1. 背景

　　隨著能源有效利用和節(jié)能減排的緊迫需求，綜合能源站的建設引起了越來越多的關注。由于綜合能源站系統(tǒng)復雜，且集發(fā)電、供熱、制冷、蓄能等多種功能于一體，包含大量新設備，沒有成熟的運行經驗，如何保證系統(tǒng)安全和高效地運行，對運行單位帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　由于綜合能源系統(tǒng)存在多能流的耦合，時間尺度的不統(tǒng)一，設施本身機理及協(xié)同運轉機理、動態(tài)特性、協(xié)同調度與優(yōu)化、能源網絡路由、系統(tǒng)評價等一系列技術問題包含在規(guī)劃、設計、建設、運行、運營各個環(huán)節(jié)中，使用仿真技術進行相關研究是比較切實可行的方法。

2. 系統(tǒng)概述

　　綜合能源站仿真系統(tǒng)以北京大風天利科技有限公司成熟的大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks?為基礎，以某能源公司綜合能源站為仿真對象開發(fā)而成，涵蓋了燃氣輪機、汽輪機、發(fā)電機、余熱鍋爐、溴化鋰機組、電制冷機、熱泵、太陽能發(fā)電、儲能裝置、熱力官網、以及各種輔助設備，包括閥門、泵、換熱器等。

　　該仿真系統(tǒng)不但可以用于綜合能源站運行人員的實操培訓、事故演練和上崗考核，而且可以用于各種研究目的，包括運行方案驗證、負荷預測、控制策略優(yōu)化等功能。

圖1 仿真系統(tǒng)軟件組成

3. 軟件組成

　　仿真系統(tǒng)的軟件組成見上方圖 1所示，其中各組成部分的功能下面將逐一說明。

3.1 仿真引擎SimuEngine

　　仿真引擎SimuEngine是大風科技仿真平臺SimuWorks?的重要組成部分，是介于仿真系統(tǒng)和計算機操作系統(tǒng)之間的可視化仿真支撐系統(tǒng)。

3.2 圖形化建模軟件SimuBuilder

　　圖形化建模軟件SimuBuilder也是SimuWorks?的重要組成部分，它在SimuEngine的支撐下，使用圖形化的方法進行系統(tǒng)建模的工具軟件。仿真系統(tǒng)開發(fā)完成后，可以作為工程師站使用。

3.3 設備模塊庫與算法庫

　　SimuWorks?提供了大量成熟的設備模塊庫與算法庫，可以滿足對綜合能源站主要設備和系統(tǒng)仿真的需要。這些仿真數學模型一般是以機理為基礎，適當結合一些必要的經驗公式，并使用運行數據進行修正，既保證了模型的準確度，又保證了實用性。

3.4 綜合能源站系統(tǒng)數學模型

　　在SimuBuilder中，利用上述設備模塊庫，構成綜合能源站系統(tǒng)數學模型組態(tài)圖，進一步生成數學模型源代碼，最終生成可執(zhí)行代碼，用以模擬綜合能源站全流程的動態(tài)特性。

3.5 操作界面

　　操作界面提供對操作員站和就地操作的模擬，用于對仿真運行數據進行查看和修改、對仿真過程進行記錄和控制。

3.6 教控臺軟件SimuTeacher

　　教控臺軟件主要包括以下功能：

　　? 初始工況選擇　　　　? 重演與追憶

　　? 工況快速保存　　　　? 修改仿真速度

　　? 參數修改　　　　　　? 操作監(jiān)視和記錄

　　? 故障設置　　　　　　? 自動分組

　　? 凍結與解凍　　　　　? 遠程控制 

3.7 自動評分系統(tǒng)SimuScorer

　　SimuScorer既可以用于實操考試，也可以用于理論考試。對于實操考試，它支持自定義規(guī)則，可以記錄操作過程，并對學員的操作效果做出自動評價。多人同時考試時，每個考生的試卷可以隨機生成，通過教師端進行集中管理。

