蘇曉靜 趙志剛 龍俊峰 李平康

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院1，北京 100044;內(nèi)蒙古大唐國際托克托第二發(fā)電有限責(zé)任公司2，內(nèi)蒙古 托克托 010206)

0 引言

電廠熱力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，隨著機(jī)組參數(shù)的提高及新技術(shù)、新設(shè)備的采用，熱力系統(tǒng)日益變得復(fù)雜。這對設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員提出了更高的要求。同時(shí)，電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析既是熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)改造的理論基礎(chǔ)，又是電廠熱力設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行在線分析的有力工具。目前，國內(nèi)外已開發(fā)出一些計(jì)算機(jī)輔助熱力系統(tǒng)流程模擬軟件[1－5]，它們被廣泛應(yīng)用于熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱力核算等。這些成果都在不同程度上提高了電廠熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，但是也存在一些不足之處：①熱力系統(tǒng)的工質(zhì)管道編號易出錯(cuò)，這在設(shè)備比較多的情況下時(shí)常有發(fā)生;②復(fù)雜熱力系統(tǒng)建模繁瑣，尤其是對高參數(shù)、大容量機(jī)組進(jìn)行熱平衡分析時(shí)更為繁瑣;③系統(tǒng)模型在線修改困難，難以完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的自動(dòng)化建模和可視化分析。

針對以上現(xiàn)象，本文采用Microsoft Visio，開發(fā)了具有良好兼容性的組態(tài)圖形模具庫，實(shí)現(xiàn)了熱力系統(tǒng)可視化建模中設(shè)備的自動(dòng)編號。采用該方法，分析人員只要根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就可很容易地通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)的方式，建立一個(gè)完整的熱力系統(tǒng)模型并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編號。

1 設(shè)計(jì)思想及開發(fā)工具

為了形象地構(gòu)建熱力系統(tǒng)模型網(wǎng)絡(luò)圖，有必要?jiǎng)?chuàng)建包含各模塊的模塊資源庫。熱力系統(tǒng)包括鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三大主要部分。由于各電廠之間的實(shí)際情況存在差異，所以很難建立通用的系統(tǒng)模型。Matlab的交互式模型與仿真環(huán)境——Simulink工具箱是一個(gè)用來對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真及分析的軟件包。但是Simulink是一個(gè)動(dòng)態(tài)的仿真環(huán)境，采用它來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編號及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識別時(shí)，需要解決代數(shù)環(huán)的問題;并且由于熱力系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，在計(jì)算完一個(gè)設(shè)備模塊遇到支路分叉時(shí)，需要對模塊間的計(jì)算順序進(jìn)行控制，而這一點(diǎn)在Simulink中很難實(shí)現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)的直觀性和工程應(yīng)用性，我們采用Microsoft Visio解決方案來實(shí)現(xiàn)。

Microsoft Visio是近年國外較流行的圖形化解決方案開發(fā)平臺之一，具有強(qiáng)大的圖形操作功能[6]。通常Visio解決方案是指將現(xiàn)實(shí)世界模型化并用來解決特定的繪圖問題的Visio圖形和程序的組合。Microsoft Visio支持ActiveX技術(shù)，這是Microsoft軟件平臺中的一種完全面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，它使面向?qū)ο蠡木幊陶Z言和應(yīng)用程序可以通過ActiveX與Visio進(jìn)行通信，連接和控制Visio中的圖元和作圖對象。Visio以其獨(dú)特的模板、模具、形狀、拖拽式繪圖方式和智能圖形技術(shù)，使得不具有專業(yè)繪圖基礎(chǔ)的人員也能充分利用圖形表達(dá)自己的思維，對客觀世界或思維活動(dòng)進(jìn)行抽象和建模[7]。本文采用計(jì)算功能強(qiáng)大的Matlab結(jié)合Microsoft Visio實(shí)現(xiàn)圖形化建模中的自動(dòng)編號技術(shù)。用Visio制作模塊資源庫，用來搭建熱力系統(tǒng)模型，在Matlab中使用ActiveX技術(shù)生成Visio控件對象后調(diào)用該對象的各種事件和屬性，從而完成可視化仿真的自動(dòng)化。設(shè)備號和管道號在仿真時(shí)都能夠自動(dòng)生成，因此，操作人員不必?fù)?dān)心設(shè)備號和管道號的錯(cuò)誤和重復(fù)問題。

