Apros能源动力系统高精度动态仿真软件

Apros能源动力系统高精度动态仿真软件

 Apros是由芬兰国家技术研究院VTT与芬兰富腾工程技术有限公司Fortum联合研发的热力发电厂工艺过程及其自动控制系统的动态仿真软件。Apros具有30年的研发和成功应用历史，已被广泛应用于核电机组、燃煤火电机组、燃气蒸汽联合循环机组、垃圾焚烧发电机组、工业过程蒸汽动力系统、供热系统的动态仿真。Apros不仅能够用于创建热力发电厂运行人员的仿真培训模拟器，还能够用于其他一般热能动力系统及其自动化系统的设计验证及运行控制优化。       Apros的用户广泛分布于全球的发电企业、设计院、发电装备制造企业、电力工程公司、电站自动化系统供应商和科研机构及大专院校。

Apros是一款多功能软件，应用于建模和分析不同的电厂的动态过程。它可以在普通的办公电脑上使用。它主要应用于核电站和火力发电厂中。软件中的动态仿真模型能够让用户轻松地检查电厂的过程行为。且Apros能够简单快速地模拟系统的瞬变现象和不同的状态。

Apros的一大优势在于它结合了准确的流程建模与复杂的自动化建模。通过使用Apros，用户可以看到过程和自动化如何协同工作，并且可以对整个集成系统进行详细的研究和优化。

Apros提供了严谨的动态仿真模型来支持各项工程任务，它可以用于安全分析、过程设计、培训和自动化测试等等，有效利用动态仿真模型可以加速和提高工程水平。因此，用户可以获得更加高效的过程和更少的投资成本。Apros已广泛应用于行业中的多个项目，并且能够独立完成电厂整个过程的动态仿真。这些仿真可以根据不同的需要进行，因此一个计算模型可以用来满足多种工程和项目的需求。

 

l 核电应用

  Apros多任务处理

Apros广泛应用于核电厂的安全分析。在核领域，Apros已经被用来模拟多种不同电厂的概念，其中包括沸腾和压水反应堆。

 

 

 

在整个项目周期以进化的方式处理过程中，Apros无疑是一款理想的软件。随着项目的进行和新的建模任务要求更加细致，Apros所建的模型也会更加精巧。在整个项目生命周期中，不同用户可以直接使用同一个模型配置数据库进行不同的任务。

这些优势能够减少掌握软件工具的技术人员及其培训成本。而模型维护是整个核电厂生命周期的一个重要问题，在对工艺设备或自动化系统进行电厂改造后，模拟器必须每年更新一次，有一个最新的模型是对电厂来说是非常有利的。

Apros的可扩展性使其在具体的小型模型分析上更有潜力，而且其模型还能在后续过程中扩展到覆盖整个核电厂模型。

为您的核电站许可或建设项目选择Apros，或者为NPP电力升级或自动化改造项目选择Apros，可以为您在开发和维护阶段带来巨大的经济与时间效益。

  经过验证的严谨的核电厂模型

完整的反应堆岛、涡轮岛以及包括自动化、仪表和电气系统在内的控制模型。

Apros包含严谨的、经过良好验证的解算器和单元模型库，用于整个核电厂过程和系统的动态模拟。这有利于用户可以使用简单的动态建模和仿真软件，而不是在几个工具中维护相关知识和最新的模型。

Apros软件的灵活性使得用户可以使用不同的模型，例如一维或三维中子学模型。同样，在项目进行过程中，用户可以开始使用Apros软件中的自动化模拟，并当它变得可用时，用自动化供应商的具体详细的仿真自动化代替。

Apros软件拥有广泛的代码验证程序和核安全模拟的权威批准。

Apros软件的热工水力代码和核库单元模型已经得到了广泛的验证，并被确定适用于BWR和PWR轻水反应堆。验证过程包括冷启动和停机程序、正常操作模型、负载抑制以及各种事故和紧急情况等。每个新的Apros版本都会重复进行大量的代码校核和验证过程。

芬兰辐射与核安全局（STUK）批准对Apros新核电厂进行事故分析。

Apros软件拥有完全独立于供应商的代码，非常适合基准测试中的NPP瞬态分析。

  拥有全套工具和专家支持的高效软件

Apros软件的功能包括帮助用户在NPP项目的动态模拟任务中增加模型配置、仿真分析、报告和模型维护等。这些功能提高了仿真项目的效率，并帮助用户的项目专注于以下要点：

