棉花灘水電站水系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)仿真模型研究

邱建春，陳松文，李亦凡

（1.福建棉花灘水電開發(fā)有限公司，福建 龍巖 364000；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1　引言

水電廠是一個(gè)涉及到水力、電氣、自控等學(xué)科的復(fù)雜大系統(tǒng)。其中水電廠的油水氣輔助系統(tǒng)涉及到管道、閥門、流體工質(zhì)等多種類型組件，是一個(gè)復(fù)雜的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是仿真系統(tǒng)中必不可少的模型結(jié)構(gòu)。要建立高度寫實(shí)，精確度高的仿真模型，就必須建立科學(xué)的流網(wǎng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)編程建模不僅程序復(fù)雜，而且調(diào)試和修改都很困難。為提高建模效率和精度，本文在充分研究流網(wǎng)特性的基礎(chǔ)上，采用模塊化建模思想，將流網(wǎng)系統(tǒng)按照設(shè)備類型分解為不同算法模塊，合理設(shè)計(jì)模塊功能及輸入輸出接口功能，極大的降低了流網(wǎng)系統(tǒng)的建模難度，提高了流網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性。并提供了以棉花灘水電站技術(shù)供水系統(tǒng)為研究對(duì)象的局部仿真模型實(shí)例。

具體建模工具采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司研發(fā)的SimuStudio圖形化建模工具軟件。建模工程師既可使用軟件自帶模塊，也可根據(jù)實(shí)際需要在該平臺(tái)上設(shè)計(jì)編寫不同模塊，最后按照由局部到整體組合的思想路線，合理地進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。建模工程師可以按照物理機(jī)理建立元件的模型描述及元件間的關(guān)系，然后按照實(shí)際系統(tǒng)的連接關(guān)系進(jìn)行可視化建模[1，2]。

2　流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特性

2.1　流網(wǎng)系統(tǒng)

棉花灘水電站技術(shù)供水系統(tǒng)是由水、管道及閥門等組成的流體拓?fù)湎到y(tǒng)，我們可把該系統(tǒng)數(shù)學(xué)抽象為流體網(wǎng)絡(luò)，用以仿真管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)工質(zhì)壓力以及各節(jié)點(diǎn)連接支路上工質(zhì)流量的靜態(tài)和瞬態(tài)特性。在該網(wǎng)絡(luò)中，每一局部的壓力、流量等參數(shù)都受到上下游參數(shù)的影響，單一模塊不可能對(duì)整個(gè)流網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)流體的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬[3]。因此需要不同類型的模塊銜接，傳遞流網(wǎng)系統(tǒng)的各參數(shù)，從而模擬整個(gè)流網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)液體的流動(dòng)特性。

因技術(shù)供水管網(wǎng)的工質(zhì)是不可壓縮的水流，汽-液或液-固等兩相流體內(nèi)部變化過程可忽略不計(jì)，因此可將整個(gè)流網(wǎng)簡化為節(jié)點(diǎn)和支路的組合。通常將流網(wǎng)中存在匯流、分流的聯(lián)箱或管道處理為節(jié)點(diǎn)，流體流過的管路稱為支路[4]。

2.2　節(jié)點(diǎn)方程

通過節(jié)點(diǎn)方程的仿真計(jì)算可以得到該節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)值。流網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)方程遵循質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律。將技術(shù)系統(tǒng)中的水流視做是不可壓縮的流體工質(zhì)，并忽略流網(wǎng)中熱交換，即流體焓值變化對(duì)流體水頭的影響?？傻玫侥彻?jié)點(diǎn)i的壓力節(jié)點(diǎn)模型方程如下：

其中，m代表流體質(zhì)量；Hi是節(jié)點(diǎn)i的水頭；Gij為連接節(jié)點(diǎn)i與j的支路流體工質(zhì)流量；Gext,k表示進(jìn)出節(jié)點(diǎn)i的第k路微小工質(zhì)流量。若工質(zhì)流入節(jié)點(diǎn)，Gij＞0, 若工質(zhì)流出節(jié)點(diǎn)，Gij＜0。гij表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過節(jié)點(diǎn)模型可以計(jì)算出個(gè)節(jié)點(diǎn)的水頭Hi，即得到該節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)值。

2.3　支路方程

通過支路方程可以計(jì)算獲得節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的流體線導(dǎo)以及通過流量。根據(jù)伯努利方程，流量與支路前后壓力差、支路導(dǎo)納密切相關(guān)，可得到支路j關(guān)于流量的簡化方程式如下：

Bij表示支路j的線導(dǎo)，而Gij為支路j的流通導(dǎo)納。

以上述水頭節(jié)點(diǎn)方程和流量計(jì)算方程為構(gòu)建流網(wǎng)模型的基礎(chǔ)，只需對(duì)流網(wǎng)中各水頭節(jié)點(diǎn)方程進(jìn)行迭代計(jì)算，對(duì)各支路流量通過代數(shù)計(jì)算，即可得到流網(wǎng)內(nèi)部各個(gè)部分的壓力、流量，使得流網(wǎng)模型求解過程大為簡化。

3　流體網(wǎng)絡(luò)模型的建立

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，靈活運(yùn)用上述方程和支路流量的仿真模塊，可建立整個(gè)技術(shù)供水系統(tǒng)的模塊仿真模型。

