三峽電站清潔水系統仿真設計

胡安冉，賀文強，李 勝，劉 卓

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

三峽電站清潔水系統包括水廠等供水設施、供水主管道、供水對象管道以及壓力表計、流量表計、閥門等設備，供水對象包括設備工作用水、消防用水、生活用水，范圍涵蓋整個三峽大壩以及電站廠房、廠房外生產區域。清潔水系統的可靠運行直接關系到全電站機電設備的穩定運行以及消防安全。

三峽電站清潔水系統管道布置復雜，且由于需要持續運行，計劃檢修及平時運行操作較少。相對于水輪發電機組主設備，在設備運行狀態掌控、運行操作熟練度、事故應急處置響應速度等方面較為薄弱。且管道、閥門多布置在各廊道、豎井等較為偏僻處，平時運維人員較少有機會可以實地查看、學習，導致部分運維人員對整個清潔水系統的結構、關鍵節點掌握不到位。如遇事故處理需緊急開啟或者隔離水源時，可能無法第一時間發現故障并做出有效處置，存在擴大事故范圍的風險。因此有必要開發一套清潔水仿真系統促進清潔水系統運維水平的提升。

1 三峽電站清潔水仿真系統開發的可行性

數字仿真是將包含了確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件，進而來模擬物理世界的一種技術。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環境數據，就基本能夠正確地反映物理世界的特性和參數[1]。數字仿真技術在工業企業已經被廣泛應用。經市場考察，類似系統技術成熟，可靠性、準確性較高。三峽電站清潔水系統已投運十余年，結構的完整性、系統性都已經經受住了長期穩定運行的考驗，可以說已經非常成熟和穩定。再加上多年來對清潔水系統從供水設施到管道、再到供水對象等多方運行數據的積累，已經完全具備了建立一套現代化清潔水仿真系統開發的條件。

2 清潔水仿真系統主要目標及擬解決的生產難題

2.1 清潔水仿真系統主要目標

完成三峽電站清潔水仿真系統開發，構建清潔水系統三維模型、水系統設備數學模型，實現設備信息查詢、操作模擬、故障處置提示、應急演練、員工培訓等功能。同時完成一套開放式平臺的開發，使系統具有可擴展性，具備推廣到其他電站的條件。

2.2 擬解決的生產難題

（1）目前，由于三峽電站清潔水系統管道復雜、供水對象眾多，遇清潔水設備操作時需詳細查看圖紙、現場核對，耗費大量人力。且由于清潔水系統平日操作相對較少，部分運行人員操作經驗不足，存在因誤操作導致計劃外的供水對象停水、進而影響設備運行甚至導致設備停運的風險。建立完善的清潔水仿真系統后，運行人員在計劃操作前可在仿真系統中進行模擬操作，準確定位需要操作設備的實際位置，并觀察記錄每一步操作帶來的影響，一方面規避可能造成計劃外供水對象停水的誤操作；另一面可優化操作順序、修改實際操作票，在后續的實際操作中省時省力。同時讓操作人員在模擬真實操作的過程中有充足的時間進行事故預想，以應對各種可能的突發狀況。

（2）三峽電站清潔水設備規模大且管網復雜，隨著投運時間增長，存在管路銹蝕導致大量噴水的風險。一旦發生相關不安全事件，若不能快速、準確隔離故障管路，輕則影響供水對象的供水需求，重則可能導致其他運行設備被迫停運甚至水淹廠房。清潔水仿真系統建立后，通過啟用提前設置好的模擬水系統故障處置功能，可將實際發生噴水等故障的設備在系統中進行標記，由系統立即給出需隔離設備的參考范圍，并顯示需操作設備的實際位置。運行人員將系統給出的參考方案與實際情況結合考慮后，快速制定處理方案，精準執行。

（3）清潔水系統的管道、閥門等設備多布置在各廊道、豎井等較為偏僻處，平時運維人員較少有機會可以實地查看、學習。且設備遍布三峽電站管轄范圍，目前運行人員僅靠現場學習、圖紙學習很難達到牢固掌握的目的。其次，在日常進行清潔水系統相關事故預想時，也只能憑空想象可能出現的后果，不夠真實、全面，相應的應急處置措施也會存在漏洞。清潔水仿真系統建立后，一方面日常的學習可將規程圖紙與模擬操作相結合，加深印象；另一方面可在其中進行各類故障模擬，就每一項出現的不良后果制定完善的控制措施，真正實現有效的事故預想。甚至可用于完善現場處置方案、運行規程、檢修作業規程等權威文件，物盡其用，有效解決上述問題。

