摘要
动态仿真作为工程任务的一种方法 – 燃煤电厂蒸发器的案例分析基于数学模型的方法，例如，优化模拟在过程工业中很常见，它们通常用于各种工程任务。本文讨论了项目技术处理中的模拟的当前状态，特别是动态模拟（DS）。这使得有可能在恒定条件和过渡期间进行研究。
作为示例，提出了发电厂中的技术问题的解决方案。 开发了燃煤电厂直流锅炉的模型，利用该模型可以分析水冷壁管的热行为。 该研究的主要焦点是控制策略变化与管道爆裂之间的相关性。
主要关注管道温度的差异与两种不同的控制策略：水位控制或过热控制。除了模拟了这些控制的正常操作之外，还模拟了动态过程，例如，管道的节流或流入量的减少。APROS是一个复杂的建模与仿真软件平台，它可用于高效建模及工业过程的动态仿真，同时也描述了模型开发的过程，并且能够得到有效的仿真结果。
简介-多方面模拟
过程和自动化工程项目使用不同类型的数学建模和仿真相关软件工具。这些工具通常需要获取正在建造的新电厂现有工艺中有关分析和开发的信息[3]。其共同之处是支持工程工作上的决策。
稳态过程仿真模拟器在过程系统的各位置提供了状态信息。该状态通常包括压力，温度，流量，流量和流体成分。模型的输入是过程连接和设备特定参数，但不需要详细的尺寸标注信息。稳态仿真研究表明了过程系统中不同的选择会如何影响电厂的性能。这使得能够在预设计阶段评估该系统的可行性，并在现有的经济条件内粗略地优化发电厂的效率。
设备的详细尺寸是工程项目的关键部分，通常使用专门的程序完成，比如由锅炉制造商提供，包括稳态质量和能量守恒的求解器，以及大量基于经验的相关性，用于特定的过程特征，如传质和传热，燃烧和排放[3]。
计算流体动力学（CFD）用于预测设备内的流体流动。研究中经常包括换热过程，例如锅炉供应商对炉内温度和流场感兴趣，并且存在着不同的设计。CFD程序有助于优化锅炉几何形状，燃料和空气进料位置，实现高效燃烧和换热。
动态过程仿真模拟器与稳态模拟的不同之处在于其预测动态行为的能力。它与CFD的不同之处在于使用了更’粗略的离散化，因此能够捕获更大范围的系统过程。它旨在提供一种可以与实际电厂类似地进行操作的虚拟工具。然而，通常与正常的过程测量（设计项目中自然不存在）相比，获得的系统信息基本上更多。仿真应用程序获得了越来越多的成功，它可以信赖，可以以经济可行的方式去建立一个完全基于设计数据的高精度的仿真模型。
传统上，不同工程系统中的数据不以常规格式存储，仿真软件也不例外，因为它通常来自不同的供应商而不是CAD系统。除了工程中的主要工作流程之外，仿真的部署受到了很大的影响。在过去的几年中，为了大大提高工程中的工具互操作性，已经有了积极的开发。在不同的工程任务和阶段中互连和重用数据的一个关键是为数据应用通用的、良好定义的语义。使用的软件产品必须是开放的，以便能够导出和导入数据内容和模型。这种需求得到了广泛认可，开发工作正在进行中[10]。
虚拟电厂动态仿真
首要任务的需求和建模方法（在某种程度上等同于所用的软件）决定了仿真中细节的准确性和水平。厂级规模动态仿真模型的输入数据包括工艺连接、工艺设备和管道的物理尺寸和位置、设备特定参数（例如泵和阀门曲线）、自动化系统图、控制参数和初始条件信息。在工程项目中，部分输入数据是通过稳态模拟，各种尺寸计算，甚至CFD生成的。工程工作流程和数据交换对于降低模型建设成本起着重要作用[2]。输入数据与稳态仿真的输入数据部分重叠，一些仿真机是通过将稳态模型输出到动态的版本来实现。
