本文摘要：
传统的小型锅炉作业人员培训和考核方式是通过理论学习和一段时间实际参观或操作发上岗证，这种方法有许多局限性。本文详细介绍了一种新开发的热水锅炉的计算机模拟屏培训考核装置，作业人员可在灯光模拟屏上进行开停炉、事故处理等操作，系统还包括严格的计算机评分程序。可望成为小型锅炉作业人员培训和考核辅助手段。

关键词:热水锅炉;仿真；锅炉考核培训；安全。

*作者:许正宇,男,清华大学硕士研究生,教授级工程师,长期从事化工过程模拟研究。xuzhengyu@bjhkd.com

1.采用仿真模拟屏培训系统进行司炉工培训的意义
我国小型锅炉的数量相当大，特别是20T/h以下的小型工业及民用锅炉，遍布全国，每年因为锅炉质量或司炉工操作不当引起的锅炉事故多达数百起。对司炉工进行上岗前培训、定期轮训十分必要，这直接关系到国家财产和人民群众生命的安全。
传统的培训方式是通过理论学习和一段时间实际参观或操作发上岗证。这两种手段可以提高司炉工的理论水平，指导他们进行正常的安全运行。但由于各方面原因，实际操作培训的时间较为短暂，司炉工由于自身文化水平有限，很难系统、深入地掌握锅炉安全运行的必要知识。另外，这两种手段都不可能模拟演示锅炉事故的发生过程，司炉工的事故处理知识和现场操作只能停留在理论上，遇到事故时所需要的正确判断能力和处理能力不能得到有效提高。实际上，有些锅炉事故发生后，如果判断正确和处理得当，是可以避免发生严重后果的。此外考核一直没有好的办法，通常以卷面理论考试为主。
采用仿真系统对锅炉运行过程和事故进行模拟，司炉工可以反复身临其境地进行锅炉运行操作，观察开停炉和事故发生前的异常现象和演练各种事故的处理程序。无论对新学员的上岗前培训或在职运行人员的再培训，仿真系统都是理想的培训工具。这种手段已经引起有关主管部门的注意。

但是采用纯粹的计算机仿真系统，观看计算机屏幕上的数据变化，鼠标操作代替实际阀门的操作，和实际相差甚远。再加之司炉工自身文化水平有限，对计算机不熟悉，效果不好。

为此国内一些单位开发了实体工业锅炉的物理模型和计算机对接的混合仿真培训系统（1）（2）。实体工业锅炉模型采用原设计材料，燃油泵、水泵、风机可以在操作台进行启、停操作。各阀门如排污阀、安全阀、放空阀等的操作与真实锅炉房的操作流程相似。过程的热力学计算都是由计算机上的数学模型来完成的。燃烧过程用灯光来表示。
阀门的操作模拟量通过模/数转换(A/D)被计算机接受。水泵和风机的启、停操作开关量也转换成数字信号送到计算机。计算机模型计算出来的温度压力等变量的显示通过数/模转换(D/A)在电动仪表表头上显示出来。

实体工业锅炉的物理模型和计算机对接的混合仿真培训系统的优点是提供了一个和实际锅炉的类同的操作环境,直观性强、真实感较好。
其缺点是：
一次投资高，维护的工作量也很大。推广起来比较困难。
而且仅仅提供了一个锅炉前的操作台的环境，缺乏对操作工人全流程的概念的培训。由于实际过程的复杂性，有些实际部件的模拟和选取也有难度和差距。
由于数学模型的复杂性，特别是考核操作工人评分程序的开发难度，开发的仿真软件的水平也参差不齐。

为了克服这种缺点，我们用灯光屏和计算机结合，这样操作起来比较直观，一次投资低，维护也很简单。化工过程仿真技术经过三十多年的发展，已经广泛用于大型石油化工装置操作工人的培训和考核上（3）（4）。小型锅炉的流程只相当于化工流程中的一段单元操作，数学模型已经有很成熟的技术。我们利用了化工过程先进的仿真技术，模拟了热水锅炉的运行。仿真系统燃料可以是煤、油和天然气。由于程序设计采用了化工仿真技术的严格的评分，给小型锅炉的培训和考核提供了一个很好的辅助手段。模拟屏的对象是14MW热水锅炉。
灯光屏模拟了锅炉最核心的燃烧系统。所有的操作已手动为主,主要的目的是训练操作工人对燃烧过程的的深入理解。
设计的目的是：通过一个很直观的教学模拟屏培训操作工人对一些核心过程的理解：