ü  凭借易用的Windows图形用户界面，快速模型配置，无需编程。

ü  凭借最佳模拟速度性能，可提高仿真速度。

ü  在年度修订之后，会有自动模型验证测试和模型更新报告。

除基本的建模和仿真功能外，Apros还包括一套完整的工具套件，为用户增加以下的附加特性：

ü  Apros测试站：用于自动化检查项目的综合自动化测试工具。

ü  Apros培训站：操作员培训模拟器项目的集成指导工具。

ü  Apros连接工具：用于与各种自动化系统供应商的激励或仿真自动化系统进行连接

ü  外部模型集成工具：用于集成用户自己的计算代码和单元模型。

ü  分布式建模工具：用于生成分布式工具模型，以最大限度地提高仿真速度。

遍布全球的高端用户，项目专家的专业评价，对于Apros的推广和提高具有重要作用。

  Apros在BWR和PWR项目中最新的成果

新建的核电厂在许可和建设项目上面临很多子项目和挑战，需要在项目过程中使用动态模拟：从概念设计和安全分析，过程和自动化设计，自动化逻辑测试，控制室人机界面设计，操作说明和测试到操作人员的全方面模拟器培训。在安全启动后，电厂模型和模拟培训必须不断更新，这意味着定期的模型维护程序取决于核电厂修订计划。

电力的升级，生命周期的延长，以及自动更新等项目正在全世界多个核电厂中开展。在这样的改造项目中提出了严格动态仿真的平等挑战和要求。另外，目前有一些全球研究中心正致力于加速引进GEN4核电站方案，这对核电厂模型和软件验证提出了更高的要求。

对核电行业的好处：

ü  用于模拟整个核电厂过程的动态建模工具，其中包括自动化和电气系统

ü  对应多任务项目的单一工具：安全分析，工程项目，自动化测试和培训

ü  经过充分验证，严格的核模型和权威认证

ü  近期正使用Apros进行的多任务BWR和PWR仿真项目

ü  高效建模和仿真结果分析

ü  针对特定任务量身定制的全套附加工具，如自动化测试和操作员培训

ü  有专家模型和产品支持

 

 

 

l 火电应用

目前，Apros主要致力于新一代高效清洁发电厂的建模。支持低排放清洁电厂建模仿真功能的开发工作已经陆续开展，工作包括模拟氧气的生产等。

• 超（超）临界、亚临界锅炉	• 煤粉锅炉	• 流化床锅炉	• 余热锅炉
• 燃气轮机、压气机	• 蒸汽轮机	• 汽拖工业透平、汽拖泵	• 回热加热器、换热器
• 管道系统	• 磨煤机、燃料处理系统	• 空气和烟道气系统	• 阀门、蒸汽减压站
• 蒸汽减温器	• 燃油系统、燃油燃烧器	• 风机、回转式空预器	• 冷却塔
• 冷凝器、真空系统	• 给水水箱、闪蒸罐、除氧器	• 脱水系统	• 烟气组分、废水
• 电气系统	• 柴油发动机系统	• 发电机	• 电网 、电厂公用工程
• 区域供热、供冷系统	• 储热装置	• 碳捕集过程	• 热风干燥设备
• 太阳能系统	• 风力发电系统	• 设备外壳金属热量清单	• 热应力、疲劳计算

Apros拥有火力发电厂动态仿真需求的所有功能。精确的动态仿真模型可以非常准确地模拟实际电厂的行为，从而使得多种方式应用于电厂的整个生命周期中。例如，模型可应用于电厂新建或改造的工程设计，或被进一步改造成培训模拟器，亦或是根据Apros提供的实

时响对自动化系统进行测试。

热力发电厂建模的能力包括但不限于以上内容。

  全面的模型库

Apros包含的模型库可用于对各类电厂操作进行模拟，包括流体管网以及电厂的燃料、烟气和汽水管道的热交换等。而且，Apros包含的库还可用于对电厂的自动化系统和电力系统建模。这些功能可以用于各类汽轮机、余热锅炉、流化床和柴油发动机等电厂设备的建模。

Apros能够模拟煤粉、炉排、鼓泡式流化床、循环流化床等不同种类的锅炉；Apros也可用于对超临界机组建模；软件功能上也支持对煤、泥炭、天然气和石油等各种燃料进行建模；Apros也可用于对燃料运输系统建模。

 

  对柴油发电机进行建模

Apros的柴油发电机模型工具箱可用于各类柴油发动机的建模。用适当的模块进行组合可以建立I型或者V型发动机，定义汽缸的号码，将其与曲柄轴连接，并将涡轮增压器也加入到流程中。通过利用Apros模块相应的参数属性，特定的电机模型很容易得到发动机的技术数据。

参考案例——福斯特惠勒公司–波兰瓦基莎电厂

Apros用于控制设计和动态过程的验证。锅炉是直流式超临界循环流化床锅炉。锅炉的设计燃料是烟煤，而代替燃料中含有湿泥煤（高达30%）和生物燃料（高达10%）。电厂功率是460 MW，蒸汽特性是360 kg/s，275 bar和560 ℃。

