1. 系統(tǒng)概述

1.1 仿真對(duì)象

　　仿真對(duì)象為某能源研究院的示范多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)，主要設(shè)備包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t、余熱直燃機(jī)、地源熱泵、電制冷機(jī)、太陽(yáng)能光熱、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、板式換熱器以及相關(guān)輔助設(shè)備，包括泵、閥門、管道等。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

　　多能互補(bǔ)系統(tǒng)能流過程極其復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：①一次能源種類多；②能源、電/氣/水/冷媒等流體網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷、儲(chǔ)能等過程深度耦合；③系統(tǒng)包含了冷、熱、電、氣等多個(gè)能流。這給系統(tǒng)的安全和有效運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與多能互補(bǔ)系統(tǒng)的對(duì)比如下圖所示：

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與多能互補(bǔ)系統(tǒng)

　　針對(duì)該類新型、復(fù)雜系統(tǒng)，目前尚缺乏適宜的運(yùn)行指導(dǎo)方法，以往多采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)組合方式，造成系統(tǒng)運(yùn)行效率低，未能充分體現(xiàn)新能源，尤其可再生能源的利用效果。隨著能源系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，采用多能流耦合的仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的研究平臺(tái)，已經(jīng)成為未來能源系統(tǒng)節(jié)能降耗、可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

1.3 技術(shù)方案與技術(shù)路線

　　本項(xiàng)目將采取如下技術(shù)方案與路線開展：

　　（1）在原有模型庫(kù)基礎(chǔ)上，開發(fā)仿真對(duì)象特有的設(shè)備模型庫(kù)與算法庫(kù)。原有SimuWorks平臺(tái)，已經(jīng)具備大多數(shù)能源、動(dòng)力、電力和控制系統(tǒng)的主要組成單元模塊，并經(jīng)過實(shí)際過程的檢驗(yàn)。本項(xiàng)目可能存在少量新的單元模塊。

　　對(duì)于常規(guī)能源動(dòng)力過程較少涉及的關(guān)鍵設(shè)備，包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、溴化鋰機(jī)組、電制冷機(jī)組、燃?xì)庹婵諢崴仩t、地源熱泵機(jī)組等，還需要通過實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和完善，以盡可能準(zhǔn)確地反應(yīng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性和經(jīng)濟(jì)性能。

　　（2）充分利用原有經(jīng)過檢驗(yàn)的SimuWorks大型科學(xué)計(jì)算與仿真引擎構(gòu)建快速求解方法，構(gòu)建多能互補(bǔ)仿真研究系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，可以根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)情況，采用軟件平臺(tái)提前進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析研究，給出更合理、更安全的控制運(yùn)行方案。

　　控制系統(tǒng)為整個(gè)多能互補(bǔ)全流程系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行，提供了基本的保障。在實(shí)際系統(tǒng)上，考慮到安全的因素，很難通過反復(fù)試驗(yàn)尋找最優(yōu)控制策略。本項(xiàng)目所開發(fā)的仿真研究系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的控制參數(shù)和控制方案進(jìn)行研究對(duì)比，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、能效性等最佳控制運(yùn)營(yíng)策略。

　　（3）對(duì)所建立仿真研究系統(tǒng)，通過與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，不斷進(jìn)行修正和完善，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行的目的。

2. 系統(tǒng)功能

　　仿真系統(tǒng)可以用于尋找最佳運(yùn)營(yíng)策略、教學(xué)培訓(xùn)、校核與改進(jìn)運(yùn)行規(guī)程、分析研究等目的，以下針對(duì)上述要求加以詳細(xì)說明。

2.1 尋找最佳運(yùn)營(yíng)策略

　　控制系統(tǒng)為增加能源站全流程系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行，提供了基本的保障。在實(shí)際系統(tǒng)上，考慮到安全的因素，很難通過反復(fù)試驗(yàn)尋找最優(yōu)控制策略。通過仿真系統(tǒng)，對(duì)不同的控制參數(shù)和控制方案進(jìn)行研究對(duì)比，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、能效性等最佳控制運(yùn)營(yíng)策略。

2.2 教學(xué)培訓(xùn)

　　通過模擬主控室和就地操作，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行、啟停和反事故演習(xí)操作的教學(xué)、培訓(xùn)和考評(píng)。

2.3 校核與改進(jìn)運(yùn)行規(guī)程

　　可以利用仿真系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行存在的問題，并加以改進(jìn)，尋找最佳運(yùn)行方案。

