模拟合并单元

模拟合并单元（共4篇）

模拟合并单元 篇1

摘要：分析了模拟合并单元的采样值映射模型和实现方法,利用同步采样技术,将传统PTCT的模拟交流信号构建成符合IEC60044-7/8和IEC61850-9-1标准的采样值映射,从而在传统变电站的基础上直接奠定IEC61850标准的数据基础。提出并验证了模拟合并单元的测试方案。该模拟合并单元已在数个110kV变电站数字化工程中得到了应用。

关键词：模拟合并单元,IEC61850-9-1,IEC60044-7/8,同步采样,数字化变电站

0 引言

数字化变电站是变电站自动化技术的未来发展方向。目前,实现传统变电站自动化系统向满足IEC61850架构的变电站自动化系统方案有两种过渡方案,一种是只在变电站层和间隔层采用IEC61850语义,采用协议转换的模式和传统变电站自动化装置接口,即从变电站自动化系统的上端开始实现IEC61850模式;另一种是直接从过程层开始研发满足IEC61850标准的过程层设备,奠定IEC61850标准的数据基础,然后推动在IEC61850架构下变电站层和间隔层的各项功能应用。本文研究开发过程层的主要核心设备:合并器单元

近年来,电子式互感器的研究开发已取得了一定的成果,国内也有一些公司研制的电子式互感器已挂网运行,但电子式互感器能大规模应用在变电站内的各种条件尚未成熟。特别是在110 k V变电站,传统的互感器有着不可替代的性价比。针对这一情况,本文研制的模拟合并单元(AMU)主要面向传统的PTCT,将传统PTCT的电压电流量进行同步采样,按照IEC61850标准构建采样值模型和映射,并向二次保护控制单元上送同步采样值,奠定IEC61850标准下的数据基础,以此来推动IEC61850架构下的各种功能应用。

本模拟合并单元结构小型化,可直接下放安装在开关小室,利用光纤以太网向二次保护控制单元传输数字化的采样值,使变电站二次接线概念彻底改观。MU的使用将简化施工现场的电缆连接,减少占地面积,具有较大的工程价值。

1 模拟合并单元的定义

合并单元的定义在IEC60044-7/8中首次给出,其主要功能是同步采集多路电流、电压信息并按标准要求的格式组帧发送给二次保护、测控设备。IEC60044-7/8规定数据集名称(Data Set Name)只能为01H和FEH。当Data Set Name=01H时为通用用途的数据通道布局。我们定义模拟合并单元的标准输入仍为7I5U,分别为3相测量电流、3相保护电路、1相零序电流、3相线路电压、1相零序电压、1相母线电压。

为满足特定的用途,Data Set Name=FE H允许制造厂自由分配各信号源的数据通道。制造厂必须提供特殊数据通道布局(各数据通道的数值、参考值和标度因子)的信息,以便正确配置二次设备。

IEC61850-9-1所定义的合并单元很大程度上参考了IEC60044-7/8的定义,增加了以太网传输模式以及状态量的数据集:Data Set Name=02 H。通用数据集Data Set Name=01 H的定义雷同IEC60044-7/8的定义,但对IEC60044-7/8所规定的特殊数据集Data Set Name=FE H未做定义。

2 设计要求

IEC61850架构下的变电站自动化系统在逻辑上分为三层,分别称为“过程层”、“间隔层”和“站控层”,各层次内部及层次之间采用高速网络通讯。合并单元的开发属于过程层设备的开发,是新型架构下变电站自动化系统建设的基础和前提。我们设计合并单元要求具有以下的功能:(1)电力运行实时的电气量检测,包括电压、电流信号和开关量状态信号;(2)运行设备的状态参数检测,包括设备的属性信息和初始化状态信息模型。

