单元机组及仿真系统认知

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1、 单元机组及仿真系统认知l 教学目标 、知识目标 1.掌握单元机组的组成、特点。 2.了解单元机组的类型及当前机组的发展趋势。 3.掌握仿真机组技术特点及主要设备运行参数。二、能力目标 (1)掌握仿真机组三大主机设备规范。 (2)熟悉仿真机操作员站、就地站的操作界面。l 任务描述随着国民经济的快速发展，电力需求随之增长，电力系统也在不断扩大，为获得较高的经济性及安全可靠性，采用单元机组集控运行技术的大容量、高参数、高自动化机组已成为电力发展的必然趋势。本节任务是加强学生对大型火电机组组成模式、机组类型的了解，并借助仿真机熟悉锅炉、汽轮机、发电机设备的结构和性能参数，掌握操作仿真机各功能站的基本

2、技能，为开展单元机组集控运行工作打好基础。l 任务准备 (1) 什么是单元机组？单元机组有什么特点? (2) 仿真机组三大主机的技术特点和设备规范是什么?l 相关知识 一、单元机组的组成 火力发电厂中，锅炉与汽轮发电机之间的联系存在着两种模式：母管制和单元制。在母管制系统中，将所有锅炉产生的蒸汽集中到蒸汽母管，再将蒸汽由蒸汽母管分配到各汽轮机和其他用汽处。母管制系统中锅炉和汽轮机之间没有直接的一一对应关系，每台汽轮机所需要的蒸汽来自一组锅炉，每台锅炉只承担一台汽轮机所需蒸汽的一部分，负荷变化对每台锅炉的影响较小。因此，在母管制系统中，锅炉和汽轮机的控制系统是相互独立的。为了方便控制，电厂会将一

3、定数量的锅炉设为定负荷运行锅炉，将剩余的设定为调压运行锅炉。当发电量或用汽量发生变化时，首先通过改变汽轮机的调节汽门开度满足负荷要求，然后通过改变调压锅炉的燃烧率来保持主蒸汽母管压力的稳定。母管制系统结构复杂，主蒸汽 管道较长、阀门多、投资费用比较大，适合参数不太高，汽轮机、锅炉容量不完全配套的供热机组，以及大型企业自备电厂。随着经济的快速发展，电能需求不断增长，高效、低污染的大容量火电机组已成为发电的主力机组。随着机组容量的增加，母管制系统存在的问题越来越突出。同时，对机组的可靠性提出了更高的要求，于是出现了单元制机组。单元制机组中每台锅炉直接向所配合的一台汽轮机供汽，汽轮机再驱动发电机，发

4、电机所发的电功率直接经一台升压变压器送往电力系统，组成了锅炉一汽轮机一电气纵向联系的独立单元。除机组启停过程中公用蒸汽系统互为备用外，各独立单元之间没有大的横向联系。各单元自身的辅助设备所需蒸汽均用支管与各单元的蒸汽总管相连，各单元自身所需的厂用电取自本发电机电压母线。锅炉、汽轮机、 发电机与变压器直接联系的系统所组成的机组称为单元机组。典型的单元机组系统如图1-1所示。大型火电机组通常采用单元制运行方式。在单元制运行方式中，锅炉和汽轮发电机组成一个整体，共同满足外部负荷需求，也共同维持内部参数的稳定。二、单元机组的特点与母管制系统相比，单元机组系统蒸汽管道短，管道附件少，发电机电压母线短，系

5、统简单，投资少，系统本身的事故可能性少，操作方便，且便于滑参数启停，适合集中控制。单元制系统也存在不足之处。一方面，单元制系统中任一主要设备发生故障时，整个单元机组都要被迫停运，而相邻单元之间不能互相支援；另一方面，不同单元的锅炉、汽轮机、发电机之间不能切换运行，运行的灵活性较差。当外界负荷发生变化时，汽轮机改变调节汽门开度适应负荷要求，单元机组没有母管的蒸汽容积可以利用，而锅炉的调节反应周期较长，汽轮机、锅炉之间的特性差异易引起汽轮机入口主蒸汽压力的波动，使得单元机组的负荷适应性较差。为适应高效益、低排放和资源节约型、环境友好型发展的需要，我国目前将优先发展单机容量在600MW以上的超临界及

