华能福州电厂一期仿真机系统改造介绍
2013-03-25 11:20:08 来源：华能福州电
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电力18讯：
1、仿真机改造的必要性
由于华能福州电厂一期两台机组的DCS系统已经改造，改造后的DCS系统采用华能新锐控制技术有限公司开发的PineControl系统，改造后的DCS系统采用操作员站+大屏幕的全新的人机界面系统，拆除了UCD操作台、UIP操作盘。而原华能福州电厂一期FZ350仿真系统由于完全模仿了原设备制造商MHI的UCD、UIP盘，因此整个仿真系统已经无法适应一期DCS系统改造后对运行人员培训的要求，在这种情况下，开发一套新的仿真系统势在必行。
华能福州电厂一期仿真机改造项目自2005年初立项以来，截止到目前为止，已基本顺利地完成了仿真机的改造。改造后的仿真系统在系统的功能、仿真范围、主要参数的逼真度和系统运行速度方面较原来系统都有极大的改善。
2、仿真机功能
改造后的仿真机可实现下述正常操作的模拟功能：
(1) 从冷态、温态、热态和极热态到满负荷的启动操作。
(2)汽机启动和发电机同期并网。
(3)锅炉、汽机、发电机跳闸后恢复到额定负荷。
(4)机组从100%负荷正常停机到热备用或冷态停机状态。
(5)其他指定的工况启、停、或升、降负荷的操作。
(6)运行人员对设备或系统进行可靠性试验及联锁保护试验。
华能国际电力股份有限公司福州电厂的一期仿真机其主要仿真功能包括机组正常运行和故障及事故工况下的运行操作训练等多个方面。
2.1 正常运行
仿真系统能连续模拟真实电站的实时运行环境，能计算对应各种运行工况的电站系统全部参数，并在相应的运行操作站等设备上输出、显示和报警。当参数达到或超过报警限时，与实际电站一样有报警或逻辑保护动作。仿真机能实现如下正常操作的模拟：
●冷态、温态、热态和极热态到100％负荷的启动操作
●汽轮机启动及发电机并网
●锅炉、汽轮机跳闸后恢复到满负荷
●电站从100％负荷到热备用及冷态停机的操作
2.2 故障和异常运行工况
仿真系统能模拟电站实时运行中的异常和故障，并正确的反应和自动控制系统动作。故障按照规定的因果关系模拟，从而实现指导员在指导员站上插入的故障，设备故障或受训人员误操作引起的故障，其现象和因果关系和实际电站发生同样故障时一样。
指导员能设定故障的严重程度，也能设定从故障发生开始扩大到最严重状态时的变化速率。插入故障后在仿真机上的响应情况与实际电站发生同样故障时的响应情况相同。
2.3 培训指导功能
仿真系统的培训功能是通过教练员站实现的。教练员通过指导员台可以控制仿真机的运行，监视学员的操作，并以完成各项培训功能：
[1]起动/停止仿真系统，进入/退出仿真过程
[2]初始工况选择
[3]冻结/解冻仿真模型的运行
[4]快速仿真功能：仿真装置的运行速度比实时的速度快1~4倍可调。
[5]慢速仿真功能：仿真装置的运行速度比实时的速度慢1~4倍可调。
[6]运行工况显示功能：在指导员站和工程师站上可以看到机组各个系统的主要运行参数，显示系统内各种图象、图表和曲线，以便监视和分析机组运行。
2.4 仿真研究功能
仿真系统具有较好的人―机界面和支撑软件，热控人员可方便地利用该系统的工程师站进行热控系统和逻辑的组态分析与验证，寻求控制和保护系统的最佳控制策略和最佳整定值。
用户可以通过对机组不同运行方式的仿真试验和分析，改进、优化操作方式，完善运行规程，同时提供事故分析指导，为制定反事故对策和措施提供验证环境。