合并器单元主要靠近一次设备安装,实现一次设备电压电流和开关信号的数据同步采集、传输以及控制命令的执行,包括光CT/PT输出的代表电流电压的光信号、常规PT/CT输出的常规模拟信号、相应间隔和其关联部分的状态信号采集、智能设备数据通信等。为了不同的合并器尽可能地实现同步数据采集,合并器还将由GPS时钟信号源产生的同步信号来实现数据同步采样,并按照IEC61850的数据建模和数据通信要求,实现数据信号的标准交互,从而达到不同应用数据需求在过程层实现数据的共享,合并器单元设备的开发需要计及未来SCADA系统、故障分析系统和未来实时控制系统的应用需要。

3 模拟合并单元装置的总体结构

图1为合并器单元的功能接口示意图。MU-GPS授时单元通过光纤或RS485将1PPS和时标信号送入合并器单元的GPS模块进行时钟同步,大部分情况下,当地的变电站、发电厂只需要一台GPS授时单元给所有的MU提供同步时钟即可。同步数据采样模块(DSP板)有一个高速DSP芯片,由GPS模块进行时钟同步。传统的CT/PT信号、OCVT的模拟输入量全部由DSP板负责处理,DSP板上集成有高速以太网芯片,直接在链路层以IEC61850-9-1格式将采样值单向传送到二次保护控制单元。CPU通讯模件采用32位CPU,含实时操作系统,含有2个光纤以太网通讯接口。

根据工程要求,我们设计的合并单元为1/3 6U机箱,结构紧凑小型化,如图2所示。采用背插式结构,插件从装置的背后插拔,带有插座的底板位于机箱的前部。装置面板包括全汉化大屏幕液晶、工作指示灯、键盘等,安装于底板的前部。

装置的组成有以下几部分:主电源插件(PWR)、交流量插件(AD)、GPS对时插件(GPS)、同步数据采样插件(DSP)、通讯网板插件(CPU)、液晶键盘面板以及背板。各插件的位置如图2所示。

其中交流量插件(AD)有AC和ACS两种,其中AC为传统PT、CT板;ACS为接光电互感器模拟小信号板,可完成与光PTCT的小信号接口。输入通道均为12路模拟交流量输入(7I+5U)。

其它各插件的具体功能这里不再详述。

4 模拟合并单元的采样值映射模型

4.1 模拟合并单元标度因子

根据IEC60044-7/8标准,当电子互感器的一次输入为额定值时,其额定二次输出的标准方均根值如表1所示。当rang-flag=1时,保护用ECT的范围由25倍额定电流变为50倍额定电流。

本文研发的合并单元主要基于传统的PTCT,因此不能完全套用IEC60044-7/8的标准。根据实际应用,我们制定的标度因子如表2所示。

4.2 模拟合并单元的映射实现

IEC61850标准对合并单元的采样值传输服务功能划分了两种不同的映射方法,即IEC61850-9-1和IEC61850-9-2部分。IEC61850-9-1在很大程度上遵循了IEC60044-7/8,输入交流通道为12路,数据帧格式固定,采用点对点或一点对多点的单向通讯方式,此外还增加了反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息,通讯采用以太网的链路层底层协议完成。

IEC61850-9-2除了支持直接映射到数据链路层的“Send MSVMessage”服务外,还支持向MMS的映射,可以重新配置输入通道数、采样频率等参数,支持对数据集的更改和对数据对象的直接访问,可灵活配置帧格式。由于IEC61850-9-2涉及到较为复杂的MMS协议,同时对通讯网络性能有很高的要求,目前有一定的实现难度。本文主要采用IEC61850-9-1,待技术成熟后可过渡到IEC61850-9-2。

IEC61850-9-1通过特殊通信服务映射(SCSM)将合并单元的信息模型映射到以太网的数据链路层,其MSV以太网帧格式如图3所示。

5 应用性能测试

对于基于传统PTCT的合并单元,其IEC61850-9-1的报文格式可以用Kema测试软件很容易地来验证,遥信遥控也采用常规方法进行测试,这里不再详述。我们主要关注合并单元的采样精度和网络延时的技术指标,因为该数据直接影响到二次保护控制单元的应用性能。

