1．概述

    仿真是以工業(yè)或社會、自然界的客觀事物為對象，通過數(shù)學(xué)模型研究它們的內(nèi)在規(guī)律，顯現(xiàn)、預(yù)測它們的運動現(xiàn)象，用以分析、掌握、利用好這些事物。系統(tǒng)仿真學(xué)目前已經(jīng)發(fā)展成為以建模理論、數(shù)值分析、辨識和評估理論為基本理論，以計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理、自動控制及系統(tǒng)工程等相關(guān)技術(shù)為支撐的綜合性交叉學(xué)科。作為一個新興的科學(xué)分支，仿真技術(shù)近些年來在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展，特別在軍事、電力、化工、冶金領(lǐng)域更得到廣泛應(yīng)用。

    濟南鋼鐵股份有限公司能源管理控制中心（EMCC，Energy Management & Control Center）的煤氣管控系統(tǒng)采用離線仿真技術(shù)，針對全廠煤氣建成離線仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)將作為濟鋼整個煤氣系統(tǒng)的分析研究平臺，為優(yōu)化運行、事故分析、技術(shù)改進和設(shè)計驗證提供試驗“軟”環(huán)境，并為下一階段的“仿真、控制、信息”三位一體的在線仿真和在線決策控制整體解決方案作技術(shù)準(zhǔn)備，以期最終達到節(jié)能降耗，優(yōu)化資源利用，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本的目的。

2．煤氣離線仿真系統(tǒng)可研究的內(nèi)容

    2.1進行煤氣平衡計算

    根據(jù)煤氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以實時計算出整個煤氣管網(wǎng)的煤氣平衡狀況，每一時間煤氣系統(tǒng)的節(jié)點壓力和溫度、管道質(zhì)量和流量、氣柜儲量、閥門開度、風(fēng)機運行狀態(tài)、放散量、泄漏量、報警信息等都可以在滿足質(zhì)量守恒和能量守恒原理的基礎(chǔ)上逼真地反映系統(tǒng)的變化。

    2.2優(yōu)化全廠煤氣系統(tǒng)的產(chǎn)出量與使用量

    由于煤氣系統(tǒng)的產(chǎn)出量是不斷變化的，在一定的產(chǎn)出量下如何分配煤氣的使用量，達到一個合理經(jīng)濟的平衡是一個需要研究的課題。一個優(yōu)化的分配方案可以通過在仿真系統(tǒng)中進行控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)研究而得到。該系統(tǒng)除了滿足煤氣零放散、保證用戶熱值等要求外，還能自動尋優(yōu)，根據(jù)當(dāng)前的工況修正參數(shù)設(shè)定值和輸出指令，以適應(yīng)各種不同的工況變化，保持穩(wěn)定運行，使煤氣系統(tǒng)達到最佳的經(jīng)濟運行狀態(tài)。

    同時，針對一定的生產(chǎn)計劃，如何安排和調(diào)度全廠煤氣系統(tǒng)的生產(chǎn)，使產(chǎn)出與使用處于對應(yīng)的最優(yōu)經(jīng)濟平衡點，為宏觀調(diào)控提供決策參考，也可以在該仿真系統(tǒng)中進行研究的。

    2.3研究煤氣零放散的解決方案及混合煤氣的最佳配比

    通過綜合某一工況或某一時刻下各路煤氣的運行特性數(shù)據(jù)，輸入仿真系統(tǒng)，經(jīng)過計算求出可供輸出的煤氣壓力和產(chǎn)出量，并且根據(jù)需求量的動態(tài)變化，結(jié)合不同用戶對煤氣熱值的不同需要，研究混合煤氣的最佳配比以及氣柜儲存量的變化特點，進行煤氣零放散的解決方案的研究。

    2.4對煤氣管網(wǎng)的設(shè)計和改造提供試驗研究平臺

    隨著濟鋼技術(shù)的進步和鋼鐵產(chǎn)量的提高，以及煤氣管道和設(shè)備日積月累的銹蝕、老化，煤氣管網(wǎng)面臨不斷擴充和改造的需要。仿真系統(tǒng)能作為煤氣管網(wǎng)的試驗研究平臺，對管網(wǎng)的設(shè)計方案和改造方案進行驗證和預(yù)測，以經(jīng)濟和安全的手段為獲得最佳的設(shè)計和改造方案提供科學(xué)的依據(jù)。

