仿真系统

一、电站仿真系统 　　随着电站自动化程度的提高和DCS的大量应用，热控人员在DCS的运行、组态与调试能力的培训方面日益重要起来。传统培训仿真机大都包含对DCS系统的仿真，其主要作用是维持机组的正常运行以配合对运行人员的培训，不可能用于热控人员的培训。为了满足热控人员和运行人员的培训需求，我们提出了一种以DCS为核心的仿真培训系统，并称之为新型电站仿真系统。 二、优势与特点 　　1. 三十年的工程锤炼，模型稳定、精度高 　　2. 支持以一机多模，实现多流程仿真 　　3. 完全图形化建模，开发周期短 　　4. 丰富的教练员功能，多样化的教学手段 　　5. 建模工具产品化，用户可自行修改仿真模型 　　6. 即可用于人员培训，又可用于系统校验 　　7. 科学的评分系统，合理的考核方法 　　8. 专业的服务团队，一流的技术支持 三、DCS仿真方案 　　1. 虚拟DPU方式 　　2. 翻译方式 　　3. 组态方式 四、硬件的构成及典型布局(以虚拟DPU方式为例) 　　1. 模型服务器 　　运行仿真支撑系统、各系统的仿真模型、OPC通讯软件、教练员站软件以及评分系统。 　　2. 虚拟DPU站 　　运行虚拟DPU软件，实现DCS控制逻辑的仿真，并通过OPC通讯软件与模型服务器进行数据通讯。 　　3. 工程师站 　　安装仿真模型组态文件及DCS组态文件，用于汽机、锅炉、电气模型及DCS控制逻辑的修改。 　　4. DCS操作员站 　　运行实际机组DCS的人机界面软件，通过网络与虚拟DPU站进行数据通讯。 　　5. 就地操作员站 　　运行实际机组DCS的人机界面软件，模拟就地操作。通过网络与虚拟DPU站进行数据通讯。 　　6. 辅助设备 　　投影仪及屏幕、音响、打印机、UPS电源等。 　　   五、产品规格     超临界电站 1000MW 超临界电站仿真系统 600MW 超临界电站仿真系统 330MW 超临界电站仿真系统   循环流化床电站 600MW CFB电站仿真系统（国家“十一.五”攻关项目） 300MW CFB电站仿真系统 150MW CFB电站仿真系统 135MW CFB电站仿真系统（国内第一套CFB仿真，获教育部科技进步二等奖）   常规电站 600MW 亚临界电站仿真系统 300MW 亚临界电站仿真系统 200MW 电站仿真系统 135MW 电站仿真系统 100MW 电站仿真系统 60MW 电站仿真系统 50MW 电站仿真系统 6MW 电站仿真系统   垃圾焚烧电站 15MW CFB垃圾焚烧电站仿真系统（国内第一套CFB垃圾焚烧电站仿真） 12MW 垃圾焚烧电站仿真系统（国内第一套垃圾焚烧电站仿真）   新能源及洁净能源电站 水力发电仿真系统 风力发电仿真系统 太阳能发电仿真系统 生物质发电仿真系统   联合循环电站 9F级燃气-蒸汽联合循环电站仿真系统 9E级燃气-蒸汽联合循环电站仿真系统 6B级燃气-蒸汽联合循环电站仿真系统  

一、背景 　　随着工业锅炉的大型化，其控制系统也越来越复杂。同时对操作人员的要求也越来越高。操作人员除了需要熟悉操作规程外，还需要快速处理运行当中出现的各种故障。本软件不但提供常规的操作，也提供大量的现场故障，供操作人员进行反事故的演习，以提高他们的操作技能和事故处理能力。 　　     二、特点 　　1.采用图形化自动建模方法和实时流体网络算法，建立工业锅炉仿真动态模型 　　2.实现全工况的1：1仿真，包含水处理的仿真 　　3.全DCS画面以及就地画面实现人机的完美交互 　　4.可提供现实感更强的3D人机交互界面 　　5.上百个故障的仿真模拟 　　6.自带评分系统，可实现对操作人员能力的考核 　　   　　   三、规格   锅炉仿真教学培训软件 DHL29工业锅炉仿真培训系统 SZL29工业锅炉仿真培训系统 3D工业锅炉仿真培训系统软件 (采用3D虚拟现实技术) 3D工业锅炉仿真培训系统 锅炉安全运行 计算机仿真培训系统 WNS4 燃油锅炉仿真培训系统 WNS4 燃气锅炉仿真培训系统 DZL4 工业锅炉仿真培训系统 QXL2.8 热水锅炉仿真培训系统 SHL4 工业锅炉仿真培训系统 SG50_NDS_27型 注汽锅炉仿真培训系统 CFB10 循环流化床锅炉仿真培训系统 RZTGL3 液相有机热载体炉仿真培训系统 155T 燃煤电站锅炉仿真培训系统

