三峡电站清洁水系统仿真设计

胡安冉，贺文强，李 胜，刘 卓

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

三峡电站清洁水系统包括水厂等供水设施、供水主管道、供水对象管道以及压力表计、流量表计、阀门等设备，供水对象包括设备工作用水、消防用水、生活用水，范围涵盖整个三峡大坝以及电站厂房、厂房外生产区域。清洁水系统的可靠运行直接关系到全电站机电设备的稳定运行以及消防安全。

三峡电站清洁水系统管道布置复杂，且由于需要持续运行，计划检修及平时运行操作较少。相对于水轮发电机组主设备，在设备运行状态掌控、运行操作熟练度、事故应急处置响应速度等方面较为薄弱。且管道、阀门多布置在各廊道、竖井等较为偏僻处，平时运维人员较少有机会可以实地查看、学习，导致部分运维人员对整个清洁水系统的结构、关键节点掌握不到位。如遇事故处理需紧急开启或者隔离水源时，可能无法第一时间发现故障并做出有效处置，存在扩大事故范围的风险。因此有必要开发一套清洁水仿真系统促进清洁水系统运维水平的提升。

1 三峡电站清洁水仿真系统开发的可行性

数字仿真是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件，进而来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就基本能够正确地反映物理世界的特性和参数[1]。数字仿真技术在工业企业已经被广泛应用。经市场考察，类似系统技术成熟，可靠性、准确性较高。三峡电站清洁水系统已投运十余年，结构的完整性、系统性都已经经受住了长期稳定运行的考验，可以说已经非常成熟和稳定。再加上多年来对清洁水系统从供水设施到管道、再到供水对象等多方运行数据的积累，已经完全具备了建立一套现代化清洁水仿真系统开发的条件。

2 清洁水仿真系统主要目标及拟解决的生产难题

2.1 清洁水仿真系统主要目标

完成三峡电站清洁水仿真系统开发，构建清洁水系统三维模型、水系统设备数学模型，实现设备信息查询、操作模拟、故障处置提示、应急演练、员工培训等功能。同时完成一套开放式平台的开发，使系统具有可扩展性，具备推广到其他电站的条件。

2.2 拟解决的生产难题

（1）目前，由于三峡电站清洁水系统管道复杂、供水对象众多，遇清洁水设备操作时需详细查看图纸、现场核对，耗费大量人力。且由于清洁水系统平日操作相对较少，部分运行人员操作经验不足，存在因误操作导致计划外的供水对象停水、进而影响设备运行甚至导致设备停运的风险。建立完善的清洁水仿真系统后，运行人员在计划操作前可在仿真系统中进行模拟操作，准确定位需要操作设备的实际位置，并观察记录每一步操作带来的影响，一方面规避可能造成计划外供水对象停水的误操作；另一面可优化操作顺序、修改实际操作票，在后续的实际操作中省时省力。同时让操作人员在模拟真实操作的过程中有充足的时间进行事故预想，以应对各种可能的突发状况。

（2）三峡电站清洁水设备规模大且管网复杂，随着投运时间增长，存在管路锈蚀导致大量喷水的风险。一旦发生相关不安全事件，若不能快速、准确隔离故障管路，轻则影响供水对象的供水需求，重则可能导致其他运行设备被迫停运甚至水淹厂房。清洁水仿真系统建立后，通过启用提前设置好的模拟水系统故障处置功能，可将实际发生喷水等故障的设备在系统中进行标记，由系统立即给出需隔离设备的参考范围，并显示需操作设备的实际位置。运行人员将系统给出的参考方案与实际情况结合考虑后，快速制定处理方案，精准执行。

（3）清洁水系统的管道、阀门等设备多布置在各廊道、竖井等较为偏僻处，平时运维人员较少有机会可以实地查看、学习。且设备遍布三峡电站管辖范围，目前运行人员仅靠现场学习、图纸学习很难达到牢固掌握的目的。其次，在日常进行清洁水系统相关事故预想时，也只能凭空想象可能出现的后果，不够真实、全面，相应的应急处置措施也会存在漏洞。清洁水仿真系统建立后，一方面日常的学习可将规程图纸与模拟操作相结合，加深印象；另一方面可在其中进行各类故障模拟，就每一项出现的不良后果制定完善的控制措施，真正实现有效的事故预想。甚至可用于完善现场处置方案、运行规程、检修作业规程等权威文件，物尽其用，有效解决上述问题。