    2.5研究煤氣系統(tǒng)控制自動化的方案

    在煤氣系統(tǒng)的實際運行中，在對象特性不斷變化的情況下，如果采用一套固定的控制策略控制效果往往不好，甚至不能實現(xiàn)自動控制。在該仿真系統(tǒng)上進行煤氣系統(tǒng)控制自動化方案的研究是可行的，可信的：
首先，從理論來說，通過對機理數(shù)學(xué)模型的求解，采用多種算法的綜合模式尋優(yōu)，可以建立不同控制模式下的準(zhǔn)確的控制傳遞函數(shù)，避開強耦合的多變量之間的相互影響，使得控制回路響應(yīng)以及被調(diào)量都能快速地到達穩(wěn)定區(qū)間。
其次，隨運行時間增長和歷史數(shù)據(jù)的積累，仿真系統(tǒng)對系統(tǒng)特性的反映更準(zhǔn)確，可以計算出大量無法測量的內(nèi)部參數(shù)。在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和仿真實時數(shù)據(jù)的支持下，可以對預(yù)制的多種控制方案進行試驗和優(yōu)選
再次，在仿真系統(tǒng)上可以進行控制組態(tài)參數(shù)的優(yōu)化和整定。

    2.6通過對煤氣流動的計算實現(xiàn)煤氣系統(tǒng)運行狀況的預(yù)測

    通過對煤氣產(chǎn)出量和使用量的分析，同時對全系統(tǒng)管網(wǎng)煤氣流動進行計算，可以做出各煤氣分系統(tǒng)的供求趨勢和煤氣柜儲備狀態(tài)的短、中期預(yù)測，以便及時采取應(yīng)對措施，防患于未然。

    2.7驗證煤氣系統(tǒng)操作規(guī)程

    離線仿真系統(tǒng)的研制充分考慮到了現(xiàn)場煤氣系統(tǒng)的操作特點，對操作規(guī)程或事故處理規(guī)程涉及到的操作步驟予以仿真，從而可將仿真系統(tǒng)用于規(guī)程制定和修改的驗證。對于事故處理，可在系統(tǒng)中反復(fù)做操作試驗，確定最佳處理方法，落實處理規(guī)范。

    2.8進行煤氣系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價

    仿真系統(tǒng)根據(jù)實際煤氣系統(tǒng)的運行特點，制定了煤氣系統(tǒng)運行情況的評價指標(biāo)或經(jīng)濟性算法，用于煤氣系統(tǒng)的經(jīng)濟性能分析和節(jié)能降耗效果的評價，同時可作為仿真系統(tǒng)評價和衡量某種實施方案優(yōu)劣的考核依據(jù)。

    2.9進行煤氣系統(tǒng)的故障仿真

    煤氣離線仿真系統(tǒng)運行過程中可以插入一個或多個互不沖突的的故障，模擬現(xiàn)場可能發(fā)生的故障現(xiàn)象，用于對故障插入時系統(tǒng)變化情況的分析研究。

3．煤氣離線仿真系統(tǒng)設(shè)計要點

    3.1建立煤氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

    利用計算機對客觀事物進行仿真首先需要建立這些仿真對象的數(shù)學(xué)模型，對象數(shù)學(xué)模型的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真結(jié)果的正確性。數(shù)學(xué)模型是對仿真對象和其運行狀態(tài)的抽象描述，其本質(zhì)是一組數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系，可以產(chǎn)生與真實系統(tǒng)相應(yīng)的行為數(shù)據(jù)。針對煤氣管網(wǎng)，系統(tǒng)采用圖形化建模軟件ADMIRE-F來完成整個管網(wǎng)的自動建模。

    3.2分析煤氣系統(tǒng)流網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

    煤氣管網(wǎng)建模的首要問題之一是如何對節(jié)點和支路進行計算機編號以有效、簡便地反映它們的拓撲結(jié)構(gòu)，求得各節(jié)點間的連接關(guān)系，并以此為依據(jù)修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)計算提供實時的結(jié)構(gòu)信息。通過拓撲分析，可以獲得整個系統(tǒng)所分的子系統(tǒng)數(shù)，每個節(jié)點所屬何子系統(tǒng)，最終確定流網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)矩陣。

    在實時的拓撲計算中，采用廣度優(yōu)先搜索算法遍歷煤氣流網(wǎng)的各節(jié)點。廣度優(yōu)先搜索的過程就是從起始點出發(fā)，由近及遠，依層訪問與起始點有路徑相通的節(jié)點，從而可以集結(jié)出子系統(tǒng)數(shù)和節(jié)點所屬子系統(tǒng)。以圖3.1為例，廣度優(yōu)先搜索法的具體搜索過程為：