热水炉的整个流路的理解:

培训工人可以通过灯光屏很形象地了解和学习热水炉整个流程。

热水炉的燃烧过程的理解:
炉膛负压如何控制：如何调节引风和鼓风机的风量控制炉膛负压;
炉膛温度和烟气温度的变化；
燃烧过程的氧含量的变化；
热水炉出水温度如何控制；
用户室内温度的变化；
改变外界温度对加热炉的影响；
改变供热负荷对加热炉的影响；

对热水炉流程整个水平衡过程的理解：
开停炉过程的压力分布；学员理解整个热水炉流程中压力变化的规律，这对于一个好的操作工人是十分重要的。

下列事故过程的压力分布：
锅炉漏水事故
水循环回路泄漏事故
水循环回路堵塞事故

以提高学员在实际过程中处理事故的能力。
而这些往往是仅仅通过理论讲课是做不到的。这也是一个熟练的操作工人要通过很长时间的实际操作才能了解到的知识。以上是做这件工作的主要宗旨。当然许多实际知识必须在现场才能学到。

操作包括：开车放空，上水，点火，升温，用户室温控制，燃烧调节，炉膛压力控制，排烟温度，事故处理。



2．结构

包括小型热水锅炉灯光模拟屏和一台计算机。

①小型热水锅炉实体模型模拟屏：


基本尺寸
2000*15003m2
显示的流程；
一台14MW的热水炉。
一台给水泵
三台循环水泵
鼓风机，引风机和风门档板
用户供热流路


②基本显示要求：
模拟屏的功能是：显示重要的锅炉运行数据和提供作业人员的操作环境。所有的显示数据都是计算机模型计算的结果。模拟屏上安装了热水炉操作的阀门和开关。
模拟屏上操作所有的动作都要告诉计算机,如阀位，泵、风机开关量，燃料点火及加减等。
模拟屏显示数据包括:
补水泵出口压力，补水流量，给水泵A出口压力，给水泵B出口压力，给水泵C出口压力，回水压力，回水温度，出水压力，出水流量，热水炉出口压力，热水炉出口温度，炉膛温度，炉膛压力，烟气温度，烟气氧含量，环境温度，燃料流量，空气流量。
操作员操作信号包括：
三台给水泵(AB,C)前后截止阀，出口调节阀，开关；补水泵前后截止阀，补水泵回流调节阀，补水泵开关；补水调节阀，锅炉进水阀，给水泵出口调节总阀，用户放水阀，锅炉放空阀，用户放空阀，鼓风机开关，引风机开关，燃料点火开关，燃料加减，排污阀。

③计算机功能：
计算机上安装了热水炉的数学模型,逼真地模拟了热水炉的热力过程。
计算机兼作培训过程的教员台,具有：
启动和终止程序的运行；
监视学员的操作,显示重要的监视变量；
辅助学员的操作；
事故设置；
评分。
.



3.仿真培训系统的功能
开发的仿真软件具有下述功能：
①燃烧过程全工况仿真
从锅炉点火、升温、加负荷直到额定负荷的全工况仿真，还包括正常停炉、热态停炉（压火）、紧急停炉等过程。整个过程中锅炉各部位的压力、温度、流量、液位等参数与真实锅炉一致。
培训人员通过显示屏上仿真的灯光屏，可以看到锅炉的压力、温度、流量、水位等值。培训人员通过通过显示屏上锅炉流程图上的各种阀门、挡板，可以对锅炉的运行工况进行控制。
②加快、减慢仿真过程
对于本来变化缓慢的过程，例如上水和升温过程，本来需要4个小时，采用实时仿真就得花4个小时，现在采用加快仿真过程，如加速10倍，则4小时的过程缩短为24分钟。对于本来变化迅速的过程，例如爆管后的过程，几秒种内锅炉的参数大幅度的波动，学员来不及细看就过去了。为了让学员能仔细观察全过程，可以采用减慢仿真速度的办法，即用实际1秒钟时间，仿真0.1秒钟的过程，即减慢10倍，这样几秒钟的过程，延伸到几十秒钟，就容易观察得多了。一次考核不要超过3小时(计算机的模拟运行时间)。超过3小时程序自动停止这次考试，得分到此为止。
③冻结与解冻功能
在运行过程中，根据培训的需要可对运行中的工况进行冻结，也即停止模型的运行。此时可根据需要进行操作，操作完成后可通过解冻命令，继续模型的运行。
④故障设置功能
计算机仿真培训器的最大一个优点是可以设置各种故障，对学员进行训练，这在实际运行中几乎是不可能做到的。例如计算机显示画面如下：
点击右边的绿色图标，表示事故已经发生。
事故包括:
给水A泵坏了一台事故(每次考试都考)
火嘴灭火事故(每次考试都考)
锅炉漏水事故
水循环回路泄漏事故
水循环回路堵塞事故
引风机坏了事故
鼓风机坏了事故
引风挡板不动
引风挡板卡死没有风流动
补水压力表坏了等。