2 熱力設(shè)備自動(dòng)編號

2.1 熱力設(shè)備模型

火電廠中有許多設(shè)備，如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等，其結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)可不考慮其具體結(jié)構(gòu)和與其他設(shè)備的關(guān)系，只考慮其輸入、輸出參數(shù)和性能參數(shù)，利用模塊化思想就可建立模塊庫。這對于生成易維護(hù)、通用性好的模擬集成系統(tǒng)有一定的實(shí)際意義。

以逐級自流式加熱器為例說明模具的開發(fā)過程。模具的開發(fā)包括定義模具的幾何外觀和物理屬性兩個(gè)步驟。加熱器的外觀是用Visio繪制而成。通常，逐級自流式加熱器具有五個(gè)連接點(diǎn)：給水入口、給水出口、抽汽入口、上級疏水入口和本級疏水出口。加熱器模具用以上五個(gè)連接點(diǎn)來表征。連接點(diǎn)用于“鎖定”設(shè)備和管道支路的連接，它主要是用來識別熱力設(shè)備的連接關(guān)系。

加熱器模具除了定義幾何外形外，還需定義一些物理屬性，如：加熱器上下端差、散熱效率、設(shè)備節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)連接點(diǎn)的編號等。Visio允許用戶為對象指定一些自定義屬性。Visio不會對這些自定義屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，如何使用它們完全由解決方案的開發(fā)者決定，加熱器的這些物理屬性就是為建模中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別分析和熱力系統(tǒng)二次參數(shù)的計(jì)算設(shè)置的。打開加熱器模塊的自定義屬性對話框，輸入設(shè)備成管道的相應(yīng)編號，如：上面提到的逐級自流式加熱器其設(shè)備編號為4、給水管道編號為5等。對象模塊的ShapeSheet結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 對象模塊的ShapeSheet結(jié)構(gòu)Tab.1 ShapeSheet structure of the object module

定義的所有幾何和物理屬性都被存儲在一個(gè)被稱為ShapeSheet的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ShapeSheet是一個(gè)由Visio提供給開發(fā)者相對低級的、強(qiáng)有力的開發(fā)工具。ShapeSheet分為若干個(gè)小節(jié)(section)，每個(gè)小節(jié)是一個(gè)二維的數(shù)據(jù)表格，對象的所有屬性和行為都存儲在這些表格的單元(cell)中。

2.2 設(shè)備、支路編號的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)

利用流體網(wǎng)絡(luò)的方法編寫關(guān)聯(lián)矩陣方程時(shí)，需要對各支路和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號。熱力系統(tǒng)中的設(shè)備均構(gòu)成閉環(huán)回路，且每條管道支路的兩邊均連著設(shè)備節(jié)點(diǎn)。編號的解決思路如下：在Matlab中捕捉Visio的Shape添加事件，經(jīng)Matlab處理后，標(biāo)志和編號被送入Visio中的模型自定義屬性表并保存。以管道為例，具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