5.1 采样精度及传输内容正确性验证

这一测试主要是验证合并单元采样的数据是否准确,是否能够满足数字化变电站二次保护控制单元对采样精度的要求。将合并单元的采样数据通过高速光纤以太网口输入到合并单元上,利用傅里叶算法计算各个通道的电压、电流、有功、无功、功率因数等,比较各通道计算值与交流测试仪输入量之间的误差。

我们经过多组试验测试,交流采样精度:电流、电压优于0.2级;功率优于0.5级;频率优于0.01 Hz。均满足电力系统测量精度要求,说明此合并单元可以为二次保护控制单元提供准确的采样数据。

5.2 数据迟延时间测试(含采样、数据处理和网络传输延时)

在这一测试中,我们利用两台合并单元,一台作为发送装置(测试装置),一台作为接收装置。它们都需要GPS时钟准确对时,作为接收装置,我们一旦接收到发送装置整秒时刻(GPS时标中毫秒为0)发送来的采样数据包,我们就读取当前的GPS时标中的毫秒信息。将多次传输的延时值进行平均,就是采样数据包的传输延时。

我们利用上述测试方案对合并单元进行测试,经过多次试验,我们测得发送装置到接收装置的最大网络延时0.6 ms,平均延时为0.5 ms。可以满足二次保护控制单元对采样数据传输延时的技术要求。

6 结论

本项目在变电站的过程层将传统PTCT的模拟交流信号直接构建成符合IEC60044-7/8和IEC61850-9-1标准的采样值模型及映射,从而在传统变电站的基础上直接奠定IEC61850标准的数据基础。在目前电子互感器大规模应用条件不是很成熟的情况下,为今后的基于电子式互感器的数字化变电站做了先期的技术准备和应用研究,具有很大的科研和工程应用价值。目前该合并单元已在数个110 k V变电站数字化工程中得到了具体的应用。

参考文献

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[3]崔厚坤,汤效军,梁志成,等,IEC61850一致性测试研究[J].电力系统与自动化,2006,30(8):80-83.CUI Hou-kun,TANG Xiao-jun,LIANG Zhi-cheng,et al.The Study on IEC61850Conformance Testing[J].Automation of Electric Power Systems,2006,30(8):80-83.

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模拟合并单元 篇2

近年来,随着人们对IEC 61850标准的深入研究和电子智能设备在数字化变电站应用示范工程中取得的重大成功,以及IEC 61850高实时性、高可靠性的巨大优势,IEC 61850体系越来越受到关注[1]。

作为新推出的通信协议,国外对IEC 61850通信标准的研究起步比较早,已经推出了一套比较成熟的理论体系,许多知名的大公司,比如GE、ABB、SIEMENS等,已经推出了十分成熟的符合IEC 61850标准的产品[2]。与国外相比,国内对IEC 61850标准的研究起步较晚。但是像南瑞、中国电力科学研究院等国内诸多厂家和科研机构对IEC 61850标准进行了积极的研究与探索,极大地推动了IEC 61850标准的发展。现在,一些符合IEC 61850标准的产品也已问世,并且国内已建成了多个IEC 61850标准体系的变电站[3]。

但是由于IEC 61850标准与传统网络通信的差异,造成了上位机网口无法接收下位机数据的矛盾。为了解决这一矛盾,本文通过嵌入式合并单元发送符合IEC 61850-9-2标准的报文,设计了基于LabVIE W的上位机数据接收程序。

1 在线监测系统合并单元通信单元设计原理

在线监测系统合并单元通信单元的设计包括硬件和软件2个部分,硬件核心为ARM中央处理器,软件部分由LabVIEW应用程序、数据捕捉动态链接库、Windows CE嵌入式操作系统组成,系统结构如图1所示。