此外教员可以改变一些外界环境的条件：室外温度，供热负荷，锅炉结垢。我们称作教员变量。如下图：

教员可人为设置室外温度。室外温度越低,为达到一定的室内取暖温度,出水温度就越高,燃料消耗量就越大。
教员可设置锅炉的外供热负荷（即供热的户数），供热的户数越多，为达到一定的室内取暖温度,出水温度就越高,燃料消耗量就越大。
模型可计算累计的燃料消耗量,可使计量表清零。
水包满后操作开始记时，要求学员水包满后三个小时之内，使用户室内温度达到要求的值，记时清零。则重新记时。
水包加水一项表示:为了节约培训的时间，教员可人为的给锅炉加水,加水总量为35吨水。



⑤监视功能
在教员的监视画面，会显示下列数值：

上述大部分数值都会在模拟屏上显示。只有下列数值在教员台显示：
用户室内取暖温度
燃料累计表数值(可清零)
锅炉上水后操作记时，每次考试不能超过三小时。三小时之内，用户室内温度应该加热到20℃。


⑥教员辅助操作功能：
对于学员模拟屏的开关动作,利用教员辅助操作画面可进行教员辅助操作,如下：

但所有操作都已学员操作动作优先的原则。



4．评分
评分是小型热水锅炉仿真模拟屏培训系统一个重要的功能。
软件提供了试卷对学员的操作过程进行考核。但每个试卷都包括一个完整的开车，事故处理和事故处理后的停车过程。程序会对学员的操作评分。满分100分（程序会自动按100归一化）。
评分标准简述如下：
①报警评分（炉膛内爆炸）
爆炸是锅炉运行过程中最严重的人为操作事故。当炉内有一定浓度的可燃性物质（天然气，油蒸汽或煤粉）和空气形成可燃性混合气体，遇到明火形成闪燃，在炉内形成爆炸。
模型会准确的模拟炉膛内爆炸的现象。如果发生炉膛内爆炸，教员台的画面
会出现“炉膛内有爆炸现象!”的红色闪烁，并发出声音。
整个考试过程中没有爆炸发生，可得15分。扫描间隔表示程序在一段时间间隔内，检查有没有爆炸继续发生。
爆炸处理：
一旦出现爆炸，操作工应该停燃料，开通风。避免事故的扩大。扫描
间隔：30秒，每次扣分：5分。如果爆炸持续90秒，就会扣除全部的15分。

②操作顺序评分
锅炉上水前关锅炉的排污阀,分值：2分,扫描间隔:2秒;
锅炉上水前开锅炉顶和用户顶的放空阀,分值：2分,扫描间隔:2秒;
补水泵开：开泵前，必须开泵前后的截止阀,关小出口阀,打开回流阀。泵开后慢慢开启出口阀,关小回流阀,分值：2分;
循环水泵A（B,C）开:开泵前，必须开泵前后的截止阀,关小出口阀,打开回流阀。泵开后，慢开出口阀,关小回流阀,分值：各2分（共6分）;
锅炉水包满后关锅炉顶放空阀,用户管路满后关用户顶的放空阀和进水阀;分
值：2分;
锅炉点火:小燃气流量点火,防止炉内爆燃。分值：2分;
点火前必须开风机；分值：2分;
先开引风机,后开鼓风机;分值：2分;
总共20分

