棉花滩水电站水系统流体网络仿真模型研究

邱建春，陈松文，李亦凡

（1.福建棉花滩水电开发有限公司，福建 龙岩 364000；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

1　引言

水电厂是一个涉及到水力、电气、自控等学科的复杂大系统。其中水电厂的油水气辅助系统涉及到管道、阀门、流体工质等多种类型组件，是一个复杂的拓扑网络结构，也是仿真系统中必不可少的模型结构。要建立高度写实，精确度高的仿真模型，就必须建立科学的流网系统。传统编程建模不仅程序复杂，而且调试和修改都很困难。为提高建模效率和精度，本文在充分研究流网特性的基础上，采用模块化建模思想，将流网系统按照设备类型分解为不同算法模块，合理设计模块功能及输入输出接口功能，极大的降低了流网系统的建模难度，提高了流网系统的灵活性。并提供了以棉花滩水电站技术供水系统为研究对象的局部仿真模型实例。

具体建模工具采用北京中水科水电科技开发有限公司研发的SimuStudio图形化建模工具软件。建模工程师既可使用软件自带模块，也可根据实际需要在该平台上设计编写不同模块，最后按照由局部到整体组合的思想路线，合理地进行系统构建。建模工程师可以按照物理机理建立元件的模型描述及元件间的关系，然后按照实际系统的连接关系进行可视化建模[1，2]。

2　流体网络系统的结构与特性

2.1　流网系统

棉花滩水电站技术供水系统是由水、管道及阀门等组成的流体拓扑系统，我们可把该系统数学抽象为流体网络，用以仿真管网中各节点工质压力以及各节点连接支路上工质流量的静态和瞬态特性。在该网络中，每一局部的压力、流量等参数都受到上下游参数的影响，单一模块不可能对整个流网系统内流体的流动特性进行模拟[3]。因此需要不同类型的模块衔接，传递流网系统的各参数，从而模拟整个流网系统内液体的流动特性。

因技术供水管网的工质是不可压缩的水流，汽-液或液-固等两相流体内部变化过程可忽略不计，因此可将整个流网简化为节点和支路的组合。通常将流网中存在汇流、分流的联箱或管道处理为节点，流体流过的管路称为支路[4]。

2.2　节点方程

通过节点方程的仿真计算可以得到该节点的压力数值。流网内的节点方程遵循质量守恒定律与能量守恒定律。将技术系统中的水流视做是不可压缩的流体工质，并忽略流网中热交换，即流体焓值变化对流体水头的影响。可得到某节点i的压力节点模型方程如下：

其中，m代表流体质量；Hi是节点i的水头；Gij为连接节点i与j的支路流体工质流量；Gext,k表示进出节点i的第k路微小工质流量。若工质流入节点，Gij＞0, 若工质流出节点，Gij＜0。гij表示网络拓扑结构。通过节点模型可以计算出个节点的水头Hi，即得到该节点的压力数值。

2.3　支路方程

通过支路方程可以计算获得节点与节点之间的流体线导以及通过流量。根据伯努利方程，流量与支路前后压力差、支路导纳密切相关，可得到支路j关于流量的简化方程式如下：

Bij表示支路j的线导，而Gij为支路j的流通导纳。

以上述水头节点方程和流量计算方程为构建流网模型的基础，只需对流网中各水头节点方程进行迭代计算，对各支路流量通过代数计算，即可得到流网内部各个部分的压力、流量，使得流网模型求解过程大为简化。

3　流体网络模型的建立

针对不同结构的管网结构，灵活运用上述方程和支路流量的仿真模块，可建立整个技术供水系统的模块仿真模型。

3.1　仿真模块

运用上述节点方程和支路流量方程，我们可以根据实际设备如阀门、管道、联箱的特性，编写对应的仿真模块。阀门模型，涉及到阀门开度变化计算和流量计算，需用到支路流量方程，可根据阀门上下游压力值、管径、阀门开度等设备参数，实时计算出通过阀门的流量以及支路线导。管道模型和联箱模型则主要用到节点方程，可根据上下游压力及线导，计算出当前节点的压力值，汇入节点的总流量等关键参数。

