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(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、供水對象管道以及壓力表計、流量表計、閥門等設(shè)備，供水對象包括設(shè)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(chǎn)區(qū)域。清潔水系統(tǒng)的可靠運行直接關(guān)系到全電站機電設(shè)備的穩(wěn)定運行以及消防安全。

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)運行，計劃檢修及平時運行操作較少。相對于水輪發(fā)電機組主設(shè)備，在設(shè)備運行狀態(tài)掌控、運行操作熟練度、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(xué)習(xí)，導(dǎo)致部分運維人員對整個清潔水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵節(jié)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(fā)現(xiàn)故障并做出有效處置，存在擴大事故范圍的風(fēng)險。因此有必要開發(fā)一套清潔水仿真系統(tǒng)促進清潔水系統(tǒng)運維水平的提升。

1 三峽電站清潔水仿真系統(tǒng)開發(fā)的可行性

數(shù)字仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機理的模型轉(zhuǎn)化成軟件，進而來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)市場考察，類似系統(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)受住了長期穩(wěn)定運行的考驗，可以說已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定。再加上多年來對清潔水系統(tǒng)從供水設(shè)施到管道、再到供水對象等多方運行數(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。同時完成一套開放式平臺的開發(fā)，使系統(tǒng)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(chǎn)難題

（1）目前，由于三峽電站清潔水系統(tǒng)管道復(fù)雜、供水對象眾多，遇清潔水設(shè)備操作時需詳細查看圖紙、現(xiàn)場核對，耗費大量人力。且由于清潔水系統(tǒng)平日操作相對較少，部分運行人員操作經(jīng)驗不足，存在因誤操作導(dǎo)致計劃外的供水對象停水、進而影響設(shè)備運行甚至導(dǎo)致設(shè)備停運的風(fēng)險。建立完善的清潔水仿真系統(tǒng)后，運行人員在計劃操作前可在仿真系統(tǒng)中進行模擬操作，準(zhǔn)確定位需要操作設(shè)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(guī)避可能造成計劃外供水對象停水的誤操作；另一面可優(yōu)化操作順序、修改實際操作票，在后續(xù)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(yù)想，以應(yīng)對各種可能的突發(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，隨著投運時間增長，存在管路銹蝕導(dǎo)致大量噴水的風(fēng)險。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，輕則影響供水對象的供水需求，重則可能導(dǎo)致其他運行設(shè)備被迫停運甚至水淹廠房。清潔水仿真系統(tǒng)建立后，通過啟用提前設(shè)置好的模擬水系統(tǒng)故障處置功能，可將實際發(fā)生噴水等故障的設(shè)備在系統(tǒng)中進行標(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)備的實際位置。運行人員將系統(tǒng)給出的參考方案與實際情況結(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、閥門等設(shè)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(xué)習(xí)。且設(shè)備遍布三峽電站管轄范圍，目前運行人員僅靠現(xiàn)場學(xué)習(xí)、圖紙學(xué)習(xí)很難達到牢固掌握的目的。其次，在日常進行清潔水系統(tǒng)相關(guān)事故預(yù)想時，也只能憑空想象可能出現(xiàn)的后果，不夠真實、全面，相應(yīng)的應(yīng)急處置措施也會存在漏洞。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行各類故障模擬，就每一項出現(xiàn)的不良后果制定完善的控制措施，真正實現(xiàn)有效的事故預(yù)想。甚至可用于完善現(xiàn)場處置方案、運行規(guī)程、檢修作業(yè)規(guī)程等權(quán)威文件，物盡其用，有效解決上述問題。

3 清潔水仿真系統(tǒng)功能設(shè)計

（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—供水對象”的思路對各管線設(shè)置層級，查看三維管線圖時可通過勾選逐級顯示各層次設(shè)備。同時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(shè)符合運行維護人員使用習(xí)慣的清潔水系統(tǒng)設(shè)備對象樹，將所有設(shè)備納入該對象樹，通過“樹干—樹枝—樹葉”展現(xiàn)設(shè)備關(guān)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫中設(shè)置“父對象、子對象”實現(xiàn)相關(guān)設(shè)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(dǎo)出功能，支持以表格的形式導(dǎo)出受影響的供水對象。

（5）具備導(dǎo)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(zhuǎn)至相關(guān)設(shè)備。

（6）具備操作提醒功能。一是下達相應(yīng)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(yīng)急處置提醒，設(shè)置故障設(shè)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(xiàn)。

（7）具備打印功能。包括當(dāng)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(jiān)控系統(tǒng)或三峽電廠智慧運行平臺通信，實時讀取清潔水系統(tǒng)各壓力表計、流量表計數(shù)據(jù)，進行清潔水系統(tǒng)運行狀態(tài)分析。發(fā)生清潔水泄露時，第一時間觸發(fā)報警，并自行計算、報告故障位置。

（9）具備應(yīng)急演練功能。由管理員承擔(dān)教練角色，設(shè)置故障點后，演練人員通過操作相關(guān)閥門實現(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?fù)瓿珊笈c合作方共同確認(rèn)更為具體的項目開發(fā)清單。

（3）現(xiàn)場設(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)，先進的建模技術(shù)可以提高模型精度，縮短開發(fā)時間[2]，為整個清潔水仿真技術(shù)打下基礎(chǔ)。

（5）仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫開發(fā)。

（6）仿真系統(tǒng)應(yīng)用功能開發(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(yīng)的實時性；教練員功能測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)試運行。

（10）仿真系統(tǒng)功能完善。

5 結(jié)語

以“數(shù)字化、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化”為發(fā)展方向，通過三維建模、可視化、數(shù)字化等技術(shù)，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(tài)，將有利于填補因清潔水系統(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)”項目的實用性案例，也是踐行“科技興安”安全生產(chǎn)理念的重要舉措。