随着我国经济的发展，对用电量的需求逐步增加，发电机组不断增多。同时机组向着高参数、大容量方向发展，电厂控制系统的自动化水平也越来越高。由于电厂自动化水平的提高，运行人员逐渐减少，而且在正常满负荷情况下，操作人员几乎不需要进行操作，使得电力专业学生在实际电厂中学习的机会减少。电力系统院校肩负着培养电力人才的任务，传统的课本讲解和电厂实习已经不能满足实际需要。为适应电力院校对在校学生的培训要求，我们以STAR - 90仿真支持系统为基础，对某发电厂的实际系统进行简化，采用模块化建模方法，开发了300 MW火电机组原理型仿真机。该仿真机的仿真对象来源于实际机组，同时又针对学校培训的特点进行了改进，既保留了电厂的主要设备和过程，又对其进行了简化。该模型对机组的启动、停炉、故障和正常运行操作进行了仿真，给电力专业学生提供了良好的培训环境，可以满足电力专业学生和电厂运行人员的培训要求。
2、仿真对象概述
300 MW火电机组原理型仿真机仿真的对象为某发电厂1#机组，锅炉由哈尔滨锅炉厂制造，型号为HG1025/18.2 -YM6型，与上海汽轮机厂N300 - 16. 7/538/538型汽轮机及上海电机厂QSFN - 300 -2型发电机匹配成单元机组。锅炉为亚临界、一次中间再热、控制循环、单炉膛、固态排渣煤粉炉。制粉系统采用中速磨，正压直吹冷一次风机形式，锅炉呈Ⅱ形布置，三分仓回转式空气预热器，采用平衡通风，摆动式燃烧器四角布置切园燃烧。锅炉采用刮板式捞渣机作为出渣装置。
额定工况(88.3%MCR)主要参数如下：
过热蒸汽流量 905.3 t/h
过热蒸汽出口压力 17. 26MPa
过热蒸汽出口温度 540℃
再热蒸汽流量 745. lt/h
再热蒸汽进口压力 3 .41MPa
再热蒸汽进口温度 317.3qC
再热蒸汽出口温度 540℃
给水温度 273.1℃
排烟温度 123.9℃
3、控制循环锅炉的仿真模型
3.1STAR - 90模块化建模和仿真支撑平台简介
仿真机模型的开发是建立在STAR - 90模块化建模和仿真支撑平台上的。STAR - 90模块化建模方法来源于系统分解的思想。由于实际系统设备众多，连接关系复杂，难以用单一的函数或程序来模拟。根据系统分解的思想，将系统分解为若干个功能独立、可分别调试的模块，各个模块完成一定的功能，由支撑系统完成模块之间的连接。采用这种方法降低了建模的难度，便于模型的查错、调试和修改，而且各种模块所使用的算法可以重复使用，提高软件开发的效率。模型建立的基础是模型算法库。模型算法是以电厂中的设备、管道、控制逻辑为对象编制的子程序，具有通用性。这些算法分为过程算法和通用算法两类。过程算法是针对电厂中的设备、管道，根据物质守恒、能量守恒、动量平衡的原理，严格按照物理过程，利用欧拉法对微分方程进行差分而建立的，如汽包算法、炉膛燃烧算法、过热器算法、磨煤机算法等等。通用算法完成逻辑运算功能，如逻辑与算法、逻辑非算法。
STAR - 90模块化建模和仿真支撑系统支持多个模型同时运行，在线模块化建模、在线调试、扩充和修改，可以大大缩短仿真机的建设周期，是一种先进的仿真支撑软件。
3.2锅炉仿真模型
根据实际电厂的流程和仿真机的仿真范围，锅炉模型分为汽水系统、风烟系统、制粉燃烧系统3个部分。
