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50年来，我国电力一直处于供不应求的状态。只是从20世纪80年代初开始，在国民 经济中电力工业才真正得到以先行官的身份持续稳定的发展。这时，西方发达国家制造业 大量地迁移到发展中国家，使其本国用电量下降，他们的电力工业发展长期处于停顿状态， 甚至拆除了部分核电站。我国在八五期间，每年的新增装机容量约为1800万kW，仍然是 以燃煤电站为主。在九五期间的5年里，我国新增发电机组一亿多kW。十五期间年装机容 量以近2200万kW的高速度发展，燃煤电站占1750万kW，为总装机的80%。到目前为止， 全国3.2亿kW发电机组中燃煤机组为2.4亿kW。通过这10多年的建设，工农业和生活用 电得到明显的改善。进入21世纪，在继续兴建燃煤电站和水电站的同时，比较大规模的筹 建核电站和燃气一蒸汽联合循环电站。随着电网总容量的迅速增加，新建电站的单元机组 越来越大。以燃煤电站为例，八五期间新建电厂的主力机组是30万kW，九五期间主力机 组就是60万kW，而且出现单机为80一90万kW的超大容量机组，都是超临界的热力参数 平均年装机容量超过15%的速度增长，是国民经济增长速度的两倍。近几年水电也发展迅

速，世界最大的水电工程三峡电站已经有三台70万kW机组投入发电，尚有14台机组将在 最近两年陆续投产。这种电力建设的势头从1976年改革开放以来一直持续到现在。即使这 样，我国电力供应仍然满足不了工农业和生活的日益增长的需求，2003年出现了近几年来 空前的电力恐慌，全国范围内的限电全年不断，甚至有时也停止了部分主要工业和外资企 业的生产用电。根据电力信息网的信息，今后相当一段时期，我国缺电将是不可避免的。 新建电厂的自动化系统也是采用了国际上最新发展的计算机分散控制系统DCS，控制 操作台和仪表盘逐步缩小，直至完全取消。操作人员只是直接面对5～6台CRT操作屏幕进 行操作和处理事故。这种自动控制系统给操作人员提出了很高的专业理论水平和操作技能 的要求。此外，根据我国能源结构的特点，当前新建电站仍是以燃煤机组为主，燃煤量约 占每年我国总产煤量10亿吨的60%，每年排出二氧化硫就达2000万吨，对于环境的污染 和生态的危害是严重的。相应的煤粉制备、烟气除尘和除硫、减少氮氧化物等都给发电设 备的结构和热力系统增加了复杂性和技术困难。新技术、高参数、计算机自动化等广泛被 采用，都对运行技术增加了难度，对运行人员提高了要求。

2.电力生产过程仿真培训的必要性

运行操作人员要适应这种形势，除了他们必须具备专业文化知识之外，必须具有很强 的运行操作技能、对事故处理的适应能力、灵活的应变本领和对参数异常的判断力等。这 些知识的获取虽然可以依靠长时间的经验积累，更重要的是依靠带有强化和快速性质的仿 真培训更为有效。美国能源部曾经提出的安全专题报告中指出：电厂的可靠性可以由改进 设计和加强维护来进行改善，但是它只占可靠性的20～30%，另外70～80%依靠于运行操 作人员。清华大学1988年曾对国内大型电厂运行人员情况进行了调查，结果是：某电厂未 经过仿真培训的一组运行人员在20万kW燃煤机组上连续运行18个月，出现过7次事故， 其中6次不能正确进行处理，而被迫停机，其中有一次事故中造成人员受伤，另一次事故 中造成停机长达15天之久。调查的另一个电厂，在同类运行的机组上10个月内发生过4 次甩负荷事故，是参加过仿真培训的运行人员操作的，他们炉、机、电运行人员互相配合， 均能正确处理和消除事故，而没有影响生产。在调查中，还有一个电厂的运行人员，也是 在20万kW机组上运行，11个月内发生了5次事故，包括保护动作、甩负荷、锅炉灭火等 较大事故，同样是由经过仿真培训的操作人员进行操作的，结果有4次很快地消除了事故， 十分钟内恢复了正常生产。这些统计和调查资料说明仿真技术对于电力生产的安全性起着 至关重要的作用，被电力工业誉为技术进步的标志之一。一台60万kW的机组停电24小时， 它的直接经济损失近1000万元，如果考虑到国民生产的经济损失将达6000万元之巨。

3.我国电力仿真技术的发展历程

图1我国首套火电仿真系统

清华大学利用这台仿真机建成了我国第一个电力培训中心，在5年的时间里，为40多 个电厂培训了2000多名运行技术骨干。被电力部门誉为中国电力仿真技术的里程碑。1984 年又开始开发全范围、高精度的仿真机，1988年完成（图2)，安装在东北电管局。这是我 国自己最早研制成功的两台实用性火电仿真机，