③操作质量评分
锅炉出水温度:在整个操作过程中应小于100℃,总分值3分扫描间隔:120秒,每次扣1分；连续10分钟锅炉出水温度超过100℃扣3分，以后不再扣分。
锅炉回水温度:在整个正常供暖过程中应大于45℃,总分值3分扫描间隔:120秒,每次扣1分；连续6分钟锅炉回水温度低于45℃扣3分，以后不再扣分。
炉膛负压的下限:在整个操作过程中不应小于-100mmH2O，总分值3分，扫描间隔:120秒,每次扣1分；连续6分钟炉膛负压的下限小于-100mmH2O,扣3分，以后不再扣分。
炉膛压力的上限:燃烧过程炉膛应该维持负压操作，炉膛压力的上限在整个燃烧操作过程中不应大于50mmH2O，总分值3分扫描间隔:120秒,每次扣1分；连续6分钟炉膛负压的上限大于50mmH2O,扣3分，以后不再扣分。
氧含量下限:炉膛燃烧维持富氧操作，氧含量下限的不应小于5，总分值3分，扫描间隔:120秒,每次扣1分；连续6分钟炉膛负压的下限小于5,扣3分，以后不再扣分。
氧含量上限:过多的空气的进入会降低锅炉的热效率，氧含量上限小于12，扫描间隔:120秒,每次扣1分；连续6分钟炉膛氧含量的上限大于12,扣3分，以后不再扣分。
放空的气相压力:开炉进水和停炉放水时要及时开启放空阀，放空的气相压力P<0.2Mpa，总分值2分，扫描间隔:60秒,每次扣1分。
补水压力:建立水循环后补水压力应大于0.2Mpa,总分值5分，扫描间隔:20秒,每次扣0.5分。
给水压力：水循环的供水压力应维持一定的压头，已保持正常的流量。总分值5分扫描间隔:20秒,每次扣0.5分；给水压力维持在0.5—0.65之间。
用户的室内取暖最低温度：锅炉上水完毕2小时后用户的室内取暖应控制16℃以上。总分值5分。
用户的室内取暖最高温度：应控制22℃以下。总分值5分。
总共40分

④事故处理评分
事故处理对处理时间有要求，教员并不告诉学员什么时候设事故,事故设置之后,数学模型会作出相应的响应,学员应该根据模拟屏上的压力、温度和流量的变化，判断事故的发生。口头通知教员事故的类型，并尽快作出相应的处理。
给水泵坏了一台事故（A泵）
事故设置时间：锅炉水循环建之后；
事故分值：5分；
事故处理要求：尽快断掉A泵的电源，尽快启动另一台备用循环水泵，扫描间隔:100秒,每次扣2分；
火嘴灭火事故
事故设置时间：锅炉点火之后；
事故分值：5分
事故处理要求：停燃料，开大通风，要求通风10分钟后重新点火。（防止炉内爆炸）火嘴灭火事故发生后10分钟后应该点火，火不燃扣分，发生爆燃全扣掉。

下列事故要求学员指出，口头通知教员事故的类型：

引风挡板不动3分
引风挡板卡死没有风流动：3分
补水压力表坏了：4分

下列事故每张试卷取一个或几个：
锅炉漏水事故
事故设置时间：锅炉开车完毕；
事故分值：10分；
事故处理要求：尽快停燃料，停循环，防水停炉，停通风，停炉。
引风机坏了事故
事故设置时间：锅炉开车完毕；
事故分值：10分；
事故处理要求：尽快停燃料，停通风，停循环水，停炉。
鼓风机坏了事故
事故分值：10分；
事故处理要求：尽快停燃料，停通风，停循环水，停炉。
水循环回路泄漏事故
事故分值：10分；
事故处理要求：当教员设置事故时,学员应该根据压力的变化,指出事故的类型,尽快停燃料，停通风，停循环水，停炉。
水循环回路堵塞事故
事故分值：10分；
事故处理要求：当教员设置事故时,学员应该根据压力的变化,指出事故的类型,尽快停燃料，停通风，停循环水，停炉。
当一个学员考试结之后，评分程序会给出一个详细的说明。

5．结论：
改进已往的小型锅炉作业人员培训和考核方法已经是迫不及待的任务，学习相关行业的先进的技术和经验，有望开发出小型锅炉作业人员培训和考核一种新的方法和辅助的工具。


参考文章
1．王洵，张謦，宫立良，“锅炉仿真培训系统”，计算机仿真。2002，3，71-73
2．胡长松，“工业锅炉计算机混合仿真培训系统“，石油大学自动化系，山东东营。
3．许正宇.“化工过程的模拟培训器”.化工进展,1996,3：56-60
4．许正宇.”我国仿真培训器的发展历史和展望”,.化工进展,2001,3：81-86