电厂规模动态仿真的主要用途可概括为以下内容。不同的使用类型伴随着对示例研究的参考。
- 制定控制策略。这是动态仿真的经典用途，其中模拟器用作控制开发的测试平台[8]。
- 分析系统运行情况。动态仿真的一个主要好处是进行实际电厂无法实现的“假设实验”。这样可以对不同的瞬态进行详细研究，例如负载或等级变化，以及干扰，故障和事故。该模型可用于调整参数或开发系统和工作实践，其方式是计划瞬态受到严格控制，并且可以更早地检测到故障点，使电厂更快的恢复正常[6]。
- 验证设计。从两个层面获益：过程和自动化设计的综合验证，以及设备尺寸的验证。如果不能进行厂级规模试验，过程和自动化互连使动态仿真成为评估新工艺系统及其控制的唯一方法[4]。
- 控制系统的测试。通过将实际的DCS（分布式控制系统）连接到过程模拟器，可以测试系统的功能并且可以模拟系统的调试并且找到自动化系统缺陷，否则直到电厂建成才能检测到这些缺陷。控制器也可以使用模拟器进行预调谐。这可以显着缩短自动化的调试时间并提前开始生产[5]。
- 培训操作人员。仿真培训是一个有效的办法，可以加快新电厂的启动运行，为所有操作人员灌输最佳操作实践，并确保电厂在任何情况下的安全运行[7]。
- 开发操作实践和控制室。仿真机可用于开发控制室，使操作员能够在正确的时间掌握正确的信息，从而提高电厂的安全性和经济性[9]。
动态仿真的最终效益是当它被纳入工程工作流程中，以一种成本效益的方式支持电厂工艺流程寿命中的不同阶段。该模型建立在基本设计阶段，用于评估设计，开发操作界面，然后在DCS校验中重复使用，最后用于操作人员培训。之后，该模拟器可用于不同的工艺过程和控制分析任务，并用于电厂改造的规划。
这里给出的仿真案例说明了一个特殊类型的仿真项目的例子，在该项目中，快速构建、量身定制的仿真工具可以帮助解决发电厂中的一个特定问题。
案例研究-蒸发器管道破裂
问题的表述
该案例研究评估了芬兰Naantali煤粉发电厂蒸发器管道的状况。315MW发电厂的历史始于20世纪70年代，多年来进行了一些小型改造。其中一个项目正在2010年夏季进行，包括重建一些自上次电厂维修关闭以来遭受损坏的蒸发器管道，包括管道爆裂。材料分析表明，管道的受损部分经历了很长时间的高温（超过500°C）。问题在于产生过热的情况，以及它们与控制策略中最近变化的联系。
这种情况对于实验研究来说太具挑战性，因此电厂工程师提出的建模和模拟可能会给出问题的答案。该任务的潜在工具APROS是众所周知的，因为它在该公司中已被广泛使用。
建模环境
该仿真工具为混合和运行模拟模型、求解算法和模型库提供了方便的在线访问，可用于包括燃烧发电厂、核电厂、纸浆和造纸厂在内的过程的全面建模和动态仿真。此外，自动化和电气系统也可以进行详细的建模。从小的计算实验到全范围训练模拟器的模型，应用的范围各不相同。根据物理过程实验的数据，对模型库进行了全面的验证。
该模拟器提供的预定义组件模型在概念上与实际设备类似，例如管道，阀门，泵，热交换器，反应器，储罐，测量，信号处理，控制器，电气设备等。用户从模型库区域中拖放出合适的过程组件，绘制连接并输入与过程相关的输入数据。组件参数化很简单，最重要的是，该工具避开了所有解决方案算法。