2 基于IEC 61850-9-2的嵌入式合并单元

嵌入式合并单元的硬件部分由2块组成:1块是核心板,配置有ARM920T内核的CPUS3C2410A微处理器、2片32M的SDRAM、1片65M的FLASH;另一块是扩展板,它由DM9000以太网控制器、2个RS232串行接口以及I/O扩展电路等组成[4]。

IEC 61850标准采用的通信栈是参考开放系统互联(Open Systems Interconnection,OSI)7层协议制定的[5]。采样值传输作为一种快速报文传输服务,为保证数据传输的实时、快速性能要求,省略一般网络通信所采用的TCP/IP协议栈,直接由应用层(表示层)映射到数据链路层[6]。IEC 61850-9-2的通信协议栈如图2所示。

IEC 61850-9-2采用与基本编码规则(Basic Encoding Rules,BER)相关的抽象语法标记(Abstract Syntax Notation One,ASN.1)对信息进行编码[7]。采样值传输协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU)的定义如下:

按照IEC 61850-9-2的通信协议栈对数据进行封装处理,发送给上位机[8]。IEC 61850-9-2数据结构如图3所示。

3 基于虚拟仪器的上位机

本设计采用NI公司的LabVIEW图形化编程语言编程,通过调用库函数节点,用C语言语句实现对数据的捕捉及分析计算,同时完成数据存储、显示等功能,软件系统具有界面友好、操作方便的特点。

由于LabVIEW本身不支持IEC 61850的通信协议,所以本设计通过调用C语言的方式,使用WinPcap软件包,来实现对下位机上传数据的读取。

3.1 WinPcap简介

WinPcap是由伯克利分组捕获库派生而来的分组捕获库。WinPcap为用户级的数据包提供了Windows下的1个平台,由Packet.dll、函数库LibPcap和WPcap.d113个部分组成软件开发包,可以在Windows操作平台上实现对底层网络数据包的截取过滤。Packet.dll直接映射了内核的调用。WPcap.dll提供了更加友好、功能更加强大的函数调用。WinPcap提供了1套标准的抓包接口,与LibPcap兼容。

3.2 软件结构和流程

首先使用pcap_findallcdevs函数获取网络接口列表,再通过pcap_open函数打开网络适配器,然后运用pcap_loop函数来捕获数据包,最后用pcap_close函数来关闭网络适配器。程序流程图如图4所示。

按照程序流程图编写好程序,用VC6编译器生成DLL文件。

3.3 LabVIEW调用C语言

CLN是1个位于LabVIEW框图程序窗口中的带有输入输出端口的图标。用户可将需调用的外部代码编译成所能识别的格式后与此结点相连。当此结点执行时,将自动调用与此结点相连的外部代码,并向CLN传递特定数据结构。

LabVIEW的CLN(Call Library Function Node)函数节点如图5所示。

上位机平台上调用动态链接库可通过LabVIEW提供的如图5所示的CLN函数节点实现。双击该节点之后,会弹出如图6所示的配置界面。

在图6所示的对话框中对该编程节点进行配置首先在“库名或路径”中选择所要调用的DLL文件,然后可以在函数名中看到该库所提供的接口函数列表,选择函数名并配置好参数及类型,就可以在LabVIEW中调用和运行DLL中的函数了[9]。

配置好的函数节点如图7所示。

在配置好的CLN函数节点上引出数据,编辑好的前面板如图8所示。

3.4 搭建测试系统

将嵌入式合并单元与上位机连接,通过串口向嵌入式合并单元发送数据,搭建的测试系统如图9所示。

本设计采用LabVIEW来模拟过程层监测设备发送采样值,发送数据界面如图10所示。

其中09EB与BE90是简单的串口协议,有效数据为1234567[10]。同时运行上位机软件,捕获数据包之后的显示界面如图11所示。

4 结论

通过测试系统可以看出串口发送数据和网口接收数据完全一致,并且接到的是符合IEC 61850标准的数据,从而证明上位机实现了接收符合IEC 61850标准的数据。

摘要：随着对IEC 61850研究的日益完善,以及IEC 61850标准实时、可靠的优越性,越来越多的符合IEC 61850标准的设备投入使用,但是IEC 61850标准与传统的网口通信标准有着很大的差别,计算机无法通过网口直接读取符合IEC 61850标准的下位机传输的数据。为此,设计了一套基于I,abVIEW的上位机接收程序,解决了上位机无法接收符合IEC 61850标准的下位机传输数据的问题。通过测试,系统实现了良好的通信效果,通信单元实现了符合IEC 61850标准数据的传输与接收。