6、超超临界压力机组，限制发展单机容量300MW以下的纯凝汽机组。新建发电厂安装容量为200MW以上机组时，一般采用单元制系统。对于采用再热式机组的发电厂，主蒸汽管道和再热蒸汽管道往返于锅炉和汽轮机之间，各机组的再热蒸汽压力随机组负荷而变化，不可能保持一致，无法并列运行。因此，对于再热式机组，也必须采用单元制。三、单元机组的类型1.按压力等级分类为了更好地节约能源、保护环境，电力企业一直致力于降低供电煤耗率和减少污染物排放，不断推广和发展高参数、大容量火电机组。我国火电机组从中低压机组、高压机组发展到超高压、亚临界、超临界、超超临界压力机组。单元机组依照工质压力等级分类见表1 _ 1。提高发电机组

7、的容量和参数已成为我国电力工业发展的重要方向。在我国，中压以下的火电机组已基本不存在。高压机组主要有50MW级和100MW级两种，其主蒸汽压力为 lOMPa，锅炉容量分别为220t/h和410t/h，目前该类机组也已很少，处在关停状态。9项目1火电机组集控运行基础知识9与超高压机组配套的锅炉容量为420t/h和670t/h，对应的机组容量分别为125MW和200MW。该等级的机组主要是20世纪90年代前后的过渡机型，总量较少，多采用一次蒸汽再热，主蒸汽和再热蒸汽温度为535540C。亚临界压力机组是我国的主力机组，一般有300MW和600MW两种容量等级，配套锅炉为1000t/h和2000t/

8、h两种，主蒸汽压力为1617MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为535 540C。该等级机组普遍采用先进的DCS系统，实现了集中控制。近几年，超临界和超超临界压力机组得到了大量应用，技术已趋于成熟，也是今后我国应用的主要方向。水的临界状态是指压力为22. 115MPa、温度为374. 12C下的状态，此时， 蒸汽的比体积和水的比体积相等，水和汽的差别消失，水的完全汽化会在一瞬间完成。当机组参数高于这一临界状态参数时，通常称其为超临界参数机组。超超临界机组是在超临界机组参数的基础上进一步提高蒸汽压力和温度，代表了机组技术参数或技术发展的更高阶段。国际上通常把主蒸汽压力在24. 131MPa、主蒸汽温度

9、/再热蒸汽温度为580600C/580 610C的机组定义为超超临界机组。国内公认的超超临界机组参数起点压力高于25MPa或温度高于593C。国内超临界压力机组的压力普遍为25MPa，主蒸汽、再热蒸汽温度为570C左右，广泛采用P91、T91等先进管材；超超临界压力机组的压力为29MPa左右（也有部分机组仍采用25MPa，如山东邹县电厂1000MW机组的额定蒸汽压力为25MPa)，主蒸汽、再热蒸汽 温度为600C左右。超临界压力机组容量一般都在600MW以上，机组循环效率为42% 43%，供电煤耗率一般在300g/(kW h)左右；超超临界压力机组容量一般为600 1000MW，机组循环效率为

10、43% 45%，供电煤耗率一般在280g/(kW h)左右。2.按机组容量等级分类随着电力生产的发展，我国火电机组的总装机容量不断增加，火电机组单机容量从新中国成立初期的50MW，逐步发展到二十世纪七八十年代的125300MW，进而达到目前的300MW以上、以600MW为主的水平，至2006年单机容量已突破1000MW。我国各容量等级首台火电机组投运时间见表1-2。我国125200MW机组多配备超高压锅炉，300MW机组多配备亚临界压力锅炉，而容量为600MW以上的机组广泛采用超临界压力机组。3.按锅炉类型分类(1) 按循环方式分类。火电机组中的锅炉按水循环方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉

11、和直流锅炉。1) 自然循环锅炉。水冷壁管内工质的流动是依靠上升管和下降管之间工质的密度差，建立循环压头产生的自然循环，该种锅炉只适用于亚临界压力及以下锅炉。2) 强制循环锅炉。在水冷壁与下降管之间设有循环泵，克服流动阻力，确保水循环安全可靠，适用于亚临界压力锅炉。3) 直流锅炉。从水到过热蒸汽出口，依靠给水泵压力一次通过各受热面的锅炉，适用于高压以上至超超临界压力锅炉。(2) 按制粉系统分类。锅炉的制粉系统可分为中间储仓式制粉系统和直吹式制粉系统两种。中间储仓式制粉系统是将磨好的煤粉先储存在煤粉仓中，然后按锅炉负荷的需要，通过给粉机将煤粉仓中的煤粉送入炉膛中燃烧；而直吹式制粉系统是用给煤机把煤