3.2.1汽水系统
锅炉安装3台炉水循环泵，保证了水冷壁在各个工况下能够得到足够的冷却。循环倍率较低，约为2左右。锅炉给水经省煤器及省煤器吊管进入汽包，与炉水相混合后进入下降管，再经炉水循环泵升压后在水冷壁中受热形成汽水混合物。汽水混合物进入汽包进行汽水分离；水继续循环；饱和蒸汽从汽包引出进入过热器。过热蒸汽经顶棚过热器和后墙包覆及侧墙包覆，进入水平低温过热器和垂直低温过热器。然后依次流经分隔屏、后屏、末级过热器，送至汽轮机的高压缸作功。过热汽系统设有两级喷水减温。第一级减温器设在低温过热器出口，进行粗调；第二级减温器设在后屏出口用于微调主汽温度。过热器采用二级喷水。第一级喷水减温器设于低温过热器到分隔屏过热器的大直径连接管上。减温水来自给水泵出口，最大喷水量为102.5t/H。
为防止锅炉超压，在过热器出口设有两个弹簧安全阀和一个电磁泄放阀。
机组的高低压旁路系统容量为30%，并在锅炉尾部竖井下集箱处设有5%的起动疏水旁路。它的作用是在锅炉起动升温升压时，控制过热汽温和主汽压力匹配，以满足汽机冲转的要求。
自汽轮机高压缸排出作功后的冷再热蒸汽首先进入墙式辐射再热器，然后流经屏式再热器和末级再热器，再送至汽轮机中压缸作功。在墙式再热器入口设有事故喷水减温器，用于事故情况下的喷水减温。再热器正常调温主要靠燃烧器的摆动，改变炉膛内火焰中心的高度进行调节，但再热汽温调节延迟较大，当燃烧器摆角调整不过来时，则采用事故喷水进行再热汽温调调整。采用事故喷水调整再热汽温，会增加再热蒸汽流量，增加中、低压缸的作功量，使机组的热效率降低，因此正常应采取摆动燃烧器角度调整再热汽温。过剩空气百分比的改变对再热器和过热器的调温也有一定的作用。在墙式辐射再热器入口装有三个弹簧安全阀，末级再热器出口装有两个弹簧安全阀，以防止锅炉超压。
在建立汽水系统模型的过程中，根据实际电厂的流程，将汽水系统的设备与STAR-90模型算法库的算法相对应，通过模型模块变量搭接来建立设备的换热模型和流动模型。
在建模过程中，为反映过热汽和再热汽的两侧汽温偏差和烟温偏差，利用了单相介质换热器算法。将各级过热器、各级再热器分为A、B两侧，分别建立换热模型。在建摸中注意使过热器、再热器模型能反映出换热过程以及泄漏、积灰等故障现象和吹灰对其换热的影响。对于锅炉的水循环系统，模型采用下降管算法、水冷壁算法、汽包算法构成，使其能够良好地反映水循环特性；同时能够反映出给水流量变化，燃料变化、主汽门开度变化、喷水量变化时对汽包压力、汽包水位和主汽流量的影响。利用阀门算法、流量算法，联箱算法和压力节点算法以及汽包算法，建立了工质流动的模型。其中包括主蒸汽流动、再热汽流动、过热汽和再热汽的喷水减温、旁路系统以及安全门、对空排汽门、电磁泄放阀、疏水门的开关过程。对各种阀门的开关时间和流通量严格依据现场时参数进行整定。其开启、关闭条件与现场保持完全一致，使它的影响能够在模型中得到正确反应。
3.2.2风烟系统
风烟系统包括二次风系统，一次风系统和烟气系统。
二次风系统的作用是向炉膛提供煤粉燃烧所需要的空气，保证煤粉在炉膛中完全燃烧。二次风系统包括两台送风机，两台回转式空气予热器和各自的挡板。空预器为三分仓结构，空预器前设有暖风器，以提高空预器入口风温。两台送风机出口设有联络管和平衡门，用以平衡风压。二次风由送风机升压后，经暖风器，在空预器中加热后进入二次风箱，经燃烧器送至炉膛助燃。