一、软件的研究背景及意义 　　我国煤矿数目众多，储量丰富，但是由于我国煤层赋存和地质条件复杂多样，并且煤炭生产95%以上是井下工作，因而容易受瓦斯突出、火灾、瓦斯爆炸等矿井灾害的严重威胁。我国煤矿尚未实现对各种灾害事故的有效控制，重特大恶性矿井事故仍时有发生，特别是近些年来，由于电力用煤需求的大幅增加，煤矿往往是超负荷开采，管理上也有些松懈，煤矿事故发生的频率大大增加，造成了严重的人员伤亡和财产损失。同时由于煤矿矿井系统是十分复杂，而新进矿井工人往往需要很长一段时间才能逐渐熟悉矿井的相关系统，这无疑给矿井安全造成了一定的不利影响。虽然现在煤矿矿井中已经安装了一些自动监测和控制系统，但这些系统的作用往往只能用来监测矿井在正常工作时的状态以及在事故发生后，进行一些相关的分析，无法预知在某些灾害发生后矿井中的状态，无法确定出在灾害发生后，矿井中的危险区域和安全区域，也就无法给矿井工作人员的逃生提供指导。 　　针对我国较多的煤矿灾难事故，国家逐渐重视对煤矿的安全生产重视起来。在煤炭科学研究总院重庆分院的组织下，国家在2006年审批并通过了一项“十一五” 国家科技支撑计划项目——煤矿瓦斯、火灾与顶板重大灾害防治关键技术，而清华大学的 由长福教授 作为专题负责人承担了“瓦斯煤尘爆炸预防及继发性灾害防治关键技术”。专题的研究目标之一就是通过建立动态的井下通风网络系统来对当瓦斯突出、瓦斯爆炸、冒顶等灾害发生时，矿井中的瓦斯扩散，压力传播，温度改变等情况进行研究，以期发现各种灾害条件下，矿井中的风流运移规律以及灾害扩大的程度和所需用的时间。 　　正是在这样的背景下，在项目的资助下，由清华大学热能工程系和北京大风天利科技有限公司联合进行软件的开发。在此研究的基础上，通过模拟矿井在不同灾难条件下的工况，就可以对灾害条件下，矿井中的状态进行准确判定，清楚了解各种灾害条件下矿井中的危险区域和安全区域，为矿井工作人员的逃生提供指导。同时，通过对煤矿系统的控制系统的模拟，可以对矿井工作人员进行培训，使其在矿井中发生灾害时，能够及时地采取相应措施，及时避免灾难的扩大，最大程度保护矿井工作人员的生命安全。而通过软件的模拟，在得知矿井在灾难条件下的危险区域后，在矿井正常工作时，要对这些区域进行重点监测和安全隔离措施，同时指出逃生路线，在适当的区域设立避难的场所。软件的开发对煤矿的安全生产以及在灾难发生后，最大程度地降低灾难的危害程度和保存工作人员的生命提供了重要指导。 二、软件的特点及功能 　　在清华大学热能工程系与北京恒和大风软件技术有限公司的联合研究下，软件已经基本开发完成，并可以在客户有需求的情况之下再进行扩展，实现某些特殊的功能。软件的主要特点如下： 　　1.仿真模型精度高 　　管道瓦斯计算的数学模型是在最新的理论研究基础上建立起来的仿真数学模型，为了验证该软件的仿真精度，科研小组在清华大学建立了一个矿井的实验平台，通过不断的在平台上做全工况实验，获取不同运行工况下的数据，并利用实际的数据对数学模型进行不断的验证和修订，确认了最终的仿真算法。 　　2.画面形象 　　该仿真软件的画面能够动态的显示矿井的巷道内部瓦斯的浓度和该处的温度，瓦斯的浓度用管道颜色的深浅来表示，颜色越深表示该处的浓度越大，颜色越浅表示瓦斯的浓度越小，如下图所示： 　　   　　下图是一个矿井系统瓦斯仿真的完整的系统图，该状态是瓦斯正在扩散的一个过程，在扩散的过程中，通过画面我们就能很好的通过颜色的深浅来判断瓦斯浓度的高低，在一些关键的点，该仿真软件还可以自由的设定该处的报警值，当该处的瓦斯浓度达到报警值时，可以通过声光报警来提醒人员注意。 　　