模型库包括从简单到高保真的模型。这种方法可以根据模型保真度的需要、可用的开发时间和仿真速度要求来创建一个最优的模型结构。根据所要求的保真度水平，可以使用几种类型的热工水力网络解算器。常用的热工水力求解器是基于质量、能量、动量和组分质量分数的动态守恒方程。它为解决流体混合流动、固体结构中的热传导以及流体与结构之间的热传导提供了手段。其他求解器包括顺流求解器、强迫单相流求解器和非平衡分离相流求解器。利用非常短的时间步长，甚至可以快速地研究瞬态现象。通常，用户允许时间步长根据工艺条件而变化。这可以在需要时提高精度，即在快速瞬变期间，但在正常、更稳定的过程条件下快速计算。
在解决方案中，该模型被认为是一个节点网络，即控制量和分支，而分支即节点之间的连接。此计算级别网络由流程组件级别自动管理，该级别是用户操作的级别。热工水力节点的主要状态变量是压力、焓和组分质量分数，以及分支的流动速度。材料性质函数用于根据状态变量计算密度、粘度和热容等各种量。方程求解器处理由偏微分方程在空间和时间上的离散和线性化而产生的大型线性方程组。一个强大的特性是，在任何配置更改之后，可以立即继续模拟运行。此外，可以将完整的模型信息保存到模型快照文件中，其中包含整个模型配置及其在指定时刻的瞬时状态数据。因此，用户可以在任何时候回溯到过去保存的快照。该仿真平台的开放性允许在计算中包含用户自己的模型，以及与控制系统的简单连接。
除了模型配置外，建模接口还提供了管理仿真实验和可视化仿真系统动态行为的工具。用户可以自由选择要显示在流程图上的任何组件变量，作为数值(监视器字段)或单独窗口中的趋势。在模拟运行过程中，模型图可用于修改组件属性，例如控制器集值、控制器调整参数、启动/停止设备。任何变量数据都可以记录到文件中，以便进行后处理。
建立模型
模拟项目通常包含不同精度的建模，甚至在单个过程模型中也是如此。这样做的主要原因是减少了项目时间和成本，但却捕捉到了这一过程的相关行为。由于不同的原因，选择了模型中包含的部分。例如，控制常常在电厂动力学中起主要作用，没有它们，甚至不能在更长的时间内进行严格的过程模拟。但是，有些自动化功能通常可以省略。公用建模的合理精确度因情况而异。对于再循环流动，即使是较小的流动，也可能引起有用的动态，从而迫使建模者考虑模型的扩展，而不仅仅是主要流动。因此，对模型的这一部分进行重大简化是有道理的。
现实生活中的过程发生在三维，这对过程建模者提出了挑战，并导致了维度的简化。当然，CFD模拟将更现实地捕捉空间，但因此，模拟的范围将更加有限。通常，在工作过程中，对与解决问题相关的内容的理解会不断发展。根据需要改变建模精度的可能性是高效仿真工程的绝对要求。这可以通过层次模型描述、为计算流量提供不同的热工水力模型、为过程单元模型提供不同的精度选择、为模型开发提供基本的机械构造块、提供灵活的界面来连接用户在仿真中的例程、以及支持传递函数类型的建模等来解决这一问题。重要的是，不同的选择是可以在一个单一的模式。
在这一案例研究中，模型的范围涵盖了蒸发器的一半，包括16条管道。蒸发器由两个完全相同的部分组成。选择管损伤最大的一半。该模型从省煤器下游的一个点开始，在分配单个蒸发器管路的集箱之前。蒸发器内每条管子的长度约为260米，并在模型中离散为65段。另外，有两条管子线具有更精确的离散度。到达蒸发器后，这些管束集合在一个集箱中，由此产生的流动变成一个水-蒸汽分离器(苏尔泽瓶)，这个分离器作为模型的末端边界。
大部分输入数据来自原始设计图纸，主要包括加工设备和管道的位置和物理尺寸。从设计图纸中对弯管的长度和摩擦损失进行了详细的研究和建模，以揭示不同管道在锅炉壁上的不同路径所造成的差异。还需要确定模型边界的适当数据，即压力、温度和蒸发器管的加热功率。.