3 清洁水仿真系统功能设计

（1）建设三峡电站清洁水系统三维管线图，利用现有CAD 图纸及现场管线位置等数据，完成清洁水系统三维建模（图1）。

图1 三维管线示意图（概念图）

（2）具备完善的培训功能。在仿真系统中按照“水源—供水管—供水对象”的思路对各管线设置层级，查看三维管线图时可通过勾选逐级显示各层次设备。同时三维管线图提供右键查看功能，选中相关设备后，可右键查询“位置信息、供水对象信息”等（图2）。

图2 三维阀门示意图（概念图）

（3）以对象化的思路，建设符合运行维护人员使用习惯的清洁水系统设备对象树，将所有设备纳入该对象树，通过“树干—树枝—树叶”展现设备关系。同时，对象树提供模糊查询功能，以方便使用人员快速定位。

（4）通过在仿真系统数据库中设置“父对象、子对象”实现相关设备的模拟操作，并最终通过三维管线图展示操作效果、显示操作后的影响范围。此外，提供导出功能，支持以表格的形式导出受影响的供水对象。

（5）具备导航功能。在对象树中双击供水对象后，能自动在清洁水三维管线图中跳转至相关设备。

（6）具备操作提醒功能。一是下达相应操作指令后（如：对该管道送/停水），能自动生成操作项；二是能进行应急处置提醒，设置故障设备后，自动生成操作项，完成操作项即可隔离故障。该功能要求在对象树、三维管线图两个途径均可实现。

（7）具备打印功能。包括当前视图打印和操作项、表单打印。

（8）具备故障分析功能。通过与监控系统或三峡电厂智慧运行平台通信，实时读取清洁水系统各压力表计、流量表计数据，进行清洁水系统运行状态分析。发生清洁水泄露时，第一时间触发报警，并自行计算、报告故障位置。

（9）具备应急演练功能。由管理员承担教练角色，设置故障点后，演练人员通过操作相关阀门实现故障隔离，并保证最小范围内的供水中断。

（10）用户管理。正常应用无需登录，提供仿真操作、初始化（一键恢复至清洁水系统正常状态）功能；为管理员配置数据库管理权限。

4 技术路线及主要工作

（1）形成技术要求等技术、商务文件。

（2）采购完成后与合作方共同确认更为具体的项目开发清单。

（3）现场设备信息采集。

（4）仿真系统三维管线图建模。仿真的核心技术是建模方法和仿真支撑系统，先进的建模技术可以提高模型精度，缩短开发时间[2]，为整个清洁水仿真技术打下基础。

（5）仿真系统数据库开发。

（6）仿真系统应用功能开发。

（7）仿真系统功能嵌入。

（8）仿真系统调试。其中模型软件测试包括模型仿真范围的完整性、模型的稳定性、模型的静态特性、模型逼真度及模型运算的实时性；操作员功能测试包括操作界面的逼真度、操作界面响应的实时性；教练员功能测试包括教练员的控制功能、故障设置和消除功能[3]。

（9）仿真系统试运行。

（10）仿真系统功能完善。

5 结语

以“数字化、信息化、智能化、标准化”为发展方向，通过三维建模、可视化、数字化等技术，在虚拟空间中对三峡电站清洁水仿真的全工艺进行建模和模拟仿真，模拟物理世界的运行状态，将有利于填补因清洁水系统设备覆盖面广、操作少造成的安全生产管理空缺。建成后将在设备信息查询、操作模拟、故障处置提示、应急演练、员工培训等方面发挥重要作用。是三峡电站“智慧电站建设”项目的实用性案例，也是践行“科技兴安”安全生产理念的重要举措。