三峽電站清潔水系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

胡安冉，賀文強(qiáng)，李 勝，劉 卓

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

三峽電站清潔水系統(tǒng)包括水廠等供水設(shè)施、供水主管道、供水對(duì)象管道以及壓力表計(jì)、流量表計(jì)、閥門(mén)等設(shè)備，供水對(duì)象包括設(shè)備工作用水、消防用水、生活用水，范圍涵蓋整個(gè)三峽大壩以及電站廠房、廠房外生產(chǎn)區(qū)域。清潔水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行直接關(guān)系到全電站機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行以及消防安全。

三峽電站清潔水系統(tǒng)管道布置復(fù)雜，且由于需要持續(xù)運(yùn)行，計(jì)劃?rùn)z修及平時(shí)運(yùn)行操作較少。相對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組主設(shè)備，在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)掌控、運(yùn)行操作熟練度、事故應(yīng)急處置響應(yīng)速度等方面較為薄弱。且管道、閥門(mén)多布置在各廊道、豎井等較為偏僻處，平時(shí)運(yùn)維人員較少有機(jī)會(huì)可以實(shí)地查看、學(xué)習(xí)，導(dǎo)致部分運(yùn)維人員對(duì)整個(gè)清潔水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)掌握不到位。如遇事故處理需緊急開(kāi)啟或者隔離水源時(shí)，可能無(wú)法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并做出有效處置，存在擴(kuò)大事故范圍的風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要開(kāi)發(fā)一套清潔水仿真系統(tǒng)促進(jìn)清潔水系統(tǒng)運(yùn)維水平的提升。

1 三峽電站清潔水仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可行性

數(shù)字仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件，進(jìn)而來(lái)模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就基本能夠正確地反映物理世界的特性和參數(shù)[1]。數(shù)字仿真技術(shù)在工業(yè)企業(yè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。經(jīng)市場(chǎng)考察，類(lèi)似系統(tǒng)技術(shù)成熟，可靠性、準(zhǔn)確性較高。三峽電站清潔水系統(tǒng)已投運(yùn)十余年，結(jié)構(gòu)的完整性、系統(tǒng)性都已經(jīng)經(jīng)受住了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的考驗(yàn)，可以說(shuō)已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定。再加上多年來(lái)對(duì)清潔水系統(tǒng)從供水設(shè)施到管道、再到供水對(duì)象等多方運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，已經(jīng)完全具備了建立一套現(xiàn)代化清潔水仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的條件。

2 清潔水仿真系統(tǒng)主要目標(biāo)及擬解決的生產(chǎn)難題

2.1 清潔水仿真系統(tǒng)主要目標(biāo)

完成三峽電站清潔水仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，構(gòu)建清潔水系統(tǒng)三維模型、水系統(tǒng)設(shè)備數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息查詢、操作模擬、故障處置提示、應(yīng)急演練、員工培訓(xùn)等功能。同時(shí)完成一套開(kāi)放式平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，具備推廣到其他電站的條件。

2.2 擬解決的生產(chǎn)難題

（1）目前，由于三峽電站清潔水系統(tǒng)管道復(fù)雜、供水對(duì)象眾多，遇清潔水設(shè)備操作時(shí)需詳細(xì)查看圖紙、現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，耗費(fèi)大量人力。且由于清潔水系統(tǒng)平日操作相對(duì)較少，部分運(yùn)行人員操作經(jīng)驗(yàn)不足，存在因誤操作導(dǎo)致計(jì)劃外的供水對(duì)象停水、進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行甚至導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。建立完善的清潔水仿真系統(tǒng)后，運(yùn)行人員在計(jì)劃操作前可在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行模擬操作，準(zhǔn)確定位需要操作設(shè)備的實(shí)際位置，并觀察記錄每一步操作帶來(lái)的影響，一方面規(guī)避可能造成計(jì)劃外供水對(duì)象停水的誤操作；另一面可優(yōu)化操作順序、修改實(shí)際操作票，在后續(xù)的實(shí)際操作中省時(shí)省力。同時(shí)讓操作人員在模擬真實(shí)操作的過(guò)程中有充足的時(shí)間進(jìn)行事故預(yù)想，以應(yīng)對(duì)各種可能的突發(fā)狀況。