图2我国第一台全范围高精度火电仿真机

培训用的仿真机主体内容有三：以计算机分布系统组成的硬设备、建模技术和仿真支

撑软件。而仿真人员所能左右的核心技术是后两者。先进的建模技术既能够保证仿真技术 的高精度和实时性，也能够缩短仿真机的开发时间。支撑软件是指支持分布式仿真系统的 模型开发、调试和运行的一体化平台。 建模技术是指如何建立仿真用的、适于具体电站机组的数学模型。用于培训仿真机的 数学模型和研究自动控制系统、工程分析等使用的数学模型不同。仿真机通常不采用自动 控制系统常用的传递函数形式的数学模型，因为传递函数模型是对实际工程系统进行了过 大地简化，往往满足不了仿真精度的需要。培训仿真机采用的模型是根据质量、能量和动 量三大守恒定律所建立的机理数学模型。这种机理数学模型也有各种不同的表示形式，复 杂些的可以偏微分形式，简化些的可以微分形式，甚至代数形式。要视对仿真精度的要求 来取舍。下面给出微分方程的基本形式：

最为关键的建模技术乃是锅炉或蒸汽发生器模型，多年来，国内外有关热力建模理论的研 究也大都集中于此。以锅炉本体为例，它又可分解为多个子系统，如汽水系统、水冷壁传热 系统、燃烧系统、风烟系统、尾部受热面系统、除尘和脱硫系统等。其中对汽水系统建模 研究最多，因为它是典型的单相受热管段。这类热工对象的每个工业流程系统往往形成流体 网络的结构形式，通常把流体网络按一定的规范要求简化为一定数量的节点和支路，再利 用质量和动量守恒方程求解各个节点的压力和各条支路工质的流量。反映对象的传热和传 质过程，即能量守恒方程具有大惯性非线性的分布参数特性，因此采用分布参数模型最为 合理。分布参数模型的无延迟响应的计算式：

分布参数模型是以偏微分方程为主的方程组表示，可以对它直接数值求解，所得的数 值解具有很高的精度，可以作为标准解。但其计算量甚大，难以满足实时仿真的要求，因 而仿真机上极少采用。在实时仿真中，对单相受热面这种对象最常使用的建模方法是采用 集总参数模型。传统的集总参数模型有两种：将管段的金属和管内工质分开处理和合并处 理。这两种建模方法均有建模简单、计算方便、物理意义明确、动态响应趋势基本正确以 及适用于实时全工况仿真等特点。目前国内外开发的培训仿真机对于计算对象的能量方程 即温过程，大多使用这两种集总参数模型。其形式为公式（3)。 然而，对于像锅炉的省煤器、过热器、再热器等设备具有典型分布参数特性的对象来 说，集总参数存在着模型动态精度差，不能很正确地反映出热工对象的分布参数特性等缺 陷。随着工程分析、工程设计研究的需要，和计算机运算能力的加强，对模型精度提出更 高要求。因此，近几年来，研究出了各种改进的集总参数数学模型，使其更加逼近分布参 数特性，以满足各种不同的使用场合。 导致传统集总参数模型精度低的原因是从分布参数模型（一组偏微分方程）到集总参

数模型（一组微分方程，如公式1～3）的 简化过程中必然形成的。在简化过程中所作 的过度假设和近似，例如以设备或管段的入 口、或出口、或入出口平均参数作为建模的 依据，导致了模型结构和模型所反映的惯性 产生了偏移。如图3所示，是以进出口平均

温度作为代表参数，当产生进口温度扰动时的动态过程与分布参数模型的比较。可以看出 在扰动初始阶段明显偏离分布参数模型，出现较大的负偏差。 为使得实用性的数学模型尽可能的接近分布参数模型，近些年具有较多的研究成果出 现，例如三段集总参数模型、链式结构模型、当量金属模型、动态修正模型、简易惯性补 偿模型、精细惯性补偿模型和移动参数模型等。 最新发表的精细惯性补偿模型和移动参数模型具有一定代表性。精细惯性补偿模型是 通过增加惯性补偿方程式以及适当调整动态修正因子和惯性补偿时间常数，对原集总参数 模型的结构及其所反映的惯性进行补偿或修正，使其更好地逼近分布参数模型。详见文献 【2】。 移动参数模型的基本思路是考虑到传统的集总参数模型是采用控制体内一点的状态参 数来表示整个控制体状态，必然导致模型对扰动传播的简单化，使得动态过程产生较大的 偏差。因此，不再使用控制体内固定一点的参数表示控制体的平均参数，而引入变参数来 代表。这个代表参数随着扰动的发生和传播而移动，可以更好地模拟热工对象的动态特性 这就是移动参数模型的一个基本出发点。此方法是增加如下一个代表参数方程：

在运算过程，当a处于变化过程中，代表参数h就随h和hz变化而变化

式中t为过渡时间，aa是稳态值，az（t）称为移动速度。详见参考文献【3】 各种改进的集总参数模型的比较结果如图4国家投资用省级投监利县土地整理项目第二标段施工组织设计，图5

仿真支撑软件是为电站仿真机以及各类仿真设备的研制、开发、运行而提供的一个 体化支撑环境。仿真支撑软件的出现，为仿真应用系统的开发、运行带来了极大的效益

5.1仿真支撑软件功能