4. 硬件組成

　　仿真系統(tǒng)的硬件見下方圖 2所示，主要由普通商用PC機、大屏幕投影系統(tǒng)、網絡設備。

圖2 仿真系統(tǒng)硬件組成

4.1 服務器

　　運行SimuEngine服務器端和數學模型軟件。

4.2 教控臺

　　運行教控臺軟件和自動評分系統(tǒng)，主要用于培訓目的。

4.3 操作員站

　　運行監(jiān)控界面軟件，用于模擬遠程控制室中的監(jiān)控操作。

4.4 就地操作站

　　運行就地操作軟件，用于模擬現(xiàn)場的就地操作。

4.5 工程師站

　　運行SimuEngine客戶端、SimuBuilder、SimuManager等軟件實現(xiàn)二次開發(fā)功能，可以通過修改環(huán)境和設備參數、系統(tǒng)流程和控制策略，構建新的仿真系統(tǒng)，并實現(xiàn)研究、分析和優(yōu)化功能。

4.6 大屏幕投影設備

　　可以用來顯示任一計算機的畫面，主要用于教學和展示目的。

5. 仿真功能

　　根據用戶的要求，仿真系統(tǒng)應該可以實現(xiàn)培訓、展示、體驗和研究等目的，以下針對上述要求加以詳細說明。

5.1 培訓功能

　　可以從如下幾個方面體現(xiàn)對運行人員的培訓功能：

　　1) 認識系統(tǒng)和設備，了解系統(tǒng)動態(tài)特性；

　　2) 熟悉各種工況下的操作；

　　3) 通過故障模擬功能，進行反事故演習；

　　4) 使用自動考評方法，對學員進行考核。

5.2 展示功能

　　透過大屏幕投影，可以展示設備結構、系統(tǒng)工藝流程、不同工況的運行狀況等。另外，還可以利用講解功能軟件，以語音的方式體現(xiàn)展示功能。

5.3 體驗功能

　　通過操作仿真系統(tǒng)，可以體驗系統(tǒng)構成、不同工況下的運行狀況等。

5.4 研究功能

　　針對綜合能源站全流程，可以通過多種方式開展仿真研究工作。這些研究工作可能無法或者很難在實際系統(tǒng)上進行，主要基于以下幾個方面的原因：

　　1) 不是所有的情況都能在實際情況下遇到，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，在實際情況下代價太大，如設備損壞；

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

　　4) 有些工作本來就是準備未來要做的，如更換新型設備。

　　以上有些情況盡管很少遇到，可一旦發(fā)生，可能會導致嚴重的問題。通過仿真系統(tǒng)對可能發(fā)生的情況進行預先研究和分析，將可以很好地解決這一問題。

5.4.1 預測環(huán)境參數變化的影響

　　仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)一樣，很多環(huán)境參數的變化都會影響到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，這些參數包括大氣壓、大氣溫度、燃料品質等。利用仿真系統(tǒng)，可以任意修改這些環(huán)境參數，甚至給出極端情況下的值，通過對系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性的觀察，研究這些參數變化對系統(tǒng)可能產生的影響，給出更合理、更安全的控制運行方案。

5.4.2 尋找最佳設備參數和選型

　　采用不同的設備或者設備狀態(tài)的好壞，將直接影響實際生產的安全和效率。通過修改設備參數，可以在仿真系統(tǒng)上對此進行深入的研究，通過對比選擇不同設備對系統(tǒng)動、靜態(tài)特性的影響，在保證系統(tǒng)安全運行的情況下，實現(xiàn)最高的經濟性能。

5.4.3 尋找最佳控制策略

　　控制系統(tǒng)為增和能源站全流程系統(tǒng)的安全和高效運行，提供了基本的保障。在實際系統(tǒng)上，考慮到安全的因素，很難通過反復試驗尋找最優(yōu)控制策略。通過仿真系統(tǒng)，可以很好地解決這一矛盾，通過對不同的控制參數和控制方案進行研究對比，實現(xiàn)這一目的。

5.4.4 改進工藝流程

　　在進行系統(tǒng)設計或改造時，可以利用方便的圖形化建模功能，針對工藝流程的多種可能方案進行仿真研究，包括設備選型、系統(tǒng)結構、運行方式等，以選擇最佳方案，實現(xiàn)最小的投資、最高的效益。

5.4.5 校核與改進運行規(guī)程

　　可以利用仿真系統(tǒng)對運行規(guī)程進行校核，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并加以改進，并尋找最佳運行方案。