关键词：IEC 61850,LabVIEW,WinPcap,上位机

参考文献

[1]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC 61850介绍[J].电网技术,2001,25(9):8-15.

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[9]陈金平,王生泽,吴文英.LabVIEW与C语言接口的方法[D].上海:东华大学机械工程学院,2005.

电子式互感器合并单元的研究 篇3

长期以来，传统电磁式电流、电压互感器在继电保护和电流、电压测量中一直占主导地位，其主要优点在于简单、可靠性高、输出容量大，同时性能比较稳定，适合长期运行。但是，随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁感应式互感器暴露出一系列严重的问题：绝缘结构复杂，造价随着电压等级的升高而呈指数增加;动态测量范围小，频带窄;大都依赖绝缘油做主绝缘，易燃易爆。电压互感器存在铁磁谐振的可能性，容易引起过电压;电流互感器存在磁饱和问题，且在大容量系统中显得尤为突出。大容量、超高压系统的短路电流不仅数值很大，而且含有很大的非周期分量，过大的电流引起电流互感器铁芯过度饱和，造成励磁电流增大几十倍甚至几百倍，从而引起电流互感器二次电流数值和波形的严重失真，导致系统保护的误动作。

近年来，基于光学和电子学原理的电子式电流/电压互感器(ECT/EVT)的研究得到了国内外研究人员的广泛重视，成为具有革命性意义的研究方向。电子式互感器与传统的电磁式互感器相比，具有如下优点：

(1)绝缘结构简单，体积小、重量轻。一般电子式互感器的重量只有电磁式互感器重量的1/10，便于运输和安装;

(2)采用光纤或其他加强绝缘方式实现高电压回路与二次低压回路在电气上的完全隔离，消除这些网络不希望有的相互影响，保护了二次设备和工作人员的安全;

(3)带负载能力强。对于接入任意输入阻抗，以模拟或数字形式输入形式的负载可具有任意需要的独立输出;

(4)不存在磁饱和与铁磁振荡问题，能在很大的电流与电压变化范围内，以高速动作、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压;

(5)适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要。电子式互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化中具有明显的优势。

为了有效利用电子式互感器的优点，各数据信息必须统一处理，在时间不确定性小于几微秒的同一瞬间，所取电流和电压瞬时值应传输到测量和保护装置，因此，对同一个电站间隔的各电流、电压信号，即三相的电流、电压应按一个协议规程进行传输，而作为此电流/电压综合的物理单元称为合并单元。

2. 合并单元的定义

合并单元(Merging Unit，简称MU)是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，连接了电子式互感器二次转换器与变电站二次设备。采用一台合并单元(MU)汇集多达12个二次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式互感器或一台电子式互感器采样测量值的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换器传输到合并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转换器也可从常规电压互感器或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。合并单元的主要功能是同步采集三相电流电压输出的数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。

合并单元与二次设备的接口是串行单向多路点对点连接，它将7个(3个测量，3个保护，1个备用)以上的电流互感器和5个(3个测量、保护，1个母线，1个备用)以上的电压互感器合并为一个单元组，并将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帧中，如图1所示。图中EVTa是指电子式电压互感器a相;ECTa是指电子式电流互感器a相;sc是指二次转换器。合并单元以曼彻斯特编码格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设备，报文内主要包括了各路电流、电压量及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息。

3. 合并单元的设计

合并单元应具备以下三种功能：

(1)能够实时接收从高压侧数据采集系统传送的采样数据，并对其进行相应的处理;

