动态仿真预测了不可预测造纸厂的蒸汽消耗量

早在2008年，斯道拉恩索位于比利时朗格布鲁日的造纸厂就决定安装一台新的循环流化床(CFB)锅炉和一台冷凝涡轮机。Pöyry被选为该项目的顾问，并被指派对蒸汽网络进行动态模拟的工程任务，这将在设计新装置的过程中使用。这是一个特别复杂的项目，因为工厂以前从外部供应商购买蒸汽，这是一个重大的变化，以产生和控制自己的蒸汽供应。使用动态仿真来辅助设计过程的基本思想是，控制专家参与整个工程周期，确保一旦工厂启动，控制和过程将能够处理所有预期的过程干扰，例如造纸机卷筒纸断裂和涡轮机跳闸。这种方法在Langerbrugge被证明是非常成功的，这个讨论解释了工程的过程动力学部分是如何进行的。

动态与静态模拟

尽管今天有各种各样的设计工具可用，但似乎许多发电厂的设计工作只使用静态模拟来进行，例如热平衡计算。虽然这些是有用的，但静态模拟通常假设电厂的运行条件，如蒸汽消耗，在给定的运行点是完全稳定的。然而，电厂的日常运行中充满了各种各样的扰动情况。由于动态模拟在历史上非常昂贵，因此在工程中没有对干扰进行测试。即使在今天，控制策略的许多元素也只是在调试期间通过反复试验拼凑起来的。

Pöyry在10年前开发了一个动态蒸汽网络模拟器Modysim。Modysim最重要的特点是，模型足够简单，可以进行低成本的模拟，但足够详细，可以提供准确的结果。到目前为止，Modysim已经在40多个项目中使用，并且一旦建模过程开始，它已经被证明可以在几天内产生准确的结果。

在Modysim成功应用于不同的蒸汽网络优化项目数年后，2007年Pöyry决定在电厂工程的所有阶段添加Modysim仿真，以实现整个电厂工程流程的现代化。斯道拉恩索朗格布鲁日是第一批全面使用这种新方法的公司之一。

动态仿真为过程尺寸提供了大量的输入，但特别关注电厂控制配置。在Pöyry的方法中，执行模拟测试的控制专家还监督涡轮机和锅炉控制配置，并在调试期间提供帮助，确保控制从设备启动的第一刻起就正常工作。经验表明，如果从模拟中得到的建议得到正确的遵循，蒸汽网络控制调试通常在几周内完成，而不是几个月。

处理涡轮脱扣

在新锅炉项目之前，Langerbrugge工厂的大部分工艺蒸汽是从附近的公用事业公司购买的。新锅炉安装后，通往公用事业的蒸汽管道被完全切断了。由于磨机的过程蒸汽压力是在公用设备进入磨机的地方用阀门控制的，因此整个蒸汽网络控制概念必须重新设计。

尽管新的电厂概念还在开发中，但很明显，涡轮机跳闸会给运行带来挑战。因此，斯道拉恩索非常希望看到Pöyry和moddysim模拟蒸汽网络能够在涡轮机脱扣期间检查过程尺寸和控制行为。

现有的压力控制方案是由Pöyry于2003年开发的，因此Langerbrugge的工作人员已经熟悉Pöyry构建集成控制方案并结合独立控制系统的方法。动态仿真的目的不仅是检查工艺尺寸，而且要将新的和现有的控制连接在一起。

工艺尺寸检查

动态仿真提供了一种检验工艺尺寸的方法。通常，阀门容量、执行器行程时间和蓄能器体积是通过给料过程干扰(如纸机卷筒纸断裂)到模型中来检查的。当然，在朗格布鲁日的案例中，现有的发电厂过程是无法改变的。然而，在新的CFB工厂，一个涡轮机的行程提供了很多挑战。

最初，涡轮冷凝器的旁通是从高压(高压)集箱连接的，主要是因为出于成本原因，涡轮旁通阀最初的尺寸仅适用于新冷凝涡轮的最小负荷，而不是预期的最大负荷。然而，一种更经济有效的方法是连接LP(低压)集管的旁路。问题是蒸汽网络能否以这种方式处理涡轮机跳闸。