利用仿真系统的支撑系统及算法库进行建模、验模，可实现热力系统、控制系统、电气系统的组配、系统性能、设备改造等研究；也可以进行电厂机组设备合理性检验，以进行电厂设计、验证设计等研究。
2.5 DCS运行操作站功能
整个被仿真的发电机组的DCS所有画面均可在操作员站CRT上显示，供受训人员对机组的运行工况进行监视和控制。
2.6 就地操作模拟站功能
就地操作模拟站将包括锅炉、汽机和电气三部分及其它现场设备就地操作的子系统。在运行过程中，如需进行就地操作时，受训人员如果没有在就地操作模拟站上完成必要的操作，发电机组的运行状态将产生相应的异常问题。
3、仿真范围
3.1 锅炉部分至少包括如下：
锅炉本体部分、锅炉汽水系统、锅炉风烟系统、锅炉燃料燃烧系统、锅炉吹灰系统、锅炉疏水排污系统、仪表压缩空气系统
3.2 汽机部分至少包括如下：
汽机本体系统、主蒸汽再热蒸汽及旁路系统、汽机回热抽汽系统、汽轮机润滑油系统、汽机凝汽器及真空系统、汽机辅助蒸汽系统、轴封蒸汽系统和汽机疏水系统、凝结水系统、给水系统、小汽机润滑油系统、加热器疏水及排汽系统、轴冷水系统、循环冷却水系统及工业水系统、发电机氢冷系统、密封油系统
3.3 电气系统至少包括如下：
发电机系统、主变压器系统、励磁系统、厂用电系统、保安系统、直流系统
3.4 故障模拟和处理包括如下：
锅炉灭火、A-AH(气、电)马达过流事故、发电机差动保护动作、启动变差动事故、启动变过流事故、A和B厂低变过流事故、A和B厂低变速断事故、A和B厂低变差动事故、#1和#2柴油机组故障、#1和#2柴油机组自启动失败、#1和#2柴油机组异常、1.2A和1.2B厂低变过流事故、1.2A和1.2B厂低变速断事故、1.2A和1.2B厂低变差动事故、C电动给水泵过流事故、C电动给水泵速断事故、C电动给水泵差动事故、A（B和C）凝结水泵过流事故、A（B和C）凝结水泵速断事故、A和B送风机高速过流事故、A和B送风机高速速断事故、A和B送风机低速过流事故、A和B送风机低速速断事故、A和B引风机高速过流事故、A和B引风机高速速断事故、A和B引风机低速过流事故、A和B引风机低速速断事故、A（B、C、D、E）磨煤机过流事故、A（B、C、D、E）磨煤机速断事故、A一次风机过流事故、A一次风机速断事故、B一次风机过流事故、B一次风机速断事故、A（B、C、D、E）给煤机过流事故、B-AH(气)马达过流事故、B-AH(电)马达过流事故、A（B）汽动给水泵轴承振动高跳闸、A（B）汽动给水泵轴承磨损跳闸
4、仿真系统结构
此次改造所采用的仿真系统完全采用北京华能新锐控制技术有限公司开发的新型的基于组态软件的DCS仿真平台。
基于组态软件的DCS仿真平台，在表现形式上完全是组态软件的组合：人机界面的仿真采用通用人机界面组态软件实现，如果和实际工程所采用的人机界面组态软件完全一样的话，那么就不存在人机界面仿真的问题，或者也可以说人机界面实现高逼真度仿真；由于模型组态和控制逻辑仿真都采用控制组态软件的一体化设计，所以控制逻辑的仿真也变得相对简单，只需要翻译控制逻辑，同样如果采用和实际工程一样的控制组态软件，控制逻辑也一样实现高逼真度仿真。从整体上看无论是开发者还是用户都只需面对非常简单而又人性化的组态软件，即可完成整个仿真系统的开发和完善工作。控制逻辑和模型组态数据只需下载到虚拟控制站便可实现控制的闭环，再加上人机界面，就可实现整个系统的仿真。
另外，基于组态软件的DCS仿真平台还有一个重要的特点就是它省去了传统仿真平台所特有的I/O接口站，使整个系统变得更加简洁。