首先，在Matlab中定義一個(gè)變量N和一個(gè)二維數(shù)組pipe[標(biāo)志，編號]n×2，變量N定義為管道編號標(biāo)志，它用來記錄系統(tǒng)中共有多少個(gè)管道支路;而二維數(shù)組用來定義系統(tǒng)中每個(gè)管道的編號及標(biāo)志。每向系統(tǒng)添加一條管道支路，變量N將自動(dòng)加1，此時(shí)該管道被賦予一個(gè)標(biāo)志;之后Pipe數(shù)組從1開始自動(dòng)搜索已用編號，當(dāng)搜索到第一個(gè)未被使用的編號時(shí)，將它作為該管道的編號存入Pipe數(shù)組中，同時(shí)將其送入Visio的管道支路模塊屬性表。每從系統(tǒng)刪除一條管道支路，Matlab先識別哪條支路被選中，之后從Pipe數(shù)組中自動(dòng)刪除其相關(guān)記錄，變量N將自動(dòng)減1，同時(shí)Visio中的相應(yīng)模塊及其屬性表被刪除，從而完成管道的自動(dòng)編號。

自動(dòng)編號流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)編號流程圖Fig.1 Flowchart of automatic numbering

3 應(yīng)用實(shí)例

某電廠25 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)是由兩級高壓加熱、三級低壓加熱帶一級除氧組成的六級回?zé)嵯到y(tǒng)。熱力系統(tǒng)中汽水循環(huán)過程為：汽輪機(jī)做完功的乏汽被凝汽器冷卻成凝結(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵送到低壓加熱器加熱，然后經(jīng)除氧器除氧后進(jìn)入高級加熱器。高級加熱器出來的水經(jīng)省煤器、汽包、過熱器后變成過熱蒸汽。過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后做功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。之后的乏汽再次進(jìn)入凝汽器進(jìn)行循環(huán)。

利用模型庫搭建的熱力系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中設(shè)備模塊上以及管道上的數(shù)字代表設(shè)備和管道在整個(gè)熱力系統(tǒng)中的編號。設(shè)備及管道的自動(dòng)編號不但便于系統(tǒng)建模時(shí)的更改，更為實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)熱平衡模塊化計(jì)算提供了相關(guān)信息。利用熱力系統(tǒng)模型，并結(jié)合熱力系統(tǒng)計(jì)算軟件包，就可以計(jì)算熱力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

圖2 熱力系統(tǒng)模型Fig.2 Thermal system model

系統(tǒng)參數(shù)以及回?zé)嵯到y(tǒng)的參數(shù)分別如表2、表3所示。在進(jìn)行熱力系統(tǒng)熱平衡計(jì)算時(shí)，軟件包直接調(diào)用該模型即可得到運(yùn)算結(jié)果。該結(jié)果可與實(shí)際運(yùn)行的測量參數(shù)進(jìn)行比較以確定機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，也可以通過該結(jié)果評估新老電廠的經(jīng)濟(jì)性能。如果設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)與此相差較大，則說明該管道發(fā)生了故障，應(yīng)該對其進(jìn)行維護(hù)，從而保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

表2 系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 System parameters

表3 回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of the heat return system

此外，通過對熱力設(shè)備性能參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析，并將電廠DCS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫中實(shí)際值與設(shè)計(jì)值或機(jī)組的目標(biāo)值進(jìn)行比較，可以得知設(shè)備的運(yùn)行狀況，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障征兆或診斷出設(shè)備的故障。

熱平衡計(jì)算得到各管道支路的溫度、壓力、焓、流量等參數(shù)如表4所示。

表4 熱平衡計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of thermal balance

4 結(jié)束語

目前，單元機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析及運(yùn)行優(yōu)化軟件包往往只針對某特定機(jī)組開發(fā)，可移植性、通用性都較差。本文提出了采用Visio二次開發(fā)的模型庫以及Visio結(jié)合Matlab的自動(dòng)編號技術(shù)。

應(yīng)用該技術(shù)可以使工程技術(shù)人員通過簡單組態(tài)的方式建立復(fù)雜熱力系統(tǒng)的模型。此外，該方法還可以使建模、仿真過程簡捷、高效。應(yīng)用該方法對某電廠25 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并對該熱力系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算，結(jié)果表明本文提出的方法能夠方便地進(jìn)行模型建立和修改，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行熱力計(jì)算。因此，該方法是可行的。

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