12、输入磨煤机并磨制成煤粉后，直接送入炉膛燃烧。近十年来，300MW以上的机组普遍采用中速磨煤机冷一次风正压直吹式制粉系统，新建机组已很少采用中间储仓式制粉系统。(3) 按燃烧方式分类。从燃烧方式上锅炉可以分为切圆燃烧方式和墙式对冲燃烧方式。切圆燃烧方式的优点是结构简单，煤种适应性强，可燃用从无烟煤至褐煤所有的煤种；缺点是燃烧器间需要配合才能安全运行，炉膛出口存在烟气的残余旋转，易造成两侧温度偏差，且容量越大偏差越大；墙式对冲燃烧方式一般采用旋流燃烧器，炉膛出口烟气温度偏差很小，但对煤种适应性较差，只能燃用燃烧特性较好的煤种。目前，国内300MW以下机组以切圆燃烧技术为主，600MW机组中两种燃烧

13、技术基本处于相当水平，600MW以上的机组若采用切圆燃烧技术，则一般采用双切圆燃烧，以减少炉膛出口的残余旋转。四、仿真实训系统火电机组仿真机是以物理原理为基础，通过数学模型模拟发电厂中汽轮机、锅炉、电气、热控等各系统及设备在各种工况下的运行，为受训者提供一个和现场机组高度相似的运行环境，以提高火电机组运行人员的操控水平为目的而建立的仿真系统装置。仿真对象多选择真实电厂的实际机组。1.仿真机的硬件组成仿真机由服务器、计算机和其外接设备（如投影仪、打印机等）组成，而仿真机的运行则是由软件驱动来实现的。因此，仿真机的构成包含硬件和软件两个方面。仿真机系统的硬件包括服务器、工程师站、教练员站、就地操作

14、站、操作员站、投影仪、打印机、交换机等，如图1-2所示。工程师站、教练员站、就地操作站、操作员站均作为服务器网络系统的一个节点，通过网络与服务器相连。（）服务器。服务器是仿真机的核心，通过运行各种软件，驱动网络系统中的所有设备。软件一般包括仿真机的支撑软件、网络系统的驱动软件等。（2）工程师站。工程师站安装仿真模型组态文件及DCS组态文件，是模型工程师建立和调试模型软件及修改DCS控制逻辑的操作台。该站也可用作监控机组运行的操作员站。工程师站一般由计算机工作站构成，可配有打印机。工程师可使用工程师站功能，进行各种打印，包括系统组态图、逻辑图、所有的整定参数、模型的所有信息等。（3）教练员站。教

15、练员站是教练员控制仿真机系统运行、实现培训功能、监视与评价受训人员操作的人机平台。教练员站一般由一台计算机构成。教练员使用教练员功能可方便地控制和监视学员的操作；可根据学员的业务能力选择组合培训项目；教练员可借助于工程师站访问实时数据库的任何项目；教练员通过键盘或鼠标可以文字、数据、表格、图形等形式在彩色CRT上进行各种显示；可进行学员操作的成绩评定等功能。（4）操作员站。操作员站是模拟集控室中的操作控制站，既具有监视功能，又具有控制功能，实现运行人员监视、控制、操作、管理整个单元机组的目的。（5）就地操作站。实际电厂机组运行过程中，部分操作是在主控室以外的设备安装地进行的。为了保证运行过程的

16、完整性，在仿真实训过程中，需要全部或部分进行这些操作。因 此，在仿真机中设置了就地操作站。就地操作站一般由高性能计算机连接大屏幕投影、 CRT等显示设备构成。2.仿真机的软件组成仿真机的硬件是仿真机的物理表现，而仿真机的硬件系统的运行是由软件驱动实现的。(1) 服务器操作系统软件是计算机运行的基础，为用户提供一个基本操作使用环境。(2) 仿真支撑系统软件是一个大型应用软件，支撑系统软件的水平标志着仿真技术的高低。仿真支撑系统软件是一先进的仿真应用软件，为模型开发人员即模型工程师提供了较好的工程模块化和图形化建模，以及验模环境。模型工程师不必具有太多的计算机知识，更不需要具有软件开发的能力，只要