(2)能够接收站端同步时钟输入信号，从而实现高压侧各路采样信号同步;

(3)接收并处理采样数据后，通过以太网卡接口向二次设备提供数据采集信号。

根据IEC 60044-7/8对合并单元的定义以及其所需要实现的功能，我们可以于把它细化为三个部分，如图2所示。

(1)基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的数据还原模块。在合并单元将同时接收12通道的输入数据并对其有效性进行校验，之后发送给数据处理模块;

(2)数据处理模块的任务是将接收到的每路每周波200个点的数据经过插值运算合并为每路每周波80个点的数据，同时将有效数据经过正确排序后发送给CPU进行相应的处理。

(3)数据输出模块用于将各路采样值数据进行组帧并发送给保护测控设备。数据分两种标准输出：一是IEC60044-8中描述的通信技术，采用点对点链接方式，并按照IEC 60870-5-1规定的FT3数据格式封装，实现数据传输;二是IEC61850-9-1《变电站通讯网络和系统协议》中描述的以太网络，按照ISO/IEC 802.3协议规定的帧格式进行数据封装，并通过TCP/IP协议实现数据传输。

4. 合并单元的技术难点

电子式互感器合并单元的研制是一项很有意义的科研开发工作，同时它的设计、研究和产业化存在很多技术难点，因此，在合并单元的设计过程中应考虑以下几点技术问题：

(1)数据同步的问题。

数据同步问题是指二次设备需要的采样数据是在同一时间点上采得的，即采样数据的时间同步，以避免相位和幅值产生误差。在电力系统中精确时间同步是十分重要的，它广泛应用于继电保护、故障测距、故障分析、自动控制以及电度采集等诸多方面。例如对于计量，要求时间同步精度控制在1us以内，一般的传输线路保护，时间同步精度应在4us以内。解决时间同步问题有插值计算和使用公共时钟脉冲同步两种方法。插值计算是由二次设备完成的，根据互感器提供的若干个时间点上的采样值，插值计算得到需要的时间点上的电压电流值。采用公共时钟脉冲同步的方法，互感器中接收模块接收全站公用的精确秒时钟脉冲，使自身的内部时钟与共用时钟同步。最后根据公共时钟的倍频信号向所连接互感器发送同步指令。本设计采用的是插值计算的方法来实现数据同步。

(2)数据的实时传输问题。

通常变电站自动化系统各层之间有大量的数据需要交换，其中间隔层和过程层需要交换的数据有互感器的电流电压采样实对数据、对设备的控制命令、对设备的监测和诊断数据。这两层之间的数据通信特点是通信频繁，每次传送的报文短，但是通信量大，而且对实时性要求严格，现代变电站内的装置大多是数字装置，电子式互感器直接提供数字信号，简化了数字装置的硬件结构;传送的是数字信号，不受负载的影响，系统误差仅存在于传感头自身，减小了系统误差;其输出的数字信号可以很方便的进行数据通信。

5. 总结

国际电工委员会关于电子式互感器标准的出台,以及我国颁布的电子式互感器国家标准,预示着电子式互感器的产品化应用已初步具备了行业规范,为电子式互感器的市场化提供了基础平台。电子式互感器合并单元以数字量为输出,完全适应电力计量与保护的数字化、微机化和自动化发展的潮流。合并单元的设计也很方便灵活,有很好的扩展性和自适应性将其应用于变电站自动化系统中可以实现信息的共享,提高整个系统的稳定性和可靠性。因此,电子式互感器合并单元的研究在电力系统中有着广阔的发展前景。

摘要：随着电力系统容量的日益扩大和电压运行等级的不断提高,传统的电磁式互感器暴露出越来越多的缺点,难以满足电网向自动化、数字化方向发展的需要。在这种情况下,新一代电子式互感器成为当前人们研究的热点。而电子式互感器与保护、测控设备的接口是需要重点研究、解决的问题,合并单元必须要很好的满足数据传输的实时性要求,是实现此接口的关键技术。

关键词：电子式互感器,合并单元,FPGA

参考文献

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[3]余春雨,李红斌,叶国雄,等.电子式互感器输出特性与通讯技术[J].高电压技术,2003,29(6):7-9.