4.1 硬件结构
新型的仿真系统更趋向于结构简单，整个系统完全基于软件设计，一方面可以缩短开发周期，降低成本；更重要的是它突破传统的仿真机结构，真正实现火力发电机组仿真系统的可随时移动性，就是说用户完全在一台笔记本电脑上可实现整个火力发电机组的仿真，这不仅可以大大降低对仿真系统硬件和环境的要求，更重要的是它极大地方便了运行人员的培训，使更多的现场运行人员得到更为方便的培训，确保能提高自身的操作水平，降低现场事故的发生。
新型的DCS仿真平台设计完全基于信息化的计算机网络，整个仿真平台由计算机系统和网络系统组成，结构如图1所示。
在图1中，配置有1台PC服务器。这台PC服务器定义为“仿真模型和人机界面服务器”，它的功能为发电机组数学模型以及控制系统逻辑回路的计算和仿真培训环境所有人机界面的数据库服务器。图1中还配置有6台微机工作站，他们的作用包含了仿真系统中运行操作站、就地操作模拟站、指导员站和工程师站的所有功能，因此使用起来会更加灵活。
4.2 软件结构
华能福州电厂一期FZ350仿真系统的DCS仿真平台的软件结构如图2所示，由控制组态软件生成的逻辑组态数据和模型组态数据分别下载到虚拟控制站中的逻辑控制站和对象模型站，再由控制站之间数据共享软件实现模型和控制逻辑之间的数据传递，人机界面和虚拟控制站之间的数据交换由专门的数据通信软件实现。
仿真系统采用iFIX技术平台作为人机界面的仿真技术基础。由于华能国际电力股份有限公司福州电厂一期DCS系统人机界面也是采用iFIX软件开发而成。因此仿真系统的人机界面将与实际的DCS系统人机界面完全一致。
仿真系统还配置有指导员专用的人机界面系统，指导员可以凭借特殊的密码从任一PC工作站进入该系统，并可实现运行参数、模型内部状态以及仿真系统控制参数的监控，可进行仿真系统的工况管理，也可进行仿真过程的各种超控（快速、慢速等），可配置故障及事故等教练操作。
仿真系统采用2004年北京华能新锐推出的PineCAD（4.X）版本实现对各仿真对象DCS控制组态、报警逻辑、保护逻辑（包含电气方面的保护逻辑）和就地独立控制系统功能的模拟。
由于华能福州电厂一期DCS系统的控制逻辑也是采用PineCAD 3.0版本软件，因此仿真系统的控制逻辑组态将与实际的DCS系统控制组态软件完全兼容。
4.3 技术特点
●平台使用简单
基于功能块的编程方式，容易掌握；
●模型组态透明
图形化的模型更形象；可以监视模型内部数据变化；
● 系统调试便捷
数据监控；参数在线修改；模型在线修改；
●仿真平台一体化
完全基于组态软件；
●控制组态软件的再组态
可以根据实际需要任意增加元件；
●虚拟控制站的开放性
可直接通过动态链接库方式直接使用第三方开发的成熟软件；
● 软件效率高
系统占用计算机的资源少，在一台普通笔记本电脑上就可以完成整个全工况仿真系统的运行；
5、总结
一期仿真系统在运行人员的长期测试过程中进行不断完善，各主要参数的逼真度越来越高，特别是给水调节系统和实际现场的调节特性非常接近，对于缺乏实际操作经验的运行人员来说是个非常好的熟悉锻炼机会；另外整个仿真系统由于采用和实际现场完全一样的控制逻辑和人机界面，整个系统的操作习惯和操作风格也基本和实际生产现场一样，对于运行人员熟悉工艺规程和操作规程非常有好处，此外，在仿真系统上对新员工培训相信也能起到事半功倍的效果。相信随着运行人员的操作水平的不断提高，对实际生产运行的稳定性及事故处理的完善性能够起到更好的帮助作用，从而提高处理事故的预见性，达到减少和消灭事故，使电厂实际机组更加安全、稳定地运行，从而给电厂带来更大的经济效益。
