SStora Enso公司在比利时Langerbrugge的造纸厂在2008年决定安装一套新型的循环流化床（CFB）锅炉和冷凝式涡轮机。Pöyry公司被选为项目顾问，并且负责蒸汽管网动态仿真的工程任务，在新设备安装设计中将会使用这种仿真技术。这是一项十分复杂的工程，原来的造纸厂从外部供应商处采购蒸汽，而现在需要改变为自行生产并控制蒸汽供给。在设计过程中采用动态仿真技术的理念源自控制专家在整个工程周期的参与，确保一旦工厂开始运转，所有的控制和工艺必须能够应对所有的预期过程中断，例如造纸机断纸和涡轮机跳闸。这种方法在Langerburgge工厂成功运作，本文将解释项目的工艺动态是如何实现的。
        动态和静态仿真
        虽然今天已经有了多种类型的设计工具，但是大多数发电厂的设计工作都仅仅采用静态仿真技术，例如热平衡计算。虽然这种技术是有效的，但是静态仿真技术通常假设发电厂的作业条件完全稳定在给定的作业点处，例如蒸汽消耗量。
        然而，今天的发电厂充斥着各种不同种类的异常状态，由于动态仿真的价格从始至终都非常昂贵，所以在工程中并未对这些异常状态进行测。即使在今天，控制策略的很多组件也只有在试运行的时候才被组装在一起，通过试运行查找故障。
        Pöyry公司在10年之前开发了一种动态蒸汽管网仿真器Modysim。Modysim最为重要的特性就是它足够简便，能够经济地运行仿真，同时还能够足够详细地提供精确的结果。到目前为止，Modysim已经在超过40个项目上获得了应用。一旦仿真开始进行，仅需要几天就可以得到精确的结果。
        Modysim在独立的蒸汽管网优化工程中已经成功地应用了多年。2007年，Pöyry公司决定对其发电厂工程工艺进行全面优化，在所有的发电厂工厂阶段中引入Modysim仿真技术。Stora Enso公司的Langerbrugge工厂就是使用这种新方法的首批成员。
        动态仿真技术为过程计算提供大量的输入，并且对发电厂的控制配置做特殊关注。在Pöyry公司的方法中，实施仿真测试的控制专家还需要对涡轮机和锅炉的控制配置进行监督，在调试中给与辅助帮助，确保在设备启动之初，控制工作就能够步入正轨。经验显示，如果仿真给出的建议被合理采纳，蒸汽管网控制调试就能够在几周而不是几个月内顺利完成。
        应对涡轮机跳闸
        在新锅炉项目之前CONTROL ENGINEERING China版权所有，Langerbrugge造纸厂过程蒸汽中的很大一部分是从一家临近的供应商处采购，在新型锅炉安装之后，与这家供应商之间的蒸汽管路就被完全切断了。由于造纸厂的过程蒸汽压力原来是使用一个位于供应商蒸汽管路上的阀门控制的，所以整个工厂的蒸汽管网控制概念需要重新设计。
        即使新型的发电厂概念正在开发过程中，涡轮机跳闸也很明显会对作业造成巨大的挑战。因此，Stora Enso公司对Pöyry公司的蒸汽管网Modysim仿真技术报以厚望，希望了解这种技术如何对过程计算进行核查并且在涡轮机跳闸发生时对过程行为进行控制。
        Pöyry公司于2003年开发了现有的压力控制体系，Langerbrugge工厂的员工已经对Pöyry公司将独立控制系统整合成一套控制体系的方法非常熟悉。动态仿真的目的并非仅仅为了检查过程计算，还需要能够将新型的和现有的控制体系结合在一起（图1）。

图1  LangerBrugge工厂的老BFB车间和新CFB车间。新的CFB车间具有复杂的蒸汽管网，采用了很多不同的过程器件，并通过网络互相影响。图片来源：Pöyry公司。

        过程计算核查
        动态仿真技术为过程计算的核查提供了一种方法。通常，阀门容量、执行器行程时间和存储容量都只能通过配给过程的异常状态进行核查，例如造纸机纸幅破损。Langerbrugge工厂的情况是，现有发电厂过程不能更改，然而，在新CFB工厂中，涡轮机跳闸确实带来了巨大的挑战。
        最初的涡轮机冷凝器旁路方案是连接HP（高压）头，这主要是基于成本因素考虑，涡轮机旁路阀的尺度设计只能应付新型冷凝涡轮机的最低负载情况，最大负载情况根本无法想象。然而，一种更为经济的方法是将旁路与LP（低压）头连接控制工程网版权所有，问题是蒸汽管网是否能够通过这种方法应对涡轮机跳闸。
        涡轮机旁路、涡轮机冷凝器旁路和CFB开启阀的容量和打开时间都是这一个过程中的关键因素。
        动态仿真和结果
        动态仿真模型开始运行之后，结果会以精确的动态曲线展示，可以很容易地看出所选容量、执行器速度和组件连接是否足以在所设定的情况下应对蒸汽管网的冲击。这里所说的设定情况就是造纸机断纸和新型冷凝涡轮机跳闸（图2）。