模型的搭建方法：在通过对煤矿矿井通风系统的了解，对其进行分割部分处理之后，可以运用软件中所提供的三种模块，按照所划分巷道的形式选择相应的巷道模块进行矿井通风系统的搭建，整个过程简单方便。在系统搭建完成之后，仿真系统与实际矿井系统便紧密对应联系起来，能够形象地表示矿井系统。 　　 图2： 仿真系统图   　　3.模块化建模 　　模块化建模是将实际对象中独立的物理设备作为基本研究对象，讲大系统分解为数目合理、容易处理的基本部件，以一种规范化的标准建立这些基本部件和设备的数学模型，再将其开发成通用的基本模块，然后将这些模块进行连接组态，形成整个系统的仿真模型。 　　根据煤矿矿井巷道的特点，软件将其主要分为三类：普通巷道、汇流巷道和分流巷道，并根据能量和质量守恒定律，分别建立这三种类型巷道的仿真模型如下： 　　a) 通过判断进出后压力，确定流动情况。该模型是模拟煤矿中大多巷道的模块，其主要功能是计算巷道内压力、温度、流量、瓦斯浓度等参数的变化。下图为普通巷道模型： 　　   　　b)通过判断上下级巷道模块的流量信息，充分分析巷道流动中在汇流处发生的所有倒流情况，并执行相应的功能，主要功能是在每一个时间步长，计算出分流模块内已经均匀的压力，温度、流量和瓦斯浓度并传递到相应的上级或下级模块。 　　   　　c)与汇流模块相似，通过分析来自上下级模块的流量信息进行判断流动的情况，并执行相应的功能，计算所得的结果传递到上级或下级模块。 　　   　　4.系统功能强大，扩展性好 　　当系统搭建完成之后，便可以开展灾难条件下，矿井通风系统的模拟仿真。在现有系统的功能基础上，可以进行瓦斯突出、瓦斯爆炸、顶板破坏等煤矿灾害的模拟仿真，能够计算得到矿井各处的瓦斯浓度、压力、温度和流量等重要参数。而在煤矿矿井系统发生变化时，系统能够被及时做出调整，能够与煤矿矿井通风系统保持一致。并且可以根据煤矿现场的实际需要，软件功能进行相应的增加，扩展性能好。 　　5.仿真过程直观形象，操作方便 　　在模拟灾难条件下，在界面上能够形象地表示出瓦斯、压力以及温度在巷道中的传播或传递过程，并且能够看到监测点数据的实时变化，并能绘画出监测点一些重要参数如瓦斯浓度、压力和温度等的实时曲线和历史曲线，并在瓦斯浓度超过一定值时，提示报警。在进行矿井灾难模拟时，工作人员只需要在界面上修改数据，而无需在系统仿真模型界面进行修改，操作方面，特别适合新手进行培训演练。   三、软件在现阶段能够完成的功能 　　1)对矿井工作人员进行培训 　　通过模拟矿井灾难，提高矿井工作人员的安全意识，并在灾难发生后，能够及时采取有效措施进行控制或者在软件的指导下，进行逃生路径的选择并躲避危险。 　　2)对危险区域进行预知防范 　　通过模拟各种类型的矿井灾难，在软件的指导下，清楚了解矿井系统中的危险区域，并在平时生产中加强监控，并在危险区域进行一定的安全设施布置，以在灾难发生后能够及时启动安全设施，防治灾难的进一步扩大。 　　3)对降低灾难危害或尽快消除灾难提供指导 　　通过模拟某种矿井灾难发生时矿井内的情况，在软件尝试各种办法寻找控制灾难扩大和尽快消除灾难的措施，以期找出最快最有效的方法。 　　4)为在矿井中设置一些避难区域提供指导 　　通过模拟矿井灾难，计算出灾难在矿井中波及的范围以及所需的时间，在灾难波及所需时间较短的区域开辟避难场所以保护此区域的矿井工作人员的生命安全。 四、软件的前景 　　软件在现阶段所能完成的功能能够满足煤矿培训员工的需求，并在降低灾难危害，减少人员伤亡方面提供一定的理论指导。由于软件的扩展性较好，根据不同用户的需求，使软件的功能得到进一步扩展和增强，如实现仿真系统与煤矿地理信息系统以及一些监测系统的连接，从而达到监控的目的等。在我国煤矿数目众多和矿井灾害频发的背景下，该软件能够为煤矿提供一定的帮助，有着广泛的应用前景。