1、仿真机改造的必要性
由于华能福州电厂一期两台机组的DCS系统已经改造，改造后的DCS系统采用华能新锐控制技术有限公司开发的PineControl系统，改造后的DCS系统采用操作员站+大屏幕的全新的人机界面系统，拆除了UCD操作台、UIP操作盘。而原华能福州电厂一期FZ350仿真系统由于完全模仿了原设备制造商MHI的UCD、UIP盘，因此整个仿真系统已经无法适应一期DCS系统改造后对运行人员培训的要求，在这种情况下，开发一套新的仿真系统势在必行。
华能福州电厂一期仿真机改造项目自2005年初立项以来，截止到目前为止，已基本顺利地完成了仿真机的改造。改造后的仿真系统在系统的功能、仿真范围、主要参数的逼真度和系统运行速度方面较原来系统都有极大的改善。
2、仿真机功能
改造后的仿真机可实现下述正常操作的模拟功能：
(1) 从冷态、温态、热态和极热态到满负荷的启动操作。
(2)汽机启动和发电机同期并网。
(3)锅炉、汽机、发电机跳闸后恢复到额定负荷。
(4)机组从100%负荷正常停机到热备用或冷态停机状态。
(5)其他指定的工况启、停、或升、降负荷的操作。
(6)运行人员对设备或系统进行可靠性试验及联锁保护试验。
华能国际电力股份有限公司福州电厂的一期仿真机其主要仿真功能包括机组正常运行和故障及事故工况下的运行操作训练等多个方面。
2.1 正常运行
仿真系统能连续模拟真实电站的实时运行环境，能计算对应各种运行工况的电站系统全部参数，并在相应的运行操作站等设备上输出、显示和报警。当参数达到或超过报警限时，与实际电站一样有报警或逻辑保护动作。仿真机能实现如下正常操作的模拟：
●冷态、温态、热态和极热态到100％负荷的启动操作
●汽轮机启动及发电机并网
●锅炉、汽轮机跳闸后恢复到满负荷
●电站从100％负荷到热备用及冷态停机的操作
2.2 故障和异常运行工况
仿真系统能模拟电站实时运行中的异常和故障，并正确的反应和自动控制系统动作。故障按照规定的因果关系模拟，从而实现指导员在指导员站上插入的故障，设备故障或受训人员误操作引起的故障，其现象和因果关系和实际电站发生同样故障时一样。
指导员能设定故障的严重程度，也能设定从故障发生开始扩大到最严重状态时的变化速率。插入故障后在仿真机上的响应情况与实际电站发生同样故障时的响应情况相同。
2.3 培训指导功能
仿真系统的培训功能是通过教练员站实现的。教练员通过指导员台可以控制仿真机的运行，监视学员的操作，并以完成各项培训功能：
[1]起动/停止仿真系统，进入/退出仿真过程
[2]初始工况选择
[3]冻结/解冻仿真模型的运行
[4]快速仿真功能：仿真装置的运行速度比实时的速度快1~4倍可调。
[5]慢速仿真功能：仿真装置的运行速度比实时的速度慢1~4倍可调。
[6]运行工况显示功能：在指导员站和工程师站上可以看到机组各个系统的主要运行参数，显示系统内各种图象、图表和曲线，以便监视和分析机组运行。
2.4 仿真研究功能
仿真系统具有较好的人―机界面和支撑软件，热控人员可方便地利用该系统的工程师站进行热控系统和逻辑的组态分析与验证，寻求控制和保护系统的最佳控制策略和最佳整定值。
用户可以通过对机组不同运行方式的仿真试验和分析，改进、优化操作方式，完善运行规程，同时提供事故分析指导，为制定反事故对策和措施提供验证环境。
利用仿真系统的支撑系统及算法库进行建模、验模，可实现热力系统、控制系统、电气系统的组配、系统性能、设备改造等研究；也可以进行电厂机组设备合理性检验，以进行电厂设计、验证设计等研究。
