记我国火电仿真系统在清华园里诞生与成长

清华大学热能工程系教授    吕崇德

 

 

      在我国国民经济处于崩溃边沿的20世纪70年代，不仅人们的一切生活用品都是凭票供应，就连生活和工业用电也是定量的，甚至要限制其使用时间的。整个社会真正是从上而下动乱不安，人心思静，百业待兴。六月的天，说变就变，不知怎的，经过文革长期批斗的邓小平同志突然于1973年重新出来协助周恩来总理主持国务院的工作。在正直人们的感觉中，这是一个好兆头，人们翘首期待着，或许我们可以致力于生产力的发展而不被批判了。小平同志为解决即将瘫痪的国民经济，以他雄伟的谋略，首先抓住了工业中的先行官?D?D能源与交通。为了解决工业和生活中能源的极度匮乏，以他的伟大的胆识审批进口四个大型火电站，而且都是从在“文革”中批臭了的、但是技术上却是最先进的“名牌”资本主义和修正主义国家进口的。这些大型发电设备代表着当时电力工业的国际最先进的科技水平。不仅具有庞大而复杂的热力和电气系统以保证发电的安全性、高效率、低成本和低污染，而且生产过程自动化程度也非常高，是我国电力行业前所未闻的。用一句简单的话来形容它：如果运转人员按动某一个按钮，庞大的汽轮发电机及其各种辅机和子系统就会自动按设定的顺序启动、并网和发电；或者如果某一台辅机出了故障，整个机组还会自动降低发电负荷，甚至能够安全地自动停机。

 

      长期的闭关锁国，大多处于手工操作水平的我国电站运行技术工人要掌握这些先进的设备和技术是相当困难的，甚至短时间是不可能的。电力部门的领导只得把第一批运行骨干派送到国外去培训。但是这种培训效果也是有限的，大多属于开阔眼界和增强信心性质的。因为发电机组的实际启动、停机操作和大量事故处理技术即使在国外进行的短期培训期间也是根本遇不到的，自然也就更难以学习和掌握到全面的运行技术了。

 

      怎么才能短期培养出一批批的合格运行人员，以真正适用进口设备需要和提高我国原有电站的运行水平呢？在我和电力部领导的接触过程中深深地感到：电力部的领导们清楚的认识到，随着今后电力工业的大发展，最终还是要依靠于国内自己的科技力量来解决这一问题。

 

 

        电力部自己有不少的直属研究所，电力部的职能部门也在寻找一个有能力的研究单位来解决这一问题。我作为清华大学的一名教师，也比较熟悉电力工业，义不容辞地写出和提交了仿真（模拟）培训技术建议书，并在努力不懈地争取下，电力部经过接近一年的研究和审查，最终将大型火电机组仿真系统科研任务交给了清华大学，那是1975年的事情。当时“仿真”这一科技名词在中国是不存在的，只是在杂志上偶尔出现“模拟”的字样。在我国的科技界用“仿真”替代“模拟”只有在1985年以后的书刊杂志上才能看到。电站仿真系统在美、日、英等科技先进国家里也只是刚研制成功，于1970－1971年才分别在自己国家的电力部门正式投入使用。对于它的实际技术内容我们却了解不多。

 

        从时间上看，我们的电站仿真研究工作的开始，和科技先进国家的投入使用，相差仅5－6年的时间。但当时我们的设备和资料等科研条件与国外相距甚远，特别是国内的科研环境不复存在，人们还仍然处于“文革”的动荡之中。

 

        电站仿真技术是建立在刚萌发的计算机技术和传统电力工业相结合的基础上，它是集计算机技术、自动控制、热能动力和发电等学科于一体的边沿学科。国内没有类似技术可以借鉴，只是在国外杂志上看到几篇电站仿真机的简单报道。要在清华独立进行科学研究并发展这一学科，对于仍然处于文革时期的、和知识越多越反动的臭老九地位的、并经常挨批判的教师该是多么沉重的压力。