3 清潔水仿真系統功能設計

（1）建設三峽電站清潔水系統三維管線圖，利用現有CAD 圖紙及現場管線位置等數據，完成清潔水系統三維建模（圖1）。

圖1 三維管線示意圖（概念圖）

（2）具備完善的培訓功能。在仿真系統中按照“水源—供水管—供水對象”的思路對各管線設置層級，查看三維管線圖時可通過勾選逐級顯示各層次設備。同時三維管線圖提供右鍵查看功能，選中相關設備后，可右鍵查詢“位置信息、供水對象信息”等（圖2）。

圖2 三維閥門示意圖（概念圖）

（3）以對象化的思路，建設符合運行維護人員使用習慣的清潔水系統設備對象樹，將所有設備納入該對象樹，通過“樹干—樹枝—樹葉”展現設備關系。同時，對象樹提供模糊查詢功能，以方便使用人員快速定位。

（4）通過在仿真系統數據庫中設置“父對象、子對象”實現相關設備的模擬操作，并最終通過三維管線圖展示操作效果、顯示操作后的影響范圍。此外，提供導出功能，支持以表格的形式導出受影響的供水對象。

（5）具備導航功能。在對象樹中雙擊供水對象后，能自動在清潔水三維管線圖中跳轉至相關設備。

（6）具備操作提醒功能。一是下達相應操作指令后（如：對該管道送/停水），能自動生成操作項；二是能進行應急處置提醒，設置故障設備后，自動生成操作項，完成操作項即可隔離故障。該功能要求在對象樹、三維管線圖兩個途徑均可實現。

（7）具備打印功能。包括當前視圖打印和操作項、表單打印。

（8）具備故障分析功能。通過與監控系統或三峽電廠智慧運行平臺通信，實時讀取清潔水系統各壓力表計、流量表計數據，進行清潔水系統運行狀態分析。發生清潔水泄露時，第一時間觸發報警，并自行計算、報告故障位置。

（9）具備應急演練功能。由管理員承擔教練角色，設置故障點后，演練人員通過操作相關閥門實現故障隔離，并保證最小范圍內的供水中斷。

（10）用戶管理。正常應用無需登錄，提供仿真操作、初始化（一鍵恢復至清潔水系統正常狀態）功能；為管理員配置數據庫管理權限。

4 技術路線及主要工作

（1）形成技術要求等技術、商務文件。

（2）采購完成后與合作方共同確認更為具體的項目開發清單。

（3）現場設備信息采集。

（4）仿真系統三維管線圖建模。仿真的核心技術是建模方法和仿真支撐系統，先進的建模技術可以提高模型精度，縮短開發時間[2]，為整個清潔水仿真技術打下基礎。

（5）仿真系統數據庫開發。

（6）仿真系統應用功能開發。

（7）仿真系統功能嵌入。

（8）仿真系統調試。其中模型軟件測試包括模型仿真范圍的完整性、模型的穩定性、模型的靜態特性、模型逼真度及模型運算的實時性；操作員功能測試包括操作界面的逼真度、操作界面響應的實時性；教練員功能測試包括教練員的控制功能、故障設置和消除功能[3]。

（9）仿真系統試運行。

（10）仿真系統功能完善。

5 結語

以“數字化、信息化、智能化、標準化”為發展方向，通過三維建模、可視化、數字化等技術，在虛擬空間中對三峽電站清潔水仿真的全工藝進行建模和模擬仿真，模擬物理世界的運行狀態，將有利于填補因清潔水系統設備覆蓋面廣、操作少造成的安全生產管理空缺。建成后將在設備信息查詢、操作模擬、故障處置提示、應急演練、員工培訓等方面發揮重要作用。是三峽電站“智慧電站建設”項目的實用性案例，也是踐行“科技興安”安全生產理念的重要舉措。