KBR工艺合成单元系统过程模拟 篇4

中海石油化学股份有限公司二期装置 (简称富岛二期) 是年产45万吨合成氨装置, 是由美国KBR公司 (Kellogg&Brown Root公司) 总承包, 采用KBR公司的深冷净化技术 (简称KBR工艺) 设计而成, 其工艺具有节能、易于操作和较强的贫气处理能力等特点。而二期装置也是全国单套合成氨生产能力最大的合成氨装置, 直至今天, 其装置连续运行了313 d, 此装置开创了贫气在合成氨生产中的成功运用。

KBR合成氨工艺合成单元是在系统压力15 MPa下左右操作, 流程比较复杂, 系统中含有20多个单元设备, 其物热衡算数学模型为数十个代数方程组组成的非线性方程组。由于氨合成反应率较低, 未反应的气体又返回到合成回路进行循环继续参加反应, 因此系统中含有再循环回路。本文应用化工系统过程模拟序贯模块法对KBR工艺合成单元系统进行过程模拟, 并用单元串搜索法对此复杂的系统进行不可再分隔子系统的识别, 并用拟节点表示, 然后把这些拟节点按信息流方向排出有利的计算顺序。

1 物料信息流图

根据凯洛格——布朗合成系统的工艺流程图, 系统的物料信息图 (仅考虑进出口物料组成、流量和相态发生变化的单元设备) 可以表示为图1。

A:合成气压缩机;B:合成塔进出口换热器;C:合成塔;D:水冷器;E:组合式氨器;F:高压氨分离器;G:氨闪蒸槽;H:液氨受槽;I:施放气喷射器;J:高压氨洗涤器;K:氨蒸馏塔

流程简述:新鲜气经合成气压缩机A压缩进入合成塔进出口换热器B加热后, 分三股进入合成塔C进行合成反应, 未反应的氢氮气和反应生成的氨组成了合成塔出口气, 出口气经废热锅炉换热后, 通过合成气进出口换热器B和水冷器D冷却至常温, 进入组合式氨冷器E进一步冷却至 5℃, 出口气进入高压氨分离器, 液氨被分离出来, 然后进入氨闪蒸槽G进行闪蒸, 然后进入氨受槽H形成合格的液氨。没有反应的氢氮气从高压氨分离器F进入到组合式氨冷器换热后进入到合成气压缩机A的二段, 形成了一个循环。而系统中的施放气则是通过高压氨分离器F排放到喷射器I中, 在喷射器中形成了低压区域, 这样氨闪蒸槽G和液氨受槽H的液氨闪蒸气共同被抽到喷射器中混合进入高压氨洗涤器J, 富液进入氨蒸塔K, 提纯氨, 回到系统, 洗涤过的施放气, 进入前系统, 组成新鲜气。

2 系统分隔

根据信息流图, 我们可以直观地作如下分析, 首先从单元A开始, A、B、C、D、E和F构成了一个再循环结果, 必须同时求解, 他们构成了第一个单元组 (6个单元) , J、K、J在一个循环回路中, 也必须同时求解, 构成了第二个单元组 (4个单元) 最后G、H和I分别构成了一个单元组, 共有五个单元组。

下面采用单元串搜索法找出上述5个单元组, 并排出适宜的计算顺序。

①从单元A开始 (一般先从有系统输入流的单元开始, 或单元排成序号, 由序号小的单元开始) , 沿其输出流股搜索下去, 搜索过的单元形成一单元串。当发现某一单元在单元串出现两次时, 则把单元串中重复出现的单元之间所有的单元 (包括重复的单元) 合并成一拟节点, 该拟节点颗暂按单个单元一样处理。具体得到的单元串为:

单元B重复出现, B, C, B构成一环路, B, C, B合并单元为一拟节点。值得我们注意的是单元E有两个输出流股, 7和11, 依次按输出流股进行搜索, 先按7流股进行搜索, 然后按11流股进行搜索。

②以单元E沿其输出流股7进行搜索, 得到的单元串为:

节点E, F, E构成一个环路, 合并A, B, C, D, E, F为拟节点, 该节点包括两个环路 (B, C, B) 和 (E, F, E) ④

④继续沿着单元E的第二个输出流股11进行搜索, 得到的单元串为:

节点A, B, C, D, E, A形成了一个环路, 合并A, B, C, D, E, F为拟节点, 该节点包括了三个环路 (B, C, B) 、 (E, F, E) 和 (A, B, C, D, E, A) 。

⑤从J单元沿着其输出流股16搜索得到的单元串为:

此时系统中所有的单元及物流都被搜索过, 即搜索工作全部完成, 得出各个单元组计算顺序为 (A, B, C, D, E, F) G, H, I (J, K) 。

3 序贯模拟

序贯模块法 (sequential modular approach) 是开发最早、应用最广泛的过程系统模拟的方法。序贯模块法是以通过过程系统的单元设备书序模型为基本模块, 该模块的基本功能是, 只要给定全部输入流股相关变量和设备的主要结构尺寸, 即可求得所有输出流股的全部信息, 同时, 该信息提供后续单元设备模块的输入。根据过程系统流程拓扑的信息流程图, 按照流股方向依次调用单元设备模块, 逐个求解全系统的各个单元设备, 获取全系统的所有输出信息。可见, 序贯模块法也就是逐个单元模块依次序贯计算求解系统的一种方法。

用序贯模块法对一个再循环单元组进行计算时, 必须对其进行切割, 即将流中最大回路中含有的各个简单回路, 通通破开, 选出一条或几条流线, 为其数据预初始值, 然后, 用序贯模块法计算。当流程中有多个简单回路且再循环单元组不十分庞大时, 一般采用回路矩阵法确定最优“切割集”, 即使得切割流线的数目最少但是, 当流程中仅有一个再循环单元时, 则只需确定一根切割流线。本例识别的再循环单元只有一个, 根据切割理论, 一般情况下, 其切割流线应为原始设计变量最的某个单元设备中设计变量数最多的流线。本系统中最大的再循环单元为 (A, B, C, B, D, E, F, E, A) , 我们根据在原始设计变量最多的单元处开环, 这样环状就变成了链状, 在上面我们已经确定了求解顺序, 由此可编制模拟的执行程序, 管理模拟计算过程。

在上面我们已经拟定模拟计算的求解顺序以及在一个最大循环网络中选择了最适宜的断裂流股和初值, 这样我们就可以建立单元设备模块, 根据系统涉及的物流体系建立或选择不同热力模型, 以满足系统中各物流计算的需要, 提供进入系统原料的所有参数, 在规定的操作条件以及公用工程流股的条件等, 我们可以按单元, 按流股输出我们所需要的所有信息。

4 总 结

利用单元串搜索法对KER合成氨工艺的合成系统进行单元分割, 我们可以确定其计算顺序, 然后在最大循环回路找一个设计初始变量最多的单元断开, 形成了一个链状, 依此我们用序贯模块法编程计算, 使计算大为简化, 使我们的思路更加明了, 当计算过程出现问题时, 易于我们诊断和确定问题的具体位置。

摘要：应用化工系统过程模拟序贯模块法对KBR工艺合成单元系统进行过程模拟, 用单元串搜索法对此复杂的系统进行不可再分隔子系统的识别, 并用拟节点表示, 然后把这些拟节点按信息流方向排出有利的计算顺序。

关键词：KER工艺,合成氨,系统模拟,序贯模块

参考文献

[1]叶志强.洛格氨合成系统的分析和物料衡算[J].江西化工, 2006, 2.