用于该模拟研究的所选热工水力模型是非平衡分离相流（所谓的6方程）模型，其计算水的液相和气相的动态质量，能量和动量平衡。这种选择保证了建模能够捕捉到蒸发器管中发生的任何有意义的热工水力现象。
图1. 蒸发器一半内单管线的模型图。圆形热工水力点旁边的数表示管位置上的蒸汽体积分数(0=液体，1=蒸汽)。橙色的数字给出了在这个位置的管线的大致长度。
图2. 控制方式1。加热功率在60秒时上升(10%)，回到240秒的原始水平。蓝色标志着液体的流动。
图3. 控制模式1. 步长上下变化。在16个蒸发器管线内的单质量流量。
模型图用于将模型配置组织成合适的子流程（图1）。该图显示了管线号14，它是水冷壁的一部分。为了提供炉内蒸发器管表面温度的真实模型，必须对壁上的管路进行建模，包括转向点和高度的精确定位。可以容易地遵循管的路线。它进入后墙，向下到锥形，并开始水平曲折，直到底部完全被覆盖。然后它在前壁上升，并且将炉子的整个一半上下曲折，直到回到起点并离开炉子。角落中的燃烧器和空气管道也在图中标出。管模型由一系列热管模块组成，其间具有热工水力点。热管部件还包括管壁的热结构。在这种情况下，管部件的平均长度为4米。另外，每个管模块的热结构轴向分为两部分。图中的输入和输出点允许跳转到模型继续的特定图表。
有16条单独的管线穿过炉子一半，彼此相邻安装。每个管道的图允许在完成第一个之后使用复制和粘贴。因此，手动编辑工作量被最小化。当然，以这种方式创建的管线在其参数方面看起来也是相同的。借助于已经填充了每个管线的相关数据的Excel薄片，可以容易地进行实现真实管参数（即长度，摩擦损失和转折点升高）的修改。随后可能需要的这些数据和修改通过使用自动创建的命令脚本更新到模型数据库。
建模不包括锅炉的燃烧和烟气侧。因此，来自燃烧的加热功率被定义为与蒸发器管的边界条件。最初，加热功率被认为是整个水冷壁的恒定值。第一个模拟结果表明，近似是不现实的。然后改变加热功率以取决于管内炉子的位置，包括七个加热功率水平，范围从150到500kW / m 2。因此，例如蒸发器的底部是以最低功率处理。我们很幸运能从最近的CFD研究中获得有用的数据，以得出该锅炉的功率曲线。如果缺少这方面的知识，则必须使用锅炉供应商或文献中的适用信息。
完成的模型中包括1308个热工水力点，1321个分支，以及4430个热结构节点。
尽管使用了严格的热工水力模型，但它在典型的笔记本电脑（2.40 GHz，3 GB RAM，Windows XP）中的运行速度比实际快三到四倍。
结论
模拟研究集中在不同情况下蒸发器管的峰值温度及其局部化。应强调两种不同的操作蒸发器的控制策略：
- 控制方式1：汽水分离器的液位控制
- 控制方式2：过热状态控制
传统的操作方式(控制方式1)在液相中保持蒸发器排出的部分水，从而使水-蒸汽分离器在闭环控制下维持液位运行。在另一种模式(控制模式2)中，输出的蒸汽是过热的，其过热程度被控制。代表这些控制模式运行的参考状态是从历史数据中提取出来的，是在模拟项目开始前几个星期电厂的稳定运行周期。为了在模型中达到这样的工作状态，首先根据参考状态设置边界压力和流动条件。然后，对加热功率进行调整，使之与电厂的测量结果相匹配。在调节加热功率水平的同时，其相对分布保持不变。
除了模拟在这些模式下的正常运行外，还对管道的节流、减少进给流量等瞬态过程进行了仿真。重点对发生管损坏的蒸发器部分进行了仿真分析。下面介绍了一些模拟结果的样本。
- 仿真1：控制方式1，加热功率的变化
图2和图3说明了该过程的一般行为，以及16个蒸发器管中的流动，当加热功率首先向上增加10％，然后返回到原始。从图2中可以看出，蒸发量的增加会增加管内的压力损失，并且进料流量会暂时下降，直到进料流量控制回路纠正这种情况（阀门位置从41％到45％）。由于功率增加，实际上所有液态水都蒸发，这表现为出口中液体质量流量的减少。图3通过显示所有16个管线中的各个流量给出了进一步的细节。
在所有的模拟研究中，检查了各蒸发器管之间总质量流量的差异。结果发现，就像这个例子一样，16根管子之间的差别相对较小。正常操作时，所有流量均在±5%以内。换句话说，原来的设计质量很好。因此，重点研究了所选择的几种管材，并将其模拟数据写入文件中进行了分析。图1中的管14是正在进行详细研究的人之一。