一次风系统用来提供携带和干燥煤粉的，锅炉设有两台一次风机。冷风经一次风机升压后分成两路，一路直接进入磨煤机称为冷一次风，另一路经空预器加热成为热一次风，热一次风和冷一次风在进入磨煤机前都有调节挡板，调节冷一次风挡板的目的是为了使进入磨煤机的总一次风量满足磨煤机磨煤的要求，调节热一次风挡板的目的是为丁维持磨煤机出口温度在75℃。热一次风和冷一次风混合后送至磨煤机，以干燥和携带煤粉，经一次风管送煤粉至炉膛燃烧。
烟气系统的作用是排出烟气，维持炉膛负压。烟气系统设有两台引风机。燃料在炉膛燃烧产生的烟气，由尾部烟道排出，经电除尘器净化后，由两台引风机通过烟囱排入大气。烟风系统流程图省略。
在建模过程中，对应风烟系统的设备，按照现场的实际流程建立相应的模块。
对风烟系统中的一次风机采用离心风机算法来模拟；对送风机、引风机采用轴流风机算法来模拟。对阀门、空气预热器、马达等设备分别采用相应的阀门算法、空气预热器算法和马达算法来建立模块。采用炉内燃烧算法和辐射换热算法来计算炉内燃烧产物和换热量。利用流量算法和压力节点算法来计算工质流量。用此方案建立的风烟系统模型能够良好地反映一次风机、送引风机和各自马达在工况变动情况下的静态和动态特性。在风机运行台数、挡板开度、燃烧器投入数量变化情况下能够反映空气系统流量、压力、温度的变化。采用的炉膛燃烧和换热算法能够反映煤种煤量变化、风量变化、燃烧器角度变化对炉内燃烧工况和换热量的影响。在建模时注意了使各设备的流程控制的逻辑条件与现场保持完全一致。
3.2.3制粉燃烧系统
锅炉采用正压直吹式制粉燃烧系统，共配有五台ZGM -95型中速磨煤机。每台磨煤机分别带一层四角燃烧器。锅炉带额定负荷时，四台磨煤机运行，一台备用。锅炉设有两台一次风机，热一次风从空预器出来后，与冷一次风混合，送至磨煤机，以干燥和携带煤粉。原煤从原煤斗进入给煤机，经给煤机出口门落入磨煤机，在磨煤机中经过碾压变成煤粉，由一次风带入磨煤机上部的煤粉分离器，合格的煤粉输送到炉膛进行燃烧，较粗的颗粒回到磨煤机内部继续研磨。在磨煤机底部设有排渣门，以排出混在煤中的杂物。
因磨煤机是正压运行的，所以每台磨煤机配有一台密封风机，将密封空气送入制粉系统各转动设备的动静间隙处，防止热风和煤粉向外喷出。
锅炉点火油及助燃油为轻柴油，点火油经雾化后，通过油枪进入炉膛，多余的油经回油母管流出，锅炉共配有12支油枪，分三层布置，总出力为25%MCR。
锅炉采用切园燃烧方式，燃烧器四角布置。燃烧器形式为可摆动的直流式煤粉燃烧器，最大摆动角度为士300。整个燃烧器分五层布置，每一层燃烧器由一台中速磨煤机供粉，一、二次风喷口呈均等配风方式间隔布置。制粉燃烧系统图省略。
建模过程中，采用磨煤机算法来模拟中速磨煤机。对于磨煤机出口门、入口门、冷热风挡板、油枪用阀门算法来模拟。采用流量算法和压力节点算法来计算空气流量和煤、油流量。以此方案建立的模型能够良好地反映磨煤机在煤种变化、进口风温和风量变化情况下，磨煤机的静、动态响应特性，也正确地反映了磨煤机马达电流的变化和制粉系统的异常工况及磨煤机启停对燃烧的影响。