2.5 DCS运行操作站功能
整个被仿真的发电机组的DCS所有画面均可在操作员站CRT上显示，供受训人员对机组的运行工况进行监视和控制。
2.6 就地操作模拟站功能
就地操作模拟站将包括锅炉、汽机和电气三部分及其它现场设备就地操作的子系统。在运行过程中，如需进行就地操作时，受训人员如果没有在就地操作模拟站上完成必要的操作，发电机组的运行状态将产生相应的异常问题。
3、仿真范围
3.1 锅炉部分至少包括如下：
锅炉本体部分、锅炉汽水系统、锅炉风烟系统、锅炉燃料燃烧系统、锅炉吹灰系统、锅炉疏水排污系统、仪表压缩空气系统
3.2 汽机部分至少包括如下：
汽机本体系统、主蒸汽再热蒸汽及旁路系统、汽机回热抽汽系统、汽轮机润滑油系统、汽机凝汽器及真空系统、汽机辅助蒸汽系统、轴封蒸汽系统和汽机疏水系统、凝结水系统、给水系统、小汽机润滑油系统、加热器疏水及排汽系统、轴冷水系统、循环冷却水系统及工业水系统、发电机氢冷系统、密封油系统
3.3 电气系统至少包括如下：
发电机系统、主变压器系统、励磁系统、厂用电系统、保安系统、直流系统
3.4 故障模拟和处理包括如下：
锅炉灭火、A-AH(气、电)马达过流事故、发电机差动保护动作、启动变差动事故、启动变过流事故、A和B厂低变过流事故、A和B厂低变速断事故、A和B厂低变差动事故、#1和#2柴油机组故障、#1和#2柴油机组自启动失败、#1和#2柴油机组异常、1.2A和1.2B厂低变过流事故、1.2A和1.2B厂低变速断事故、1.2A和1.2B厂低变差动事故、C电动给水泵过流事故、C电动给水泵速断事故、C电动给水泵差动事故、A（B和C）凝结水泵过流事故、A（B和C）凝结水泵速断事故、A和B送风机高速过流事故、A和B送风机高速速断事故、A和B送风机低速过流事故、A和B送风机低速速断事故、A和B引风机高速过流事故、A和B引风机高速速断事故、A和B引风机低速过流事故、A和B引风机低速速断事故、A（B、C、D、E）磨煤机过流事故、A（B、C、D、E）磨煤机速断事故、A一次风机过流事故、A一次风机速断事故、B一次风机过流事故、B一次风机速断事故、A（B、C、D、E）给煤机过流事故、B-AH(气)马达过流事故、B-AH(电)马达过流事故、A（B）汽动给水泵轴承振动高跳闸、A（B）汽动给水泵轴承磨损跳闸
4、仿真系统结构
此次改造所采用的仿真系统完全采用北京华能新锐控制技术有限公司开发的新型的基于组态软件的DCS仿真平台。
基于组态软件的DCS仿真平台，在表现形式上完全是组态软件的组合：人机界面的仿真采用通用人机界面组态软件实现，如果和实际工程所采用的人机界面组态软件完全一样的话，那么就不存在人机界面仿真的问题，或者也可以说人机界面实现高逼真度仿真；由于模型组态和控制逻辑仿真都采用控制组态软件的一体化设计，所以控制逻辑的仿真也变得相对简单，只需要翻译控制逻辑，同样如果采用和实际工程一样的控制组态软件，控制逻辑也一样实现高逼真度仿真。从整体上看无论是开发者还是用户都只需面对非常简单而又人性化的组态软件，即可完成整个仿真系统的开发和完善工作。控制逻辑和模型组态数据只需下载到虚拟控制站便可实现控制的闭环，再加上人机界面，就可实现整个系统的仿真。
另外，基于组态软件的DCS仿真平台还有一个重要的特点就是它省去了传统仿真平台所特有的I/O接口站，使整个系统变得更加简洁。
4.1 硬件结构