3.2　建模过程

SimuStudio建模过程由仿真子系统建模，模块参数定制，单元调试，仿真系统联合调试四步完成。

根据系统的工质流程及各设备间的连接关系，将各仿真模块的输入输出参数连接起来，就构成了子系统仿真模型；依据各子系统之间的连接关系连接成一体，就组成了一个更大的系统，进而完成整个技术供水系统仿真模型的构建工作。

本文将以棉花滩水电厂技术供水系统为仿真对象，利用OTS2000平台，搭建水系统的仿真模型。图1为机组冷却水系统局部管路和阀门连接关系图，为搭建这一局部的仿真模型，首先，我们需要确定流网的边界，即流网模型起点与终点。并设定对应的边界参数。在本例中，我们将技术供水总供水管和总排水管作为模型的边界，边界参数为总供水管和总排水管的流量与压力值。忽略冷流体流经换热器温度升高的体积变化，换热器也可看作是模型中间的一段管路节点。将OTS2000已有模型按CAD设计图关系连接，便可得到这一部分的流网模型，如图2所示。

图1　技术供水原理图局部

图2　技术供水仿真模型图局部

SimuStudio提供了在线修改和调试参数的灵活手段。每个算法模块都有其对应算法的参数定制窗口，可对模块的输入、输出和系数等参数进行设置、赋值，并设定模块执行速率。参数要根据具体对象的原始设计和动态特性数据等有关资料确定，参数在模型调试时可能还可进一步调整。在流网建模实际应用中，可根据设计图纸上的管径参数作为阀门模型最大流通导纳的参考值。

利用Simustudio的调试窗口，可看到当开启和关闭其中一个阀门时其他连节点压力和流量的变化趋势，如图3所示：当某一支路的阀门关闭时，相邻支路的节点压力和流量会受到影响，排水总管的压力与流量也会发生对应的变化。具体表现为：当某一支路阀门关闭时，后一相邻支路的汇入流量会瞬时减少，导致节点压力会瞬时下降，之后随着支路前后压差的变化，后一节点的流量和压力会逐渐回升，重新平衡后的压力值大于初始值。流量增加的变化速率也与节点上下游的压力差变化密切相关，增速呈先快后慢逐渐趋于稳定。排水总管的压力和流量在快速下降后略微回升，其动态变化过程符合实际物理过程。

图3　技术供水相邻支路流量压力瞬时变化过程

通过在平台上配置合理的计算参数并进行调试，可得到与实际基本一致的实时动态仿真模型。

4　结束语

水电仿真培训系统对提高水电运维人员技术水平、保障安全生产有重要作用，已引起水电建设、生产单位的高度重视。随着水电厂仿真培训范围的不断扩展，仿真精度的不断提高，不仅是主要机电设备，水电厂的其他设备系统的仿真模型研究也越发重要。对流体网络的研究和电厂油水气系统仿真模型的开发，有利于受训员工理解电厂各个系统之间的关联关系，提高仿真培训的灵活性及真实性，更好的为水电厂全仿真培训提供培训及故障演练实用素材。

SimuStudio软件为流体网络模型的修改和搭建提供了一个良好的平台，软件的多种功能，如图形化建模、模型复用、算法编译与封装等提高了仿真建模效率，降低了建模难度；而算法设计编写工具、各种的调试功能则是模型灵活性和精度的保障。该软件在流体网络模型的研究应用有利于推动水电仿真培训技术的发展，也可进一步推广应用于其它水利水电工程及工业过程领域的仿真建模。

参考文献：

[1]王德宽，李鹏.水电站监控系统培训仿真技术的设想与初步研究[J].水电厂自动化，2000(3)：11-13.

[2]王德宽.OTS2000系统的设计思想及功能实现[J].水电自动化与大坝监测，2003(2).

[3]刘宪岭.压水堆核电站一回路流网仿真模型及动态特性研究[D].保定：华北电力大学，2012.

[4]谭波.大型抽水蓄能机组实时动态仿真模型的研究[D].保定：华北电力大学，2013.

[5]张卫君，王德宽，张显兵，等.应用于职业教育培训的水电仿真系统平台[J].水电站机电技术，2015，38（7）：62-64.