    從V1出發(fā)，遍歷其所有鄰邊，找出第一層未訪問的頂點(V2，V5，V7)；然后依次從第一層節(jié)點出發(fā)，遍歷它們各自的相鄰頂點，找到第二層未訪問過的頂點(V3，V6，V8)；從第三層頂點出發(fā)，已沒有新的未曾訪問過的相鄰頂點，至此，圖中與起始點V1相連通的頂點均已被訪問過，一個節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)已形成。如網(wǎng)絡(luò)中尚有其它未被訪問過的頂點，則從其中之一出發(fā)又可形成另一個節(jié)點或子系統(tǒng)。

圖3.1  煤氣管網(wǎng)搜索路徑示意圖

    3.3設(shè)計圖形用戶界面

    本系統(tǒng)作為分析研究型的仿真開發(fā)項目，結(jié)合分析研究型仿真系統(tǒng)的功能和使用特點開發(fā)、形成自己的圖形用戶界面。

    3.4制定和輸出運行報表

    煤氣系統(tǒng)的分析研究結(jié)果、報警事件及實時參數(shù)報表等將記錄下來，并將以中文報表的形式在屏幕上顯示，輸出到打印機上打印。打印記錄分為定時打印記錄、事故故障打印記錄、操作打印記錄及召喚打印記錄等工作方式。

4．煤氣離線仿真系統(tǒng)實現(xiàn)方案

    4.1系統(tǒng)的劃分

    煤氣離線仿真系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。

    在煤氣仿真模型軟件的開發(fā)過程中，需要對各個分系統(tǒng)進行模塊化編程，因此根據(jù)濟鋼煤氣系統(tǒng)的工藝特點及各系統(tǒng)間的相對獨立性，將整個系統(tǒng)劃分為如下四個仿真分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)間有相互接口點：焦?fàn)t煤氣分系統(tǒng)（代碼CG）、高爐煤氣分系統(tǒng)（代碼BG）、轉(zhuǎn)爐煤氣分系統(tǒng)（代碼LG）、混合煤氣分系統(tǒng)（代碼MG）。

    4.2系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

    煤氣離線仿真模型軟件用FORTRAN77編制，全部采用TOP-DOWN模塊化結(jié)構(gòu)，從上到下分為主模塊(Main Module)、功能模塊(Subroutine Module)和函數(shù)模塊(Function Module)三類，各模塊可以隨時獨立加入或移出仿真實時運行環(huán)境。這種結(jié)構(gòu)的程序便于編程、調(diào)試、管理和維護，是大型仿真系統(tǒng)所必須的。其結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。

     4.3.2管網(wǎng)自動建模原理

    (1)煤氣風(fēng)機模型

    在煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)機是壓力源。風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、揚程、流量之間的特性關(guān)系用下式描述： 上式中：P是風(fēng)機的揚程、N 是風(fēng)機轉(zhuǎn)速（0-1）、F 是風(fēng)機出口流量、a₀、a₁、a₂ 是風(fēng)機的特性常數(shù)，采用最小二乘法擬合得到。

    對流量F而言，上式可寫成如下的一元二次方程：

     

    令有：
   

    為了方便進行矩陣運算，利用了的上次程序循環(huán)計算值進行F的線性化。
   
    (2)煤氣管道的流量模型

    根據(jù)流體力學(xué)理論，管道中的流體處于單相定態(tài)流動時，有機械能衡算式成立：
   
式中，g為重力加速度，為流道上下游的高差，u為流速，v為流體的比容，p₁、p₂ 為上下游的壓力，W_i為流體從泵或風(fēng)機所獲得的外功，W₀為流體的能量損失。上式對可壓縮流體和不可壓縮流體均可適用，差別在于項和W₀項。

    對于不可壓縮流體，根據(jù)機械能衡算式，可推導(dǎo)出煤氣管道中的流量F與壓差的線性關(guān)系式：
 
   
    對于煤氣等可壓縮流體，用引入可壓縮比K_c(0－1)的方法對上述流量算法進行修正。

    (3)煤氣節(jié)點質(zhì)量守恒及壓力模型

    對于不可壓縮流體，每一個壓力點的進出流量相等，即： 
在已知上游壓力P₁ 和流量F時，用下式來計算不可壓縮流體的下游壓力P₂ ：
   
    對于煤氣等可壓縮流體，其壓力計算與不可壓縮流體不一樣，其壓力響應(yīng)與節(jié)點積累的質(zhì)量和節(jié)點溫度直接相關(guān)，具有明顯的慣性。