一、系统概述 　　水电站仿真教学培训系统基于SimuWorks®仿真支撑平台开发完成，包括水轮发电机系统模型、主变及冷却系统模型、线路模型、厂用电系统模型、断路器及刀闸模型、调速系统模型、潮流计算模型、继电保护模型及发电机故障、主变故障、线路故障及厂用变故障模型。仿真范围主要针对参照机组的运行过程，包括水轮机、发电机和主变、线路、厂用电系统、辅机系统(包括供水泵、电气公用系统)等。仿真系统包含了水电站的主要生产过程，可在水电相关专业的理论及实践教学培训中起到辅助作用。 二、系统功能 　　1.系统人机界面方便友好。操作员站的界面及操作，实际与水电站中控室操作员站相同，能改变外部参数、调用工况、设置故障，可满足不同培训场合的需要。 　　2.本系统可对学员进行多种类型的操作培训及理论培训： 　　1)正常运行操作过程(手、自动开停机操作、同期操作、负荷调整、输电线路的停电、送电操作等)培训; 　　2)异常运行操作过程培训; 　　3)紧急事故处理操作培训; 　　4)计算机监控系统培训; 　　5)主要机械和电气设备的现地操作培训; 　　6)生产过程运行知识与专业理论培训。 　　通过教练员台提供的技术手段，可以启动仿真培训系统，加载初始工况、设置故障，监控培训过程。 　　3.中控室操作模拟主要包括各机组的开停机、机端断路器的分合、机组有功无功的调节、机组同期、机端电压监视、机组转速监视、母线开关操作等操作。可监视整个水电站电气主设备的运行状态，包括机组的出力、机端电流、机组励磁电流、母线开关状态、母线电压、全厂光字报警信号等。 　　4.学员可以在学员站计算机对水电站仿真机进行操作，学习。学员站在计算机上仿真再现了水电站的运行人员的实际工作环境，以及操作过程和对象。仿真系统模拟的中控室涉及到的画面和现场人员监控操作的中控室画面一致，基本复制了现场画面。在中控室外的现地控制柜等系统采用形象的图形来反映对象的外观及操作特点。总的来说画面分为上位机监控画面、厂房现地柜画面、开关站画面、继保室画面。在培训站上的操作和真实电站运行环境相类似，让学员有身临其境的感受。 三、硬件组成 　　 图1 系统硬件结构图   　　系统运行方式: 客服端-服务器方式 　　服务器上运行仿真模型、数据库软件、教练员台，主要完成计算功能。 　　客户端运行培训站软件，提供人机界面，对计算过程进行监视和控制。 　　在服务器上可以同时运行多个流程(相当于多台互不干扰的仿真机)，学员分为多个小组，每个小组共享一个流程。此模式适用小组学习讨论，如设置为1个流程带3个客户端，就可以供3个人作为一组进行配合学习讨论。 四、系统画面组成结构 　　 图2 监控系统画面总结构 　　 图3 上位机监控系统画面总结构 　　 图4 全厂监控画面组成 　　 图5 1~9号机组监控画面组成 　　 图6 厂用电监控画面组成 　　 图7 公共系统监控画面组成 　　 图8 教练员台总体结构   五、培训站仿真画面介绍 　　1.开停机流程操作 　　 图9 开机流程   　　仿真机提供了多种启停方式的培训：自动停机、手动停机、自动开机、手动开机、半自动开机。 　　2.水系统操作画面 　　 图10 机组供水系统主用供水阀门操作   　　机组技术供水系统为单元供水，系统有两种供水方式：减压供水、水泵供水。正常运行时以减压供水为主用供水，水泵供水为备用供水。 机组冷却水系统具有正反向供水功能，以防机组冷却器堵塞。 六、应用范围 　　水电站仿真教学培训系统利用计算机仿真技术模拟真实水电站的生产过程，并提供真实的培训环境(水电站中央控制室)，可对学员进行水电站正常工况运行操作过程培训、水电站异常工况运行操作过程培训、水电站事故处理操作培训、水电站监控系统操作培训。 　　水电站仿真教学培训系统在西藏职业技术学院和云南能源职业技术学院已得到良好的应用，很大程度地提高了学生对水电站生产过程的认知，强化了对水电站正常运行、事故处理等技术的实操水平，对于提升学生的就业实力可以起到良好的促进作用。