图4. 控制模式1和2，参考条件(处于稳态)。沿14号蒸发器管路的剖面图。
图5. 控制模式1和2。切断14管线。沿管道长度的温度分布。虚线用于控制模式1，实线用于控制模式2。
- 仿真2：控制方式1和2，参考工况
电厂在相当稳定的运行条件下运行时间较长，在这些典型工况下对系统进行分析显得尤为重要，尤其是在工艺设备存在有害条件的情况下更是如此。图4说明了在控制模式1和2中蒸发器管内的情况。
给出了蒸汽孔隙率、压力和温度作为管的累积长度的函数。结果表明，控制方式2的压力和温度较高，蒸发开始的时间早于控制方式1。此外，在控制模式2，在管的末端，所有的液体被蒸发，蒸汽被过热。
- 仿真3：控制方式1和2，单管节流
在电厂中，每条蒸发器管道都有手动控制阀，以调整可能的流量差异。在这个模拟中，一个这样的阀门被关闭了25%，该模拟由于某种原因在管道中流动受阻的情况，管流下降了21%。两种控制方式的下降幅度几乎相等。因此，进料流量控制器返回到设定点时，炉膛总流量略有下降(小于1%)，但只是暂时的。固定后，最大流量与节流管流量之差达29%。图5显示了控制模式之间的明显差异。在这两种控制模式下，沿蒸发器管长度有三种温度分布。控制模式1用虚线标记。最低的温度分布来自于管子内的水。相对较高的数值是管内的表面温度，最高的温度属于管的外表面。两种控制方式在管端有明显的差别，在控制方式2中，管的加热温度接近480°C，比控制方式1的加热温度高出35°C。由于蒸汽在控制模式2的正常工况下已经过热，因此两相的缓冲效应消失，在这种扰动下，温度响应也随之增大。
- 仿真4：控制方式2，给水流量随加热功率的增加而减小。
仿真研究表明，在扰动下，蒸发器进口流量迅速下降，但加热功率保持不变，水冷壁管在扰动下的动力学过程。只需为控制器设置30%的低设定点即可改变进给流量。再次选取一个管的外表面温度来表示瞬态。图6显示了控制模式2(也如图4所示)的参考状态，以及干扰启动后的四个时间瞬间。新的稳态在4到5分钟内达到，管子的末端加热到500°C以上。
讨论
在项目中使用模拟是根据所寻求的答案的价值与建模、仿真和解释结果的共同努力之间的估值来决定的。
图6. 控制方式2。降低进料流量30%，加热功率不变。在不同的时间点外表面温度沿蒸发器管线14分布。
工艺过程仿真的价格由软件许可证和人力成本构成。因此，模型建立阶段的生产力决定了模型的成本。在这个阶段，用户界面非常重要，也是与其他工程系统交换数据的良好接口。当然，仿真工具对任务的技术适用性、结果的预期精度和可靠性以及仿真的速度和鲁棒性等问题也是必须解决的问题。当仿真成为公司工程工具箱中的标准工具时，这些问题就更容易回答了。这需要有决心地开发仿真专业知识，既不是为一个团队也不是为一个人。
本文讨论了工程项目仿真的现状，说明了动态仿真的应用，并给出了某电厂解决工程问题的实例。由于蒸发器管的损坏，对其进行了仿真研究，并在此基础上及时改变了控制策略。仿真研究表明，在过热控制模式下运行，对管道这些部分的应力不明显大于水平控制方式。
这在正常操作中和模拟的瞬变中都能看到。在过热控制模式下，管道末端加热高于水平控制方式，但在正常的长期运行条件下，对管材的风险仍然较低。然而，在过热控制模式下，在功率或流量扰动的情况下，管道的端侧对于过高的温度显然更敏感，在规划运行实践时必须解决这一问题。其主要结果很好地理解了问题案例中具有实际意义的因素。
该项目中建立的动态仿真模型将被更新为未来的仿真机版本，从而有助于解决电厂未来的问题。因此，不仅要记录模型的结果，而且要记录模型的优缺点。在该模型中，优点是管道的详细模型，包括壁面的路径、摩擦损失、换热和热工水力算法。可以将蒸发器管路加热功率模拟为静态热源项的简单方法看作是一个缺点。
无论管内和管壁内的情况如何，功率都保持不变。大多数极端条件下的仿真实验存在一个问题，即这种方法是否仍然有效。建议的开发步骤是对炉膛内的燃烧和烟气流动进行建模。之后，管道条件会影响从热烟气中获得的热量。