    對于同一種煤氣介質(zhì)，節(jié)點壓力可用氣體狀態(tài)方程的形式來表示： 
 
    M是節(jié)點積累的煤氣質(zhì)量，K_r是氣體常數(shù)，T是節(jié)點溫度，V是節(jié)點的容積。在溫度變化不大的情況下，單一煤氣的氣體特性近似為理想氣體，K_r可取理想氣體常數(shù)值R，在介質(zhì)成份或溫度明顯變化的情況下，通過對K_r進行修正來適應(yīng)煤氣狀況的變化。

    節(jié)點的煤氣質(zhì)量M的計算式為： 

    離散化后為： 
    M_i是上一次程序循環(huán)的節(jié)點煤氣質(zhì)量，是計算步長，F(xiàn)_i是流入的煤氣流量，F(xiàn)₀是流出的煤氣流量。

    (4)煤氣節(jié)點的溫度計算

    煤氣節(jié)點的溫度計算基于控制體的能量平衡。煤氣能量平衡的基本方程表示為：
能量的改變率 = 流進能量的變化率 － 流出能量的變化率 
     

    上式中，H是節(jié)點總焓，H_i是上一次程序循環(huán)的節(jié)點總焓，H_i是流入節(jié)點的煤氣總焓，H₀是流出節(jié)點的煤氣總焓，Q是外部傳入節(jié)點的熱量，K_i是節(jié)點的熱損失系數(shù)，T是節(jié)點的溫度，T_amb是環(huán)境溫度。

    煤氣節(jié)點溫度 的計算式為：                                         

    上式中，T₀是煤氣的基準(zhǔn)溫度，H₀是煤氣的基準(zhǔn)焓，C_p是煤氣的熱容。

    (5)煤氣管網(wǎng)的矩陣形式

    集合煤氣系統(tǒng)各節(jié)點、各流道的流量、壓力、質(zhì)量、能量方程，得到一個大型的聯(lián)立方程組，該方程組可寫成矩陣的形式。

    對于m個壓力節(jié)點、n條流道，形成一個（m, n）矩陣，其矩陣方程為：
   
    [A]*[X]=[C]

上式中：[A]是系數(shù)矩陣（關(guān)聯(lián)矩陣）、[X]是未知量P、F構(gòu)成的矩陣、[C]是已知值的常數(shù)矩陣。
采用快速稀疏矩陣解法（The Fast Sparse Matrix Solution）來求解此矩陣方程。

    (6)單相熱交換器計算模型

    單相熱交換器用傅里葉(Fourier)公式計算傳熱： 

    上式中，Q為傳熱量，K_1l為傳熱系數(shù)，A為總傳熱面積，T為熱交換器進出口的對數(shù)平均溫差。
 
    上式中，t₁為進口端溫差，t₂為出口端溫差

    傳熱系數(shù)可由下式確定：

    上式中，R為總熱阻，R_t為管子金屬導(dǎo)熱熱阻，R_i為內(nèi)壁液膜熱阻，R₀為外壁液膜熱阻，R_fi為內(nèi)表面垢層熱阻，R_f0為外表面垢層熱阻。在仿真計算中，常常根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)來反推回歸得到這些熱阻常數(shù)值。

    殼側(cè)出口溫度計算式如下：

   

    上式中，M_s為殼側(cè)流體質(zhì)量，T_s,i為殼側(cè)進口溫度，T_s為殼側(cè)溫度，T_T,i為管側(cè)進口溫度，T_amb為環(huán)境溫度， F_s,i為殼側(cè)進口流量，F(xiàn)_S,0為殼側(cè)出口流量，F(xiàn)_ik為管側(cè)向殼側(cè)泄漏量，Q為管側(cè)向殼側(cè)傳熱，C_P,S為殼側(cè)流體熱容，C_P,T為管側(cè)流體熱容，K_ioS為殼側(cè)向環(huán)境散熱。

    管側(cè)出口溫度計算式如下：
    上式中，M_T為管側(cè)總質(zhì)量，T_T為管側(cè)溫度，F(xiàn)_T,i為管側(cè)進口流量，F(xiàn)_T,0為管側(cè)出口流量。

    4.3.3煤氣控制邏輯仿真的實現(xiàn)方法

    對煤氣系統(tǒng)管網(wǎng)的控制邏輯仿真主要采用ADMIRE-L圖形化建模工具來實現(xiàn)。ADMIRE-L采用圖形組態(tài)的方法繪制煤氣系統(tǒng)的控制邏輯圖，能夠自動生成程序，全圖形化調(diào)試、修改，其具體用法與ADMIRE-F基本一致。