 

        “仿真”技术的最关键设备是数字式电子计算机，70年代外国已有很多计算机制造商，如当时的IBM、DEC、DG、GOULD、三菱和日立等，可以供应多种型号的计算机。而还处于文革斗批散阴影迷茫中的我国电子行业，尚没有任何单位能生成出实用的电子计算机。想出国考察或购买外国的计算机更比登天还难。一方面有限的全部科研经费不够从外国买一台计算机用的，即使你认识银行行长他也不敢为你把人民币兑换成美元；另一方面为了能源工业的需要而申请进口计算机，美国商业部和能源部是绝对禁运的，巴黎统筹是严格限制的。在他们眼里，能源工业和核工业是一个东西。防止核扩散，特别是向中国的核扩散，是他们堂而皇之的“充分理由”。在这种国内外形势下，对于象电力工业的这种传统工业，想实现与计算机有关的科研题目，是何等的困难。因此，在课题组面前只剩下一条路：等待使用当时国内只有清华大学正在研制的、而且到1977年才能成功的一种16K磁芯存储器、运算速度不到50万次/秒小型计算机。这还是滕藤科技处长请张维副校长特批的宝贵设备，其当时价格却高达32万元。

 

        根据“仿真”的概念和定义就已经确定，没有数学模型也就没有仿真可言。因此必须要建立一整套全工况、全范围的火电机组动态数学模型。但是没有任何资料可以参考，也没有任何技术可供借鉴，只有摸着石头过河，自己救自己。李天铎教授带领的数学模型小组只得耐下心来，发扬愚公移山的精神，硬是在纸上一个一个地写出了能够基本描述简化了的锅炉、汽轮发电机及其辅机和子系统的数百个微分方程和数千个代数方程。而且要以仅有的BASIC语言编程，在纸带上打孔、输入、然后在计算机上运行和反复调整，直到和实际仿真对象动态过程一致为止。仅这项工作就苦苦花费了三年的时间。

 

        对于用于培训的电站仿真系统，使用运行速度不高的计算机，实时性则是另一项难以达到的技术指标。所谓实时性是指仿真系统运算速度必须快于实际电站机组的运行速度。如果仿真系统运算速度低，就会出现仿真过程慢于实际机组的运行节拍，导致仿真过程出现严重失真。为此，除了对数学模型的算法进行简化，还必须对系统操作软件进行优化，使程序尽可能的满足实时要求。了解计算机的人们都知道，去消化并修改别人的程序，特别是操作系统的程序，对于首次接触计算机的热能系的人们，该是多么困难。但是人类社会实践证明困难总是难不倒勇于向科学的献身者，只有坚持锲而不舍，钻进去，一个字符一个字符的去弄懂它，一遍一遍修改，一次一次调试。然后再加入我们自己编写的大量通道接口、外设、指导教师和功能管理等软件。在它身上化了一年半的时间，终于取得了一个能够达到实时性要求的软件。

 

        计算机与汽轮发电机组的仪表、控制和操作盘台设备之间的接口，在那个计划经济的年代里，不在国家计划的范围之内，因此国内没有任何成熟的可用产品。全部1500路通道接口从线路设计、元器件采购、制版、组装、直到调试，都是由科研组的硬件人员凭借一份原理性技术说明，去反复探索和实验，这部分工作大约断续地用了三年的时间获得了成功。

 

 

        这个项目的开始时间比我国实行改革开放政策稍微早了一点，所以遇到的问题和困难就更难解决。但是我们这些厌烦了文化大革命、而想找点能满足工作欲望的事情来填补生活空白的知识分子，有一个科研项目该是多么兴奋。把宝贵的时间和人生献给了它，做到每天挖山不止。经过了六年时间的奋战，终于于1982年3月在清华园里成功的诞生了我国首台大型火电机组仿真系统。

 