2.4 分析研究

　　針對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)整個(gè)工藝流程，通過多種方式開展仿真研究工作，對(duì)可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)先研究和分析，具體情形包括但不限于以下：

　　1）不是所有的情況都能在實(shí)際情況下遇到，或者很難遇到，如極寒天氣；

　　2）有些研究工作可能是破壞性的，在實(shí)際情況下代價(jià)太大，如設(shè)備損壞；

　　3）有些研究所需的過程太長(zhǎng)，不便于在實(shí)際系統(tǒng)上開展，如管壁結(jié)垢；

　　4）有些工作本來就是準(zhǔn)備未來要做的，如更換新型設(shè)備。

3. 基本要求

3.1 數(shù)學(xué)模型要求

　　仿真數(shù)學(xué)模型應(yīng)以機(jī)理為基礎(chǔ)，再結(jié)合部分經(jīng)驗(yàn)公式，必須既保證模型的準(zhǔn)確度，又能夠保證模型的實(shí)用性。

　　多能互補(bǔ)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型除了用于模擬能源、動(dòng)力、電力和控制系統(tǒng)的運(yùn)行外，還包括進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算的模型，用于動(dòng)態(tài)計(jì)算在各種運(yùn)行狀態(tài)下的經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，供研究和分析使用。

3.2 教練員站功能要求

　　仿真系統(tǒng)的教練員站擔(dān)負(fù)著仿真系統(tǒng)運(yùn)行控制及監(jiān)視仿真過程的任務(wù)，豐富、方便、實(shí)用的教練員站功能，是仿真系統(tǒng)系統(tǒng)能力得以發(fā)揮的重要手段，教練員站采用圖形界面，用戶可以使用鼠標(biāo)方便地完成各種仿真系統(tǒng)的控制和監(jiān)視。教練員站功能應(yīng)包括如下功能：

3.2.1 工況選擇和保存

　　用戶可以選擇預(yù)先存儲(chǔ)的工況，開始進(jìn)行仿真運(yùn)行。也可以隨時(shí)將自己希望的工況作為初始條件保存起來。

3.2.2 凍結(jié)/解凍

　　可以方便地在任意時(shí)刻凍結(jié)仿真模型，在需要時(shí)恢復(fù)仿真模型的運(yùn)行。

3.2.3 故障設(shè)置功能

　　在任何用戶需要時(shí)刻，可以加入或消除故障。

3.2.4 回退功能

　　仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可連續(xù)記錄仿真系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便回退到過去某一狀態(tài)，回退點(diǎn)由用戶自己選定。

3.2.5 重演功能

　　可以從任一回退點(diǎn)對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行重演，重演過程時(shí)間由用戶選定。   

3.2.6 加速與減速運(yùn)行功能

　　對(duì)某些快速動(dòng)態(tài)過程，可人為放慢其仿真模型的運(yùn)行速度，對(duì)某些慢速動(dòng)態(tài)過程（如鍋爐上水等），可人為加速其仿真模型的運(yùn)行速度。還應(yīng)提供模型整體加速功能，可將整體仿真模型加減速0至10倍。

3.2.7 運(yùn)行監(jiān)視功能

　　在仿真系統(tǒng)運(yùn)行中，可以隨時(shí)查看或修改模型中的任意變量。

3.3 操作員站功能要求

　　操作員站系統(tǒng)的仿真將與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)容及形式完全一致，包括外觀、操作鍵盤、界面、操作方式等。該系統(tǒng)仿真了現(xiàn)場(chǎng)控制室中的DCS等操作員站功能，為培訓(xùn)人員反復(fù)監(jiān)視調(diào)整運(yùn)行過程中的各種參數(shù)提供了方便，為優(yōu)化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

3.4 技術(shù)指標(biāo)

3.4.1 仿真精度

　　1)   靜態(tài)誤差，關(guān)鍵參數(shù)＜±0.5％，重要參數(shù)＜±1％，一般參數(shù)＜±2％；

　　2)   動(dòng)態(tài)誤差，關(guān)鍵參數(shù)＜±5％，重要參數(shù)＜±10％，一般參數(shù)趨勢(shì)正確

3.4.2 實(shí)時(shí)性

　　1)   數(shù)字仿真系統(tǒng)操作響應(yīng)周期≤10毫秒

　　2)   慢過程模型運(yùn)算周期≤500毫秒

　　3)   快過程模型運(yùn)算周期≤50毫秒

4. 仿真范圍

　　仿真的范圍包括多能互補(bǔ)系統(tǒng)所有工藝設(shè)備，包括主要設(shè)備和輔助設(shè)備，其中輔助設(shè)備包括泵、閥門、容器、換熱器等，部分主要設(shè)備如下：