    4.3.4產(chǎn)氣和耗氣模型的建立

    對于仿真范圍內(nèi)的各氣源點和用氣點設(shè)備，不做全物理的機理模型，而是采用回歸的方式建立產(chǎn)氣模型和耗氣模型，即在反映有關(guān)設(shè)備如高爐、加熱爐等運行特點的基礎(chǔ)上，基于冶金工程理論，結(jié)合大量的實際運行數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗參數(shù)模型。在缺乏實際運行數(shù)據(jù)的情況下，采用簡化的方法處理，或作為外部參數(shù)在仿真控制站中設(shè)置。
下面給出的是各煤氣產(chǎn)氣的常用設(shè)計算式，作為仿真模型設(shè)計的一種方法。

    (1)高爐煤氣

    高爐煤氣產(chǎn)氣量的一般計算式為： 

    上式中，S_g是高爐產(chǎn)氣量（m3/h）、c是焦比（噸焦/噸鐵）、k是高爐利用系數(shù)（噸鐵/m3*日）、v是高爐的有效容積（m3）、B_t是焦炭的高爐煤氣產(chǎn)率（m3/噸）。

    高爐煤氣的熱值H_g（kcal/m3）按下式計算：

   
 
    (2)焦?fàn)t煤氣

    焦?fàn)t煤氣產(chǎn)氣量的一般計算式為：
    上式中，S_j是焦?fàn)t產(chǎn)氣量（m3/h）、n_Z是焦?fàn)t座數(shù)、n_k是每座焦?fàn)t孔數(shù)、G_m是每孔裝入的干煤量（噸/孔）、 B_j是每噸干煤的焦?fàn)t煤氣產(chǎn)率（m3/噸煤）、是結(jié)焦時間（h）。

   


    (3)轉(zhuǎn)爐煤氣

    轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)氣量的一般計算式為： 

    上式中，S_z是轉(zhuǎn)爐產(chǎn)氣量（m3/h）、G_g是轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量（噸/h）、B_z是轉(zhuǎn)爐煤氣的實際回收量（m3/噸鋼）C、 是轉(zhuǎn)爐煤氣回收率（％）。

    轉(zhuǎn)爐煤氣的熱值H_z（kcal/m3）按下式計算：
上式中，CO、H₂是轉(zhuǎn)爐煤氣中各成分的體積百分?jǐn)?shù)。

    4.4系統(tǒng)的軟件組成

    煤氣離線仿真系統(tǒng)的軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件UNIX IRIX6.5和Windows XP、離線仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型軟件、“科英”支撐平臺軟件、ADMIRE-F流網(wǎng)圖形化建模工具軟件、VODDT繪圖工具軟件、煤氣仿真操作站軟件、煤氣仿真控制站軟件。

    煤氣離線仿真系統(tǒng)的軟件構(gòu)成關(guān)系如圖4.3所示。

    4.5系統(tǒng)的硬件組成

    離線仿真系統(tǒng)的硬件配置包括：仿真主服務(wù)器、SAN結(jié)構(gòu)磁盤陣列、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、中心主交換機、光交換機、防火墻、仿真工作站、顯示器、打印機等。

5．小結(jié)

    濟鋼煤氣管控系統(tǒng)采用離線仿真技術(shù)，實現(xiàn)煤氣（焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、混合煤氣）統(tǒng)一調(diào)控，監(jiān)視煤氣產(chǎn)用狀態(tài)，達到煤氣供需動態(tài)平衡，減少甚至消除放散，降低產(chǎn)品能耗和成本，優(yōu)化資源利用，同時為下一步在線仿真系統(tǒng)的研制打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的成功運行，提升了濟鋼的生產(chǎn)管理水平及資源的集成能力，促成濟鋼能源的高效利用和循環(huán)經(jīng)濟企業(yè)運行模式的建立，取得良好的社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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    [3] 崔小剛，龔捷，陳鷹．流體動力系統(tǒng)的圖形建模方法．機電工程．2003(7)

    [4] 晏水平，張燕平，張東偉．流體網(wǎng)絡(luò)仿真程序的自動生成．計算機應(yīng)用．2001(5)：82-83

作者簡介：

    李靜嚴(yán)，男，滿族，大學(xué)本科，畢業(yè)于青島理工大學(xué);工作單位：濟南鋼鐵集團總公司自動化部自動化所