      完成一个科研项目并不意味着这项成果就能够在国民经济中成为指导生产的有效技术。唯一的办法还是应验了小平同志的那句话：“实践是检验真理的标准”，只有把这项科研成果拿到生产中去考验它，以验证它的实用性、稳定性、可靠性和实时性。于是电力部利用这一成果在清华成立了我国第一个仿真培训中心。在第一个年头里，用这套仿真系统稳定地为电力部新投产的火电机组试培训了10批，共100多运行骨干人员。实践证明了，仿真系统应用是非常成功的，强化操作培训是极为有效的。1983年5月在电力部组织的百人鉴定会上得到了充分的肯定。大型火电机组仿真系统的诞生使我国电力工业培训手段产生了质的变化，也使得我国成为继美日英之后唯一能生产电站仿真系统的技术先进国家。并于1985年获得了国家科学技术进步一等奖。

 

        一个10多亿人口的泱泱大国，一套仿真系统只能起到锦上添花的作用，对于要完成全国火电厂新、老机组的人员培训任务，只是杯水车薪。自改革开放以来，大型火电厂不断地建设与投产，相应地对于仿真培训系统的需求自然也是大量的。因此应该抓住时机把科研成果迅速转化为产业，但是仿真系统是一项高新技术产品，不能按一定的模式去复制产品。它需要根据不同的电厂设备型号、系统结构、过程参数和自动控制方案等去构造仿真系统的硬设备、开发其相应的数学模型。也就是说，每一套仿真系统，相应地是针对一台实际发电机组进行仿真的。更为关键的，随着计算机技术、信息技术和仿真技术的快速发展，迫切要求我们不断地提高建模技术和更新操作系统软件。这些提高和研究工作都要通过自身来提供资金，用以提高仿真技术水平。于是在清华大学领导的支持下我便毅然成立了仿真公司，作为清华大学产业的一个组成部分。一边为电力部门开发新的仿真系统，一边组织有能力的科技人员以国际水平为目标不断提高自己的仿真技术。不仅完成了国内对电站仿真的需求，还于1995年和1996年分别将大型火电机组仿真系统成套出口巴基斯坦，仿真建模软件及支持环境软件出口韩国。这是中国的电力仿真技术和产品首次进入国际市场。也阻止了同类外国产品以高价进入我国。一批外国仿真公司也纷纷退出了中国市场。

 

 

        一项以现代高新技术集成的大型科研项目的研制成功，进而发展为产业，除了科研人员的高技术、高素质、事业心和坚持不懈的认真工作之外，与清华大学这个多科性高等学府的依托是分不开的。它在发展过程中得到历届校领导的大力支持，也得到了国家电力部的信赖。同时，我作为项目的主持人和学术带头人，始终非常明确地把握住了这个项目的成长过程必须与学校的人材培养和基地建设共同发展、有机结合、相互推动和提高，这样事业才能有生命力和后劲。因此努力把仿真技术与专业的研究生培养密切结合，培养了一大批博士和硕士研究生；发展了仿真技术、建模理论和建模方法、仿真软件，拥有了全部自主版本的仿真支持环境和图形化模块化的建模软件；建立了国家重点实验室“发电厂仿真分室”这个开放基地。使仿真与控制研究所、重点实验室和清华仿真公司三者成为一个良好而有效的产、学、研结合点。由研究所的研究生来探索仿真前沿技术，公司给以设备和经费支持，公司再生产出不断提高科技含量的新产品，达到了出成果、出人材、出产品的目的。也使得在清华园里诞生和发展起来的火电仿真技术影响全国，乃至世界。因此，我在1995年荣获国际学术权威机构?D?D国际仿真学会的突出贡献奖。在1992－1995年的四年中，世界上共有9人获得该学会的奖励，我是唯一一名北美以外的获奖人。但是我深深地知道，荣誉不是归于个人，而是属于这个开创了我国电站仿真事业、并为之奋斗了20多年的科技集体，属于清华大学和我国的电力工业