图2  Langerbrugge 造纸厂的Modysim局部模型。

        仿真结果揭示了一些可用的事实：
        ■ 在正常作业条件下，新型冷凝涡轮机能够在最坏的情况下控制低压，例如发生断纸时。
        ■ 涡轮机冷凝器的旁路能够与低压头连接控制工程网版权所有，而无需与高压网络连接，这是一种更为经济的方案。
        ■ 发电厂要想应对涡轮机跳闸，涡轮机和冷凝器旁路阀必须能够非常快速地打开，开启阀必须配有一套快速启动执行器。
        ■ 涡轮机控制系统需要做一些调整才能够有效控制现有发电厂（图3）。

图3 一些涡轮机跳闸时的Modysim仿真曲线，一些没有快速HP爆裂，一些发生了爆裂。

        蒸汽管网控制规范
        由于项目的数量正在逐渐增加，我们看到了关于蒸汽管网仿真的一个有趣的现象www.cechina.cn，每一个过程本身都对应着一个结果。经验表明，至少有一半的曲线现象，特别是扰动的幅度和行为，源于控制的配置和调整方法。因此，不管仿真结果多么完美，如果不将仿真中得到的控制配置和调整参数付诸实践，那么一切都是空谈。动态仿真技术带来的最重要的帮助就是对蒸汽管网控制配置的详细说明，所有的变更和决定都以蒸汽管网控制策略的形式进行解释。这种控制策略是所有控制配置的基础，例如涡轮机压力控制。
        分析对控制提出了两项非常重要的要求：
        首先，所有的压力控制器应该使用一种压力变送器，避免不同控制循环之间的控制误差，将所有单台设备的功能整合在一起www.cechina.cn，使蒸汽管网趋于稳定。
        其次，涡轮机压力控制算法必须进行更改，涡轮机压力控制器现在使用了外部压力信号，并改变了涡轮机阀门的联动。
        造纸厂决定采纳这些仿真结果给出的建议，设计也做出了相应改变。
        实施
        Pöyry公司组建了一组团队，包括DCS供应商的工程师、涡轮机和锅炉供应商的工程师和造纸厂员工，这些人密切合作。由于有很多控制系统需要交互配合，所以所有人都必须理解仿真的结果，并且以同样正确的方式将规划书的内容付诸实践。与各方之间之间构建良好的沟通渠道可以解决这个问题。图4所示为实施时间表。
        在最初测试之后，新循环启动，并且根据预先制定的流程一个一个地调整。Pöyry公司还对造纸厂员工进行培训，阐明新型蒸汽管网的控制概念。控制器的初始参数来自于仿真器模型，从而加速了调整过程。

图5  PM跳闸：Modysim仿真结果和微调之后的实际曲线的对比。

图6  TG跳闸：Modysim仿真结果和微调之后的实际曲线的对比。

        结果
        新设备的启动过程非常顺利。按照预先确定的实施顺序，一步一步地执行，与附近供应商的连接受限被隔离，然后新设备开启。在开启和微调之后，蒸汽管网行为和仿真器的结果完全一致，还可以很清楚的看出控制策略是否已经根据仿真结果进行了更改，任何涡轮机跳闸也会导致CFB和LP头的跳闸。图5和图6将仿真结果和实际的曲线进行了对比，Stora Enso公司从这个项目中有一些实际的收获：
        ■ 新发电厂可能发生的最坏情况已经在施工阶段进行了测试，无需担心。
        ■ 过程和自动化施工需求在发电厂控制策略的全部设计过程中获得支持。
        ■ DCS和涡轮机控制系统所需的变更在早期就得到了落实，无需再测试和试运行过程中对误差进行修补。
        ■ 通过仿真过程开发蒸汽管网控制系统从启动之初就按照预期作业，提供了非常良好的压力稳定度，在正常作业时的波动为±0.05 barCONTROL ENGINEERING China版权所有，异常情况时的波动为±0.1 bar。
        ■ 蒸汽管网控制试运行在几周内就得以完成，而不是几个月。
        ■ 涡轮机的背压发电量最大化，因为压力能够维持稳定而且能够在所有情况下都尽可能地维持较低水平。