对汽轮机旁通、凝汽器旁通和循环流化床启动阀的容量和开启次数进行了研究。

动态仿真及结果

当动态仿真模型运行时，结果是精确的动态曲线，人们可以很容易地看到所选的容量、执行器速度和组件连接是否足以使蒸汽网络在所选情况下存活。在这种情况下，选择的情况是纸机卷筒纸断裂和新的冷凝涡轮机跳闸。

模拟结果表明了几个操作事实:

• 在正常运行期间，新型冷凝式汽轮机能够在最恶劣的扰动(如网裂)中控制低压。
• 涡轮冷凝器的旁路可以连接到低压集箱而不是高压网络，从而产生更经济有效的解决方案。
• 为了使发电厂在涡轮机跳闸时能够运行，涡轮机和冷凝器旁通阀必须非常迅速地打开，启动阀必须配备快速气动执行器。
• 涡轮机控制系统需要进行一些修改才能与现有电厂配合良好。

蒸汽网络控制规范

一个关于蒸汽网络模拟的有趣事实已经从越来越多的项目中浮现出来。虽然过程本身对结果有影响，但经验表明，在曲线上看到的现象中，至少有一半，特别是扰动的大小和行为，来自于控制的配置和调整方式。因此，如果没有实现仿真过程中开发的控制配置和调优参数，无论仿真结果有多好，都是没有意义的。因此，动态模拟的最重要成果是蒸汽网络控制配置的规范，其中所有修改和决策都以蒸汽网络控制策略的形式解释。该控制策略作为所有控制配置元素的基础，例如涡轮压力控制。

分析提出了两个非常重要的控制要求:

首先，所有压力控制器应该只使用一个压力变送器。这样可以避免不同控制回路之间的测量误差，使各设备的功能集成，稳定蒸汽网络。

其次，必须修改涡轮压力控制算法。涡轮压力控制器现在使用外部压力信号，涡轮阀门的相互作用发生了变化。

工厂决定遵循这些建议，从模拟结果，并相应地改变了设计。

实现

Pöyry组建了一个由来自DCS供应商、汽轮机和锅炉制造商以及工厂人员的工程师组成的团队，他们密切合作。由于有许多控制系统需要正确地交互，因此每个人都以相同和正确的方式解释结果并实现规范是很重要的。这可以通过所有相关方之间的良好沟通来实现。

在最初的测试之后，新的回路被打开，并根据预先确定的程序一个接一个地进行调整。Pöyry还为磨机人员举办了培训课程，阐明新的蒸汽网络控制概念。控制器的初始参数由仿真器模型得到，加快了整定过程。

结果

新设备的启动很顺利。预先确定的实施顺序被执行，一步一步地，与附近公用设施的现有连接被分离，新设备被打开。在启动和微调后，蒸汽网络的行为与模拟器中一样。同样清楚的是，如果控制策略没有根据模拟结果进行修改，任何涡轮跳闸也会导致CFB和LP集箱的跳闸。

PM break: moddysim模拟结果与经过微调后的实际趋势曲线

TG行程:moddysim模拟结果与经过微调后的实际趋势曲线

斯道拉恩索从该项目中获得了许多实际收益:

• 在新电厂运行过程中可能发生的最严重的干扰类型在工程阶段的开始就已经测试过了，所以它们不需要经过艰苦的学习。
• 过程和自动化工程需求在整个电厂控制策略设计过程中得到支持。
• DCS和涡轮控制系统所需的修改是在早期阶段指定的，而不是在调试期间通过反复试验来固定它们。
• 在模拟过程中开发的蒸汽网络控制系统与最初启动时的预测一样，提供了非常好的压力稳定性，在正常运行期间保持±0.05 bar，在中断期间保持±0.1 bar。
• 蒸汽网络控制调试在短短几周内完成，而不是几个月。
• 由于压力在任何情况下都保持稳定和尽可能低，因此在运行期间涡轮机的背压发电最大。

Hans Boghaert是斯道拉恩索的能源经理。Jarno Nyman是发电厂控制顾问，Mikael Maasalo是Pöyry芬兰的高级发电厂控制顾问。

关键概念

• 过程模拟器甚至可以在新设施建造之前就对其进行表征
• 模拟结果可以建议具体的配置和设备的选择，以确保所需的操作特性

上网

•查找有关斯道拉恩索林产品的信息www.storaenso.com

•在www.poyry.com了解更多关于Pöyry的信息

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