(guān)鍵。系統(tǒng)共配置三臺冷鹽泵，正常運(yùn)行過程中為兩用一備模式，當(dāng)某臺冷鹽泵由于故障跳閘時，需要立即聯(lián)鎖啟動備用泵，保持冷鹽泵出口母管流量不發(fā)生較大變化。

2）運(yùn)行控制：在聚光集熱系統(tǒng)啟動階段，當(dāng)吸熱器空載預(yù)熱至290 ℃時，冷鹽泵上鹽，此時泵流量不跟蹤吸熱器出口溫度，逐漸投運(yùn)定日鏡，逐漸提高泵出口流量，控制出口溫度階躍在10 ℃/min；當(dāng)聚光集熱器系統(tǒng)正常運(yùn)行階段，且當(dāng)泵組流量低于額定流量，吸熱器出口溫度若低于額定溫度-10 ℃，投運(yùn)更多的定日鏡。當(dāng)定日鏡投運(yùn)率到100%時，且當(dāng)吸熱器出口溫度低于額定溫度－10 ℃，則降低熔鹽泵流量。當(dāng)吸熱器停運(yùn)時，熔鹽泵退出跟蹤吸熱器出口溫度模式。

圖5 模擬事故工況下動態(tài)曲線Fig.5 Dynamic curve under simulated accident conditions

3.2 控制邏輯仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述控制邏輯是否能有效在故障工況下維持冷鹽泵總出力不變，本文借助全系統(tǒng)仿真平臺對該部分邏輯進(jìn)行了測試，模擬以下工況：兩臺冷鹽泵高負(fù)荷運(yùn)行時其中一臺故障跳閘，聯(lián)鎖啟動備用冷鹽泵。上述故障工況是在正常運(yùn)行過程中常見的事故工況，如控制邏輯不能進(jìn)行有效的動作，將會威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。

仿真機(jī)模擬驗(yàn)證曲線如圖5 所示，在162 s 時刻，高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的冷鹽泵B 跳閘，冷鹽泵總出力瞬間降低至正常值的50%，冷鹽泵出口母管流量明顯降低，但控制邏輯的作用使冷鹽泵B 切除并投入處于備用狀態(tài)的冷鹽泵C，同時聯(lián)動相關(guān)閥門，使冷鹽泵出口母管流量在短時間下降后經(jīng)過140 s 左右后回到了正常值，流量最大偏差為312 t/h。

經(jīng)過仿真平臺的驗(yàn)證，在上述工況下，控制策略可以確保冷鹽泵總出力不受較大影響，避免引發(fā)鏡場緊急散焦。

4 全范圍仿真機(jī)仿真培訓(xùn)

4.1 人機(jī)交互界面

仿真機(jī)的一個重要功能是對于運(yùn)行人員的培訓(xùn)功能，該項(xiàng)功能的重點(diǎn)為確保仿真機(jī)和實(shí)際系統(tǒng)的一致性，尤其是人機(jī)交互界面以及連鎖控制邏輯。

通過前文可知，本次仿真平臺已從各個角度確保仿真機(jī)與實(shí)際系統(tǒng)的一致性，此處以人機(jī)交互界面實(shí)例對仿真培訓(xùn)功能進(jìn)行說明。

圖6 熱熔鹽系統(tǒng)人機(jī)交互界面Fig.6 Human machine interaction（HMI）of hot molten salt system

熱熔鹽系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖6 所示，該界面與實(shí)際DCS中界面完全一致，通過該界面，運(yùn)行人員可以在仿真平臺上對汽輪機(jī)各個泵、調(diào)門進(jìn)行一比一的監(jiān)視及操作。

因此，基于仿真機(jī)中邏輯組態(tài)、數(shù)值模型、人機(jī)交互界面的支持，運(yùn)行人員可以在與實(shí)際完全一致的操作界面上，模擬正常運(yùn)行過程中從早晨鏡場投運(yùn)至傍晚汽輪機(jī)停機(jī)的整個過程，使運(yùn)行人員可以在實(shí)際操作之前，通過仿真機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)操，避免由于操作不熟悉所造成的安全隱患。

4.2 仿真故障點(diǎn)設(shè)置

仿真機(jī)的另一個重要功能為故障工況設(shè)置，其對于機(jī)組安全運(yùn)行有著很重要的意義［10］。

本次仿真機(jī)開發(fā)過程中，針對實(shí)際過程中可能發(fā)生的故障，并充分進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研了解運(yùn)行人員對用于培訓(xùn)的事故工況的需求后，設(shè)置了相應(yīng)故障點(diǎn)，例如對于鏡場：定日鏡場運(yùn)行中緊急散焦、定日鏡場部分區(qū)域失電；對于儲換熱系統(tǒng)：熱鹽罐泄漏、冷鹽罐泄漏；對于常規(guī)島系統(tǒng)：汽輪機(jī)軸振大事故等，各種故障點(diǎn)通過教練員站進(jìn)行調(diào)用。

通過一比一的接口界面，運(yùn)行人員可以在與實(shí)際系統(tǒng)完全相同的操作界面上進(jìn)行操作，同時可以通過仿真系統(tǒng)設(shè)置各種故障工況并進(jìn)行實(shí)操演練，提高運(yùn)行人員對整套系統(tǒng)的熟悉程度以及對故障工況的應(yīng)對處置能力，間接減小了因運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)有限所帶來的安全隱患。

5 結(jié) 論

熔鹽塔式光熱電站是太陽能高效利用中的一個重要分支，但目前其仍是新興行業(yè)。由于對其控制邏輯、運(yùn)行方式的不了解，使得在建設(shè)和運(yùn)維過程中，存在著各種問題。

本文在對塔式熔鹽光熱電站進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，基于實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，開發(fā)了一套用于塔式熔鹽光熱電站的全范圍仿真機(jī)。

進(jìn)一步通過實(shí)例對其邏輯驗(yàn)證功能進(jìn)行測試，結(jié)果表明，上述仿真機(jī)可以準(zhǔn)確模擬塔式熔鹽光熱電站在運(yùn)行中的動態(tài)特性，滿足邏輯測試和操作員培訓(xùn)的要求。