  Andritz——余热锅炉的分析

在几年时间内，Andritz用Apros做了数万次余热锅炉水循环的分析，这些研究包括在不同负荷和压力条件下对自然循环的分析研究。

研究的分析目的是确保余热锅炉中不同部位的充分冷却。

典型的仿真模型包括锅炉的后部、前部和侧壁，锅炉管束、筛管、上汽包和下汽包，从汽包到主管的倒角管，侧壁头，筛管头以及从水壁头到汽包的立管。研究对新锅炉和现有的老锅炉都进行了分析。通过分析蒸汽体积分数，计算了锅炉中各部分的流速和传热率，并用数值方法对锅炉的可行性进行了评价。

 

 

 

l 海水淡化

Apros能够模拟盐水转换成饮用水的过程

对很多国家来说，脱盐水是一种重要的，甚至是唯一的淡水来源。生活水平的提高和人口的高速增长使得世界各地对于海水淡化厂的需求逐渐提高。

Apros全面的仿真流程和自动化组件库，可以使得海水淡化厂的建模精确简单。通过模型，用户可以清晰地了解到系统的整个动态响应过程：

ü  给水流量的变化

ü  盐水温度变化

ü  盐水再循环流的瞬变

ü  给水盐度的变化

Apros可对整个海水淡化厂进行建模。Apros不仅可以计算盐水的热力学性质，还拥有一个用于计算特殊反渗透的模块。通过这些特点，Apros可以计算不同类型的热脱盐工艺和反渗透装置的动态特性。Apros可对MSF-，MED-和RO-型的海水淡化厂进行建模。

在计算模型中，汽液混合物的状态被定义为压力、焓值和盐分总浓度的函数。每个计算节点都可获得盐水的温度、密度、沸点、饱和点、浓度以及蒸汽和固体盐的质量分数值。

l  集中供热

Apros的集中供热网建模与分析功能

Apros可用于对集中供热网以及远程集中供热管路进行建模和分析。集中供热系统是一种将区域的热量集中，并把热量分配给包括空间供暖和热水供暖等在内的住宅和商业供暖的系统。Apros是一款动态模拟此类复杂网络的专业工具。

Apros软件包括全面的组件库，用于对集中供热网的所有组件（包括管道、阀门、泵、热交换器和热水库等）进行建模。还可以使用自动化和电气组件对整个网络的I&C（控制泵功率、阀位、建模操作员指令等）进行建模。

Apros拥有为集中供热网络的服务隧道建模的组件。因此，可以计算服务隧道在蒸汽或热水泄漏等情况下的环境条件。

集中供热管道可以直接连接到热电联产电厂模型。在这种情况下，可以施以不同的电厂动态瞬变，从而研究整个集中供热系统的行为。

 

l 制浆造纸

  Apros应用于制浆造纸

由于制浆造纸工艺具有多变的原料、复杂的过程以及多样的终端产品等因素，因此制浆造纸对建模仿真来说是一个具有挑战性的领域。Apros Paper是一款用于模拟动态造纸工艺以及制浆主要工艺的先进工具。Apros包括用于详细的仿真模型配置和高精度解决方案的高效工具，以及用于纸浆和纸张质量建模和跟踪光纤加工历史数据的新工具。这些功能和工具大大增加了纸浆和造纸工艺中动态模拟器的利用潜力。

  理想的动态模拟工具

精确的实时动态模拟器是在正常或特殊操作条件（如Web Break）下期间检查和设计流程与自动化配合情况的理想工具。此外，Apros Paper的动态模拟提供了用于研究由于设备或自动化故障，操作员操作或原材料质量变化引起的干扰的工具。

  开发和优化造纸工艺

Apros Paper已经成功应用于更快捷、更灵活的短循环过程和自动化理念的开发，如造纸机横向控制系统开发（美卓自动化）、空气冲击干燥开发（Metso）、板机变化优化（斯道拉恩索BM2，Kaukop，芬兰）、系统扰动衰减的研究以及磨坊质量和能量的平衡研究（M-real）等。

 

 

 

 

l  燃料电池

Apros应用于固体氧化物燃料电池系统

Apros为高温固体氧化物燃料电池（SOFC）系统建模提供了一个多功能平台。平台包括了建模过程，自动化系统和功率控制等功能。虽然Apros的燃烧和自动化模型库为SOFC系统建模提供了坚实的基础，但是仍需要开发和添加更多模型以满足SOFC系统的特定需求，例如对催化燃烧器、喷射器、脱硫设备、功率转换设备和固体氧化物燃料电池平面堆叠模型等的建模。这项工作自2004年开展延续至今。

