火电厂仿真(课件)

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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。
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4. 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。
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 缺点： 续系统。 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）。
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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。
火电厂仿真
太原理工大学电气与动力工程学院热能系
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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
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Leabharlann Baidu言
仿真：模拟真实设备运行 模拟真实的过程 模拟真实的环境
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一、火电厂仿真技术应用的优越性 1. 减少培训费用，缩短培训周期 仿真装置可模拟现场机组的启停、运 行操作，还可进行现场不能进行的事故演 练和操作实验、分析事故及电厂运行的经 济性，不仅可对新的运行人员进行教育， 而且可对原有人员进行再教育，对提高工 作人员的素质，提高发电站运行水平和管 理水平有重要意义。
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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。
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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。
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第三节 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：
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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；
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第一章 计算机仿真概述
第一节 研究问题的方法 一、种类： 直接试验 物理模型 试验（一次模化技术） 数学模型 计算机仿真模型 试验 （二次模化技术）
第一次模化：研究实际系统与数学模型之间的关系； 第二次模化：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。
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5.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
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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
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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：
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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。
（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；
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2.节约研究开发时间和经费 利用仿真装置可不受现场各种条件的 约束，对改造旧的和开发新的动力装置有 重要意义。 3.提高机组的安全性、效率和使用寿命 由于培训和研究开发试验不在现场进行， 可以避免现场的人为失误、减少停机次数、 提高设备的安全性、提高机组使用效率及寿 命。
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二、 火电厂仿真的发展历史
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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。
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火电厂仿真技术的应用主要在以下几个方面：
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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
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。
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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。
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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，
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。
1990年8月，美国颁布《火电厂仿真机功能要求》 ISA-77· 20标准。
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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。
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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。
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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。




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。
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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
（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；
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二、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。
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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。
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二、比较 直 接 试 验：耗资大、周期长、安全性差。
一次模化法：耗资较大，不在现场、安 全性好，具有一定的灵活性。 计算机仿真：适应性强，灵活性大（改变软 件或参数可对不同问题进行拟） 安全性好，准确性待验证。
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第二节计算机仿真技术简介
一、计算机仿真的概念
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。
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三、火电厂仿真技术的应用 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。
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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。