（2）三峽電站清潔水設(shè)備規(guī)模大且管網(wǎng)復(fù)雜，隨著投運(yùn)時(shí)間增長(zhǎng)，存在管路銹蝕導(dǎo)致大量噴水的風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)生相關(guān)不安全事件，若不能快速、準(zhǔn)確隔離故障管路，輕則影響供水對(duì)象的供水需求，重則可能導(dǎo)致其他運(yùn)行設(shè)備被迫停運(yùn)甚至水淹廠房。清潔水仿真系統(tǒng)建立后，通過(guò)啟用提前設(shè)置好的模擬水系統(tǒng)故障處置功能，可將實(shí)際發(fā)生噴水等故障的設(shè)備在系統(tǒng)中進(jìn)行標(biāo)記，由系統(tǒng)立即給出需隔離設(shè)備的參考范圍，并顯示需操作設(shè)備的實(shí)際位置。運(yùn)行人員將系統(tǒng)給出的參考方案與實(shí)際情況結(jié)合考慮后，快速制定處理方案，精準(zhǔn)執(zhí)行。

（3）清潔水系統(tǒng)的管道、閥門(mén)等設(shè)備多布置在各廊道、豎井等較為偏僻處，平時(shí)運(yùn)維人員較少有機(jī)會(huì)可以實(shí)地查看、學(xué)習(xí)。且設(shè)備遍布三峽電站管轄范圍，目前運(yùn)行人員僅靠現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)、圖紙學(xué)習(xí)很難達(dá)到牢固掌握的目的。其次，在日常進(jìn)行清潔水系統(tǒng)相關(guān)事故預(yù)想時(shí)，也只能憑空想象可能出現(xiàn)的后果，不夠真實(shí)、全面，相應(yīng)的應(yīng)急處置措施也會(huì)存在漏洞。清潔水仿真系統(tǒng)建立后，一方面日常的學(xué)習(xí)可將規(guī)程圖紙與模擬操作相結(jié)合，加深印象；另一方面可在其中進(jìn)行各類(lèi)故障模擬，就每一項(xiàng)出現(xiàn)的不良后果制定完善的控制措施，真正實(shí)現(xiàn)有效的事故預(yù)想。甚至可用于完善現(xiàn)場(chǎng)處置方案、運(yùn)行規(guī)程、檢修作業(yè)規(guī)程等權(quán)威文件，物盡其用，有效解決上述問(wèn)題。

3 清潔水仿真系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）建設(shè)三峽電站清潔水系統(tǒng)三維管線圖，利用現(xiàn)有CAD 圖紙及現(xiàn)場(chǎng)管線位置等數(shù)據(jù)，完成清潔水系統(tǒng)三維建模（圖1）。

圖1 三維管線示意圖（概念圖）

（2）具備完善的培訓(xùn)功能。在仿真系統(tǒng)中按照“水源—供水管—供水對(duì)象”的思路對(duì)各管線設(shè)置層級(jí)，查看三維管線圖時(shí)可通過(guò)勾選逐級(jí)顯示各層次設(shè)備。同時(shí)三維管線圖提供右鍵查看功能，選中相關(guān)設(shè)備后，可右鍵查詢“位置信息、供水對(duì)象信息”等（圖2）。

圖2 三維閥門(mén)示意圖（概念圖）

（3）以對(duì)象化的思路，建設(shè)符合運(yùn)行維護(hù)人員使用習(xí)慣的清潔水系統(tǒng)設(shè)備對(duì)象樹(shù)，將所有設(shè)備納入該對(duì)象樹(shù)，通過(guò)“樹(shù)干—樹(shù)枝—樹(shù)葉”展現(xiàn)設(shè)備關(guān)系。同時(shí)，對(duì)象樹(shù)提供模糊查詢功能，以方便使用人員快速定位。