17、熟悉被仿真对象的物理机理，根据物理机理进行模块搭接或图符连接，使用模块或图符方式来描述被仿真对象的物理过程，就完成了模型的建立过程。仿真支撑系统为用户提供了在线修改、调试模型的手段，模型工程师可以根据需要在线修改模型，并可立即得到修改后的结果，直到模型能够正确反映被仿真对象的物理过程，从而完成了调试模型的过程。另外，仿真支撑系统还有丰富的工程师和教练员功能。工程师和教练员功能软件是模型工程师建立和调试模型、控制模型运行的管理软件，在仿真支撑系统软件的支持下运行，能为工程师和教练员提供方便、美观的操作界面，并实现所需的各种功能。功能软件的性能和功能的丰富性也是仿真软件水平高低的重要标志。仿真模型

18、软件是为仿真电厂生产过程而建立的软件。对于仿真支撑系统来说，仿真模型软件是支撑系统生成的数据文件，该文件存储的内容是模型工程师建立的模型模块和模块间的连接关系。只有支持工程模块化建模方式的仿真应用软件才具有该种特点。(3) 监控操作站管理软件是运行在监控操作台上的应用软件，负责在监控操作台上显示所有的操作画面，并根据仿真机的运行变化对显示画面进行实时更新；接收学员在监控操作站上所做的操作，并根据操作切换或更新显示画面，控制模型的运行。监控操作台管理软件是根据实际电厂的监控操作台的具体要求而开发的，不同的仿真机可能有所差别。对于具有工业键盘的监控操作站，管理软件还包括工业键盘的驱动软件。(4)

19、就地操作站管理软件是运行在就地操作站上的应用软件，负责在就地操作站上显示所有的画面，并根据仿真机的运行变化对显示画面进行实时更新；接收学员在就地操作站上所做的操作，并根据操作切换或更新显示画面，同时控制模型的运行。就地操作台管理软件是根据被仿真的实际电厂的具体要求而开发的，不同的仿真机具有很大差别。3.仿真机培训功能火电机组仿真机依据参考机组的实际运行特性、运行规程和培训要求，为受训人员提供与参考机组相似的各种运行特性，包括机组正常操作、异常操作和误操作时的运行特性，控制系统的自动投入与切除时的动态特性，以及由教练员插入和取消机组模拟故障时的动态特性等。使受训人员熟练掌握机组和设备在各种条件下

20、的启停操作、机组正常运行中各项参数的调整方法及监视工作，通过反事故演习，提高事故处理能力。（1）正常运行培训功能。仿真机可连续、实时地仿真参考机组的正常运行状况。仿真机 的模型软件可根据具体的运行操作工况，计算出相应的机组测点参数，通过适当的仿真培训 界面显示出来，为受训者提供正确的控制、报警和保护系统动作。仿真机提供的机组正常运 行工况和操作主要包括：1)从各设备完全停运的冷态工况启动，到100%负荷工况。2)机组从热备用工况启动，到100%负荷工况。3)锅炉、汽轮机、发电机或整个机组跳闸后工况及重新恢复正常运行工况。4)机组从100%负荷工况停机到热备用工况，及冷却到冷态停运工况。5)各种

21、工况下对设备或系统进行规程规定的在主控室进行的各种操作和试验（如联锁试验或汽轮机阀门试验等）。(2)故障处理培训功能。仿真机可实时地仿真参考机组设备故障、装置损坏和自动控制功能失灵等异常和事故工况，教练员通过设置故障程度的大小和故障渐变时间的长短，为受训人员模拟实际机组的真实故障过程。仿真的故障可由仿真运算结果自然引发，也可由受训人员误操作引发，也可由教练员加入引发。l 任务实施一、任务要求 （1）查阅仿真机组的运行规程，熟悉仿真机组三大主机设备规范。 （2）熟悉实训环境，了解仿真系统的组成并掌握操作员站、就地站的使用方法。二、实训报告 （1）填写“火电机组仿真机的认识”项目任务书。 （2）记录仿真系统锅炉、汽轮机、发电机等三大主机技术特点和性能参数。