新型的仿真系统更趋向于结构简单，整个系统完全基于软件设计，一方面可以缩短开发周期，降低成本；更重要的是它突破传统的仿真机结构，真正实现火力发电机组仿真系统的可随时移动性，就是说用户完全在一台笔记本电脑上可实现整个火力发电机组的仿真，这不仅可以大大降低对仿真系统硬件和环境的要求，更重要的是它极大地方便了运行人员的培训，使更多的现场运行人员得到更为方便的培训，确保能提高自身的操作水平，降低现场事故的发生。
新型的DCS仿真平台设计完全基于信息化的计算机网络，整个仿真平台由计算机系统和网络系统组成，结构如图1所示。
在图1中，配置有1台PC服务器。这台PC服务器定义为“仿真模型和人机界面服务器”，它的功能为发电机组数学模型以及控制系统逻辑回路的计算和仿真培训环境所有人机界面的数据库服务器。图1中还配置有6台微机工作站，他们的作用包含了仿真系统中运行操作站、就地操作模拟站、指导员站和工程师站的所有功能，因此使用起来会更加灵活。
4.2 软件结构
华能福州电厂一期FZ350仿真系统的DCS仿真平台的软件结构如图2所示，由控制组态软件生成的逻辑组态数据和模型组态数据分别下载到虚拟控制站中的逻辑控制站和对象模型站，再由控制站之间数据共享软件实现模型和控制逻辑之间的数据传递，人机界面和虚拟控制站之间的数据交换由专门的数据通信软件实现。
仿真系统采用iFIX技术平台作为人机界面的仿真技术基础。由于华能国际电力股份有限公司福州电厂一期DCS系统人机界面也是采用iFIX软件开发而成。因此仿真系统的人机界面将与实际的DCS系统人机界面完全一致。
仿真系统还配置有指导员专用的人机界面系统，指导员可以凭借特殊的密码从任一PC工作站进入该系统，并可实现运行参数、模型内部状态以及仿真系统控制参数的监控，可进行仿真系统的工况管理，也可进行仿真过程的各种超控（快速、慢速等），可配置故障及事故等教练操作。
仿真系统采用2004年北京华能新锐推出的PineCAD（4.X）版本实现对各仿真对象DCS控制组态、报警逻辑、保护逻辑（包含电气方面的保护逻辑）和就地独立控制系统功能的模拟。
由于华能福州电厂一期DCS系统的控制逻辑也是采用PineCAD 3.0版本软件，因此仿真系统的控制逻辑组态将与实际的DCS系统控制组态软件完全兼容。
4.3 技术特点
●平台使用简单
基于功能块的编程方式，容易掌握；
●模型组态透明
图形化的模型更形象；可以监视模型内部数据变化；
● 系统调试便捷
数据监控；参数在线修改；模型在线修改；
●仿真平台一体化
完全基于组态软件；
●控制组态软件的再组态
可以根据实际需要任意增加元件；
●虚拟控制站的开放性
可直接通过动态链接库方式直接使用第三方开发的成熟软件；
● 软件效率高
系统占用计算机的资源少，在一台普通笔记本电脑上就可以完成整个全工况仿真系统的运行；
5、总结
一期仿真系统在运行人员的长期测试过程中进行不断完善，各主要参数的逼真度越来越高，特别是给水调节系统和实际现场的调节特性非常接近，对于缺乏实际操作经验的运行人员来说是个非常好的熟悉锻炼机会；另外整个仿真系统由于采用和实际现场完全一样的控制逻辑和人机界面，整个系统的操作习惯和操作风格也基本和实际生产现场一样，对于运行人员熟悉工艺规程和操作规程非常有好处，此外，在仿真系统上对新员工培训相信也能起到事半功倍的效果。相信随着运行人员的操作水平的不断提高，对实际生产运行的稳定性及事故处理的完善性能够起到更好的帮助作用，从而提高处理事故的预见性，达到减少和消灭事故，使电厂实际机组更加安全、稳定地运行，从而给电厂带来更大的经济效益。
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