3.1　仿真模塊

運(yùn)用上述節(jié)點(diǎn)方程和支路流量方程，我們可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備如閥門、管道、聯(lián)箱的特性，編寫對(duì)應(yīng)的仿真模塊。閥門模型，涉及到閥門開度變化計(jì)算和流量計(jì)算，需用到支路流量方程，可根據(jù)閥門上下游壓力值、管徑、閥門開度等設(shè)備參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出通過閥門的流量以及支路線導(dǎo)。管道模型和聯(lián)箱模型則主要用到節(jié)點(diǎn)方程，可根據(jù)上下游壓力及線導(dǎo)，計(jì)算出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的壓力值，匯入節(jié)點(diǎn)的總流量等關(guān)鍵參數(shù)。

3.2　建模過程

SimuStudio建模過程由仿真子系統(tǒng)建模，模塊參數(shù)定制，單元調(diào)試，仿真系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試四步完成。

根據(jù)系統(tǒng)的工質(zhì)流程及各設(shè)備間的連接關(guān)系，將各仿真模塊的輸入輸出參數(shù)連接起來，就構(gòu)成了子系統(tǒng)仿真模型；依據(jù)各子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系連接成一體，就組成了一個(gè)更大的系統(tǒng)，進(jìn)而完成整個(gè)技術(shù)供水系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建工作。

本文將以棉花灘水電廠技術(shù)供水系統(tǒng)為仿真對(duì)象，利用OTS2000平臺(tái)，搭建水系統(tǒng)的仿真模型。圖1為機(jī)組冷卻水系統(tǒng)局部管路和閥門連接關(guān)系圖，為搭建這一局部的仿真模型，首先，我們需要確定流網(wǎng)的邊界，即流網(wǎng)模型起點(diǎn)與終點(diǎn)。并設(shè)定對(duì)應(yīng)的邊界參數(shù)。在本例中，我們將技術(shù)供水總供水管和總排水管作為模型的邊界，邊界參數(shù)為總供水管和總排水管的流量與壓力值。忽略冷流體流經(jīng)換熱器溫度升高的體積變化，換熱器也可看作是模型中間的一段管路節(jié)點(diǎn)。將OTS2000已有模型按CAD設(shè)計(jì)圖關(guān)系連接，便可得到這一部分的流網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖1　技術(shù)供水原理圖局部

圖2　技術(shù)供水仿真模型圖局部

SimuStudio提供了在線修改和調(diào)試參數(shù)的靈活手段。每個(gè)算法模塊都有其對(duì)應(yīng)算法的參數(shù)定制窗口，可對(duì)模塊的輸入、輸出和系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、賦值，并設(shè)定模塊執(zhí)行速率。參數(shù)要根據(jù)具體對(duì)象的原始設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)等有關(guān)資料確定，參數(shù)在模型調(diào)試時(shí)可能還可進(jìn)一步調(diào)整。在流網(wǎng)建模實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上的管徑參數(shù)作為閥門模型最大流通導(dǎo)納的參考值。

利用Simustudio的調(diào)試窗口，可看到當(dāng)開啟和關(guān)閉其中一個(gè)閥門時(shí)其他連節(jié)點(diǎn)壓力和流量的變化趨勢，如圖3所示：當(dāng)某一支路的閥門關(guān)閉時(shí)，相鄰支路的節(jié)點(diǎn)壓力和流量會(huì)受到影響，排水總管的壓力與流量也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。具體表現(xiàn)為：當(dāng)某一支路閥門關(guān)閉時(shí)，后一相鄰支路的匯入流量會(huì)瞬時(shí)減少，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)壓力會(huì)瞬時(shí)下降，之后隨著支路前后壓差的變化，后一節(jié)點(diǎn)的流量和壓力會(huì)逐漸回升，重新平衡后的壓力值大于初始值。流量增加的變化速率也與節(jié)點(diǎn)上下游的壓力差變化密切相關(guān)，增速呈先快后慢逐漸趨于穩(wěn)定。排水總管的壓力和流量在快速下降后略微回升，其動(dòng)態(tài)變化過程符合實(shí)際物理過程。

圖3　技術(shù)供水相鄰支路流量壓力瞬時(shí)變化過程

通過在平臺(tái)上配置合理的計(jì)算參數(shù)并進(jìn)行調(diào)試，可得到與實(shí)際基本一致的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型。

4　結(jié)束語

水電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)提高水電運(yùn)維人員技術(shù)水平、保障安全生產(chǎn)有重要作用，已引起水電建設(shè)、生產(chǎn)單位的高度重視。隨著水電廠仿真培訓(xùn)范圍的不斷擴(kuò)展，仿真精度的不斷提高，不僅是主要機(jī)電設(shè)備，水電廠的其他設(shè)備系統(tǒng)的仿真模型研究也越發(fā)重要。對(duì)流體網(wǎng)絡(luò)的研究和電廠油水氣系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)，有利于受訓(xùn)員工理解電廠各個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高仿真培訓(xùn)的靈活性及真實(shí)性，更好的為水電廠全仿真培訓(xùn)提供培訓(xùn)及故障演練實(shí)用素材。

SimuStudio軟件為流體網(wǎng)絡(luò)模型的修改和搭建提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，軟件的多種功能，如圖形化建模、模型復(fù)用、算法編譯與封裝等提高了仿真建模效率，降低了建模難度；而算法設(shè)計(jì)編寫工具、各種的調(diào)試功能則是模型靈活性和精度的保障。該軟件在流體網(wǎng)絡(luò)模型的研究應(yīng)用有利于推動(dòng)水電仿真培訓(xùn)技術(shù)的發(fā)展，也可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于其它水利水電工程及工業(yè)過程領(lǐng)域的仿真建模。

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