SOFC系统可以在800℃或更高的条件下运行。因此，环境和系统组件的热损失管理问题对于系统的设计至关重要。对于在标准PC和笔记本电脑上，Apros的组件模型进行的实时操作也足够的精确快捷。

Apros已在芬兰的国家示范项目和欧盟资助项目（LARGE-SOFC，FP6）中被用于固体氧化物系统组件和系统级的建模，其中过程级模型的模拟结果已经与实际的SOFC单元进行了比较，证明其良好的准确性，并且在标准计算机中的运行速度比实时速度快20倍。此外，Apros SOFC系统模型所取代的控制硬件测试已应用于实际系统。以这种方式，自动化硬件可以在安装实际系统之前进行测试。

 

 

 

Singlesolid oxide fuel cells.单一固体氧化物燃料电池

 

 

 

VTT的 5 kWe SOFC 示范装置。该装置在2007年结束的国家项目中以5KwSOFC 平面堆运行了7000h。

Apros已经在26个国家应用，用户包括核电厂、燃煤电厂、自动化供应商、造纸厂和固态氧化物燃料电池系统开发商等。Apros已在多项工程任务中证明其重要性，其中包括安全分析、训练和过程优化与设计等。

 

l  相关应用：

  工程项目

Apros是支持工程项目的重要工具，其仿真模型可以用于测试动态过程变化。

Apros发电厂仿真模型可用于多功能任务：

ü  流程预设计

ü  自动化设计

ü  详细的工艺流程设计

ü  规划操作程序

ü  操作员的预培训和再培训

ü  分析和优化

Apros在工程应用方面的示例：

ü  设计新型高压预热器系统及其控制系统

ü  设计蒸汽发生器排污系统的节流孔尺寸

ü  分析新的紧急补给罐

ü  功率增加分析

ü  分析蒸汽发生器控制系统

ü  分析蒸汽冷凝器的过程系统和控制系统

ü  设计带安全阀的初级卸压回路

ü  调节过热排水箱液位控制器

  安全分析

核电厂的安全分析一直是Apros最重要的应用。例如，芬兰辐射与核安全局（STUK）已经批准了使用Apros进行的事故分析，并将它作为芬兰核电厂的正式许可软件。

Apros可用于对整个核电站的物理模型进行建模，包括BWR和PWR类型（沸腾和加压水反应堆）。计算模型包括：一维和三维反应堆中子学、两相热工水力学、安全壳、I＆C系统、电气系统和过程组件。在过去几十年的许多项目中，Apros计算模型被广泛验证。

基于Apros计算模型的安全分析案例：

ü  失水事故

ü  蒸汽发生器管道破裂（一次泄漏）

ü  设计扩展条件分析

ü  加压热冲击分析

ü  确认紧急和关闭程序

ü  控制杆失控

ü  预充气式气枪小计里程

ü  超压保护分析

ü  给水损失

ü  降低给水温度

ü  关闭主蒸汽隔离阀

ü  蒸汽发生器安全阀事故操作

ü  外部电网跳闸

ü  分析高油底壳温度下的应急系统

ü  主系统冷却剂回路中硼浓度走势

ü  给水泵汽蚀分析

ü  ATWS分析：蒸汽管路断裂，主蒸汽管路中断，预充气式气枪错误启动

ü  次级电路中断分析

  全方位培训模拟器

Apros已经成功应用于许多培训模拟器项目，以模拟工厂自动化流程。Apros仿真软件成功结合了高精度和高仿真速度的优点，这使得Apros成为全方位培训模拟器的绝佳选择。

Apros软件包含了许多功能，使培训模拟器的构建变得容易：

ü  快速简便的建模

ü  综合组件库（过程，自动化，电气等）

ü  所有电厂状态的准确快速计算（全功率，瞬变，停机）

ü  全厂在一个模型中建模

ü  对于核应用，还有三维中子和放射性运输模型

使用Apros培训站应用程序，使用者可以轻松进行设计和培训。培训站可以提供以下工具：

ü  开始和保存标准课程

ü  创建新的初始条件

ü  序列用于自动进行训练

ü  改变模拟速度（慢，实时，快速）

ü  激活或禁用标准和特定的故障

ü  在满足预定义的工艺条件后，可以定义条件故障自动激活

ü  使用测试站的重播功能来重复执行培训

ü  报告培训的运行情况

Apros可以连接到具有标准通信接口的自动化系统和人机界面。与以前的项目相比，西门子和霍尼韦尔的自动化和显示系统的连接已成功实现。电厂的自动化系统可以连接到Apros，使得工厂和模拟器自动化系统相同。