4.1 燃?xì)鉄崴仩t

　　包括鍋爐本體、除氧器和給水系統(tǒng)。

4.2 電制冷系統(tǒng)

　　包括離心式電制冷機(jī)和螺桿式電制冷機(jī)。

4.3 地源熱泵系統(tǒng)

　　包括壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、制冷工況的蒸發(fā)器和冷凝器、制熱工況的蒸發(fā)器和冷凝器等。

4.4 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

　　包括機(jī)體、供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)、電子調(diào)速系統(tǒng)等。

4.5 煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組

　　包括發(fā)電機(jī)排煙溫度、濕煙氣質(zhì)量流量、干煙氣質(zhì)量流量、缸套水熱量、缸套水流量、缸套水進(jìn)出水溫度等。余熱機(jī)組參數(shù)包括：低溫?zé)嵩磪?shù)和低溫?zé)嵩礋崃俊?/span>

4.6 儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　主要是儲(chǔ)電系統(tǒng)，模擬的參數(shù)包括但不限于安全性、循環(huán)壽命、充放電效率、放電深度、電壓平臺(tái)、能量密度、工作溫度等。

4.7 冷卻塔系統(tǒng)

　　包括冷卻能力、進(jìn)水溫度/出水溫度、室外設(shè)計(jì)濕球溫度、額定工況下的冷卻能力、風(fēng)機(jī)電機(jī)總功率、蒸發(fā)損失、阻力損失、熱水進(jìn)口數(shù)量等參數(shù)。

4.8 補(bǔ)水系統(tǒng)

　　包含三種補(bǔ)水系統(tǒng)：定壓罐補(bǔ)水系統(tǒng)、膨脹水箱定壓補(bǔ)水系統(tǒng)、變頻泵定壓補(bǔ)水系統(tǒng)。應(yīng)根據(jù)補(bǔ)水系統(tǒng)的特性模擬實(shí)際的運(yùn)行工況，參數(shù)包括補(bǔ)水泵的前后壓力、流量、補(bǔ)水水箱的液位。

4.9 軟化水系統(tǒng)

　　包括管道過濾器、軟化水器、軟化箱、水泵等。

4.10 電氣系統(tǒng)

　　包括燃?xì)忮仩t系統(tǒng)、電制冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、軟化水系統(tǒng)等仿真所涉及到的馬達(dá)、連接及其控制和保護(hù)系統(tǒng)、環(huán)境音響和事故模擬。

4.11 控制系統(tǒng)

　　三聯(lián)供燃?xì)忮仩t余熱就地控制系統(tǒng)：控制對(duì)象為三聯(lián)供系統(tǒng)以及燃?xì)忮仩t系統(tǒng)主機(jī)與輔機(jī)主要設(shè)備的工藝參數(shù)以及重要設(shè)備的控制。

　　地源熱泵就地控制系統(tǒng)：控制對(duì)象為地緣熱泵系統(tǒng)主機(jī)采集監(jiān)視、工藝采集監(jiān)視以及主要工藝設(shè)備的控制。

　　公輔就地控制系統(tǒng)：公輔系統(tǒng)如全廠公用設(shè)備、軟化水系統(tǒng)與冷卻塔系統(tǒng)部分的主要設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與工藝參數(shù)監(jiān)視。

　　電氣就地控制系統(tǒng)：控制對(duì)象如用變壓器、10kV 開關(guān)設(shè)備、6kV開關(guān)設(shè)備、電氣保護(hù)設(shè)備的主要監(jiān)控參數(shù)。

4.12 機(jī)組故障

　　機(jī)組故障仿真包括兩個(gè)部分：一部分是基于系統(tǒng)、設(shè)備本身出現(xiàn)故障的原發(fā)性故障，即鍋爐、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、電氣及控制系統(tǒng)的具體設(shè)備可能發(fā)生的故障；另一部分是由于運(yùn)行人員誤操作或未能及時(shí)正確調(diào)整機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)而自然引起的故障。