（4）通過(guò)在仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置“父對(duì)象、子對(duì)象”實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的模擬操作，并最終通過(guò)三維管線圖展示操作效果、顯示操作后的影響范圍。此外，提供導(dǎo)出功能，支持以表格的形式導(dǎo)出受影響的供水對(duì)象。

（5）具備導(dǎo)航功能。在對(duì)象樹(shù)中雙擊供水對(duì)象后，能自動(dòng)在清潔水三維管線圖中跳轉(zhuǎn)至相關(guān)設(shè)備。

（6）具備操作提醒功能。一是下達(dá)相應(yīng)操作指令后（如：對(duì)該管道送/停水），能自動(dòng)生成操作項(xiàng)；二是能進(jìn)行應(yīng)急處置提醒，設(shè)置故障設(shè)備后，自動(dòng)生成操作項(xiàng)，完成操作項(xiàng)即可隔離故障。該功能要求在對(duì)象樹(shù)、三維管線圖兩個(gè)途徑均可實(shí)現(xiàn)。

（7）具備打印功能。包括當(dāng)前視圖打印和操作項(xiàng)、表單打印。

（8）具備故障分析功能。通過(guò)與監(jiān)控系統(tǒng)或三峽電廠智慧運(yùn)行平臺(tái)通信，實(shí)時(shí)讀取清潔水系統(tǒng)各壓力表計(jì)、流量表計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行清潔水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析。發(fā)生清潔水泄露時(shí)，第一時(shí)間觸發(fā)報(bào)警，并自行計(jì)算、報(bào)告故障位置。

（9）具備應(yīng)急演練功能。由管理員承擔(dān)教練角色，設(shè)置故障點(diǎn)后，演練人員通過(guò)操作相關(guān)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)故障隔離，并保證最小范圍內(nèi)的供水中斷。

（10）用戶管理。正常應(yīng)用無(wú)需登錄，提供仿真操作、初始化（一鍵恢復(fù)至清潔水系統(tǒng)正常狀態(tài)）功能；為管理員配置數(shù)據(jù)庫(kù)管理權(quán)限。

4 技術(shù)路線及主要工作

（1）形成技術(shù)要求等技術(shù)、商務(wù)文件。

（2）采購(gòu)?fù)瓿珊笈c合作方共同確認(rèn)更為具體的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)清單。

（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集。

（4）仿真系統(tǒng)三維管線圖建模。仿真的核心技術(shù)是建模方法和仿真支撐系統(tǒng)，先進(jìn)的建模技術(shù)可以提高模型精度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間[2]，為整個(gè)清潔水仿真技術(shù)打下基礎(chǔ)。

（5）仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。

（6）仿真系統(tǒng)應(yīng)用功能開(kāi)發(fā)。

（7）仿真系統(tǒng)功能嵌入。

（8）仿真系統(tǒng)調(diào)試。其中模型軟件測(cè)試包括模型仿真范圍的完整性、模型的穩(wěn)定性、模型的靜態(tài)特性、模型逼真度及模型運(yùn)算的實(shí)時(shí)性；操作員功能測(cè)試包括操作界面的逼真度、操作界面響應(yīng)的實(shí)時(shí)性；教練員功能測(cè)試包括教練員的控制功能、故障設(shè)置和消除功能[3]。

（9）仿真系統(tǒng)試運(yùn)行。

（10）仿真系統(tǒng)功能完善。

5 結(jié)語(yǔ)

以“數(shù)字化、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化”為發(fā)展方向，通過(guò)三維建模、可視化、數(shù)字化等技術(shù)，在虛擬空間中對(duì)三峽電站清潔水仿真的全工藝進(jìn)行建模和模擬仿真，模擬物理世界的運(yùn)行狀態(tài)，將有利于填補(bǔ)因清潔水系統(tǒng)設(shè)備覆蓋面廣、操作少造成的安全生產(chǎn)管理空缺。建成后將在設(shè)備信息查詢、操作模擬、故障處置提示、應(yīng)急演練、員工培訓(xùn)等方面發(fā)揮重要作用。是三峽電站“智慧電站建設(shè)”項(xiàng)目的實(shí)用性案例，也是踐行“科技興安”安全生產(chǎn)理念的重要舉措。