挑战
作者：Teruako Ito、Toshitako Higashikoba、Satoshi Iwami（德岛大学）、Masato Tamura 和 Akira Takami（IHI 公司）
在 2018 年冬季模拟大会上发表
东北太平洋地震后，日本核电站数量减少，火力发电厂的作用变得越来越重要。在能源安全方面，可再生能源供应有望成为一种替代能源，但很难非常稳定地确保能源安全。因此，为了应对电力供应和/或需求的波动，对火力发电的意外需求时有发生。在这种情况下，配备燃煤锅炉的火力发电厂的使用正朝着更加动态和复杂的运行方式转变。本研究使用两种模拟模型来阐明这种运行方式，即燃煤锅炉的流体模拟模型和火力发电厂的过程模拟模型。本文展示了这两种建模方法，并讨论了本研究中实施的模型的可行性，从而提出了基于仿真的适应性电厂运行解决方案。
引言
2011 年发生东日本大地震后，日本对所有核电站进行了全面检查，运行中的核电站数量大幅减少。迄今为止，火力发电厂基本上一直在日本的电力供应中发挥着重要作用，但地震后对火力发电厂的需求越来越大。从能源安全的角度来看，太阳能发电和小水电等可再生能源作为日本电力供应的替代能源备受关注。由于难以确保此类可再生能源的稳定供应，为了应对电力供应和/或需求的波动，意外需求不定期地发生在火力发电上。在这种情况下，装有燃煤锅炉的火力发电厂的使用正朝着更加动态和复杂的运行方式转变，通过使用风门微调来确定各种流入量，从而控制适当的水和蒸汽流量平衡，以优化发电。发电厂基本实现了自动化运行，但其微调和关键运行控制仍由人类专家管理，这意味着在许多情况下，发电厂运行的内部程序仍不明确。本研究采用了两种仿真模型，即燃煤锅炉流体仿真模型和火力发电厂过程仿真模型，以帮助澄清运行情况。本文展示了使用这两种模型的方法，并讨论了本研究中实施的模型的可行性。
解决方案
使用燃煤锅炉流体模拟模型审查设计参数
本研究的第一种方法基于燃煤锅炉的流体模拟模型（CFD），燃煤锅炉由第 1/2 次省煤器、第 1/2 次/第 3/4 次过热器、第 1/2 次再热器、蒸汽分离器、炉墙管、炉顶管等多个部件组成。通过模拟各组件中管道的流量平衡，计算出模型中流体的流速。以第四个超级加热器组件为重点，在各种条件下进行了流体动力学模拟。结果发现，压力损失是由每个管子的流速变化引起的。因此，通过在每个管子的入口处插入一个孔来调节流速的均匀性。结果，插入孔口的管道组合实现了流量平衡。
利用火力发电厂过程模拟模型审查运行参数
本研究的第二种方法基于基本火力发电厂的过程模拟模型（PSM）（Joines 和 Roberts，2015 年；Kelton 等人，1998 年；Smith 等人，2015 年），该模型由作为输入实体的空气、水和燃料的流动过程以及作为输出实体的电力组成。火力发电厂的运行使用运行参数的数值，如燃料/空气/流体的流入参数、调节空气流入的风门开度、每个设备的处理时间以及发电厂的输出功率。本研究使用这些参数建立了一个过程模型，根据从运行中的发电厂收集的数据模拟发电厂的运行。为了验证模型，我们使用一系列参数组合进行了模拟实验，包括磨煤机、燃烧器、熔炉、再热器和涡轮机的处理时间。利用模型中空气和燃料流入参数的变化，计算并审查了发电效率，以研究发电厂模型的性能。因此，火力发电厂的工艺模型可以作为一个工作台，从差异的角度研究运行参数。
商业影响
结束语
由于日本电力供应比例的变化，配备大型锅炉的火力发电厂的使用已转向更加动态和复杂的运行方式。仅靠火力发电厂的自动运行，很难应对需求的突然变化以及发电效率的巨大损失。本文阐述了火力发电厂周围不断变化的环境，并提出了两种基于仿真的方法来解决火力发电厂的动态运行问题。对于燃煤锅炉复杂管道中的流体流动动力学，模拟了不平衡流动的可视化，这在现实世界中的物理锅炉中是不可能实现的。至于火力发电厂的入口/出口流动行为，则以面向过程的方式模拟了流动行为的可视化，这在现实世界中的物理发电厂中也是不可能实现的。尽管本研究中实施的这些模型仍处于初步实施阶段，但研究结果表明了基于仿真的方法的可行性，它是挑战动态电厂运行问题的一个新方向，以应对电力供应和/或需求的不可预测性，并提出了基于仿真的解决方案来处理适应性强的电厂运行问题。
参考文献
Joines J. A., and S. D. Roberts.2015.Simulation Modeling with SIMIO: A Workbook, SIMIO LLC, PA, USA.
Kelton W.D., R. P. Sadowski, and D. T. Strurrock.1998.Simulation with Arena.WCB McGraw-Hill, Boston, MA, USA.
Smith S. S., D. T. Sturrock, and D. W. Kelton.2015.Simio and Simulation：建模、分析、应用》。Simio LLC, PA, USA.