综合能源站运营控制策略优化仿真研究系统

1. 背景

　　随着能源有效利用和节能减排的紧迫需求，综合能源站的建设引起了越来越多的关注。由于综合能源站系统复杂，且集发电、供热、制冷、蓄能等多种功能于一体，包含大量新设备，没有成熟的运行经验，如何保证系统安全和高效地运行，对运行单位带来了严峻的挑战。

　　由于综合能源系统存在多能流的耦合，时间尺度的不统一，设施本身机理及协同运转机理、动态特性、协同调度与优化、能源网络路由、系统评价等一系列技术问题包含在规划、设计、建设、运行、运营各个环节中，使用仿真技术进行相关研究是比较切实可行的方法。

2. 系统概述

　　综合能源站仿真系统以北京大风天利科技有限公司成熟的大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks®为基础，以某能源公司综合能源站为仿真对象开发而成，涵盖了燃气轮机、汽轮机、发电机、余热锅炉、溴化锂机组、电制冷机、热泵、太阳能发电、储能装置、热力官网、以及各种辅助设备，包括阀门、泵、换热器等。

　　该仿真系统不但可以用于综合能源站运行人员的实操培训、事故演练和上岗考核，而且可以用于各种研究目的，包括运行方案验证、负荷预测、控制策略优化等功能。

图1 仿真系统软件组成

3. 软件组成

　　仿真系统的软件组成见上方图 1所示，其中各组成部分的功能下面将逐一说明。

3.1 仿真引擎SimuEngine

　　仿真引擎SimuEngine是大风科技仿真平台SimuWorks®的重要组成部分，是介于仿真系统和计算机操作系统之间的可视化仿真支撑系统。

3.2 图形化建模软件SimuBuilder

　　图形化建模软件SimuBuilder也是SimuWorks®的重要组成部分，它在SimuEngine的支撑下，使用图形化的方法进行系统建模的工具软件。仿真系统开发完成后，可以作为工程师站使用。

3.3 设备模块库与算法库

　　SimuWorks®提供了大量成熟的设备模块库与算法库，可以满足对综合能源站主要设备和系统仿真的需要。这些仿真数学模型一般是以机理为基础，适当结合一些必要的经验公式，并使用运行数据进行修正，既保证了模型的准确度，又保证了实用性。

3.4 综合能源站系统数学模型

　　在SimuBuilder中，利用上述设备模块库，构成综合能源站系统数学模型组态图，进一步生成数学模型源代码，最终生成可执行代码，用以模拟综合能源站全流程的动态特性。

3.5 操作界面

　　操作界面提供对操作员站和就地操作的模拟，用于对仿真运行数据进行查看和修改、对仿真过程进行记录和控制。

3.6 教控台软件SimuTeacher

　　教控台软件主要包括以下功能：

　　• 初始工况选择　　　　• 重演与追忆

　　• 工况快速保存　　　　• 修改仿真速度

　　• 参数修改　　　　　　• 操作监视和记录

　　• 故障设置　　　　　　• 自动分组

　　• 冻结与解冻　　　　　• 远程控制 

3.7 自动评分系统SimuScorer

　　SimuScorer既可以用于实操考试，也可以用于理论考试。对于实操考试，它支持自定义规则，可以记录操作过程，并对学员的操作效果做出自动评价。多人同时考试时，每个考生的试卷可以随机生成，通过教师端进行集中管理。

4. 硬件组成

　　仿真系统的硬件见下方图 2所示，主要由普通商用PC机、大屏幕投影系统、网络设备。

图2 仿真系统硬件组成

4.1 服务器

　　运行SimuEngine服务器端和数学模型软件。

4.2 教控台

　　运行教控台软件和自动评分系统，主要用于培训目的。

4.3 操作员站

　　运行监控界面软件，用于模拟远程控制室中的监控操作。

4.4 就地操作站

　　运行就地操作软件，用于模拟现场的就地操作。

4.5 工程师站

　　运行SimuEngine客户端、SimuBuilder、SimuManager等软件实现二次开发功能，可以通过修改环境和设备参数、系统流程和控制策略，构建新的仿真系统，并实现研究、分析和优化功能。

4.6 大屏幕投影设备

　　可以用来显示任一计算机的画面，主要用于教学和展示目的。

5. 仿真功能

　　根据用户的要求，仿真系统应该可以实现培训、展示、体验和研究等目的，以下针对上述要求加以详细说明。

5.1 培训功能

　　可以从如下几个方面体现对运行人员的培训功能：

　　1) 认识系统和设备，了解系统动态特性；

　　2) 熟悉各种工况下的操作；

　　3) 通过故障模拟功能，进行反事故演习；

　　4) 使用自动考评方法，对学员进行考核。

5.2 展示功能

　　透过大屏幕投影，可以展示设备结构、系统工艺流程、不同工况的运行状况等。另外，还可以利用讲解功能软件，以语音的方式体现展示功能。

5.3 体验功能

　　通过操作仿真系统，可以体验系统构成、不同工况下的运行状况等。

5.4 研究功能

　　针对综合能源站全流程，可以通过多种方式开展仿真研究工作。这些研究工作可能无法或者很难在实际系统上进行，主要基于以下几个方面的原因：

　　1) 不是所有的情况都能在实际情况下遇到，或者很难遇到，如极寒天气；

　　2) 有些研究工作可能是破坏性的，在实际情况下代价太大，如设备损坏；

　　3) 有些研究所需的过程太长，不便于在实际系统上开展，如管壁结垢；

　　4) 有些工作本来就是准备未来要做的，如更换新型设备。

　　以上有些情况尽管很少遇到，可一旦发生，可能会导致严重的问题。通过仿真系统对可能发生的情况进行预先研究和分析，将可以很好地解决这一问题。

5.4.1 预测环境参数变化的影响

　　仿真系统与实际系统一样，很多环境参数的变化都会影响到系统的运行状态，这些参数包括大气压、大气温度、燃料品质等。利用仿真系统，可以任意修改这些环境参数，甚至给出极端情况下的值，通过对系统的动、静态特性的观察，研究这些参数变化对系统可能产生的影响，给出更合理、更安全的控制运行方案。

5.4.2 寻找最佳设备参数和选型

　　采用不同的设备或者设备状态的好坏，将直接影响实际生产的安全和效率。通过修改设备参数，可以在仿真系统上对此进行深入的研究，通过对比选择不同设备对系统动、静态特性的影响，在保证系统安全运行的情况下，实现最高的经济性能。

5.4.3 寻找最佳控制策略

　　控制系统为增和能源站全流程系统的安全和高效运行，提供了基本的保障。在实际系统上，考虑到安全的因素，很难通过反复试验寻找最优控制策略。通过仿真系统，可以很好地解决这一矛盾，通过对不同的控制参数和控制方案进行研究对比，实现这一目的。

5.4.4 改进工艺流程

　　在进行系统设计或改造时，可以利用方便的图形化建模功能，针对工艺流程的多种可能方案进行仿真研究，包括设备选型、系统结构、运行方式等，以选择最佳方案，实现最小的投资、最高的效益。

5.4.5 校核与改进运行规程

　　可以利用仿真系统对运行规程进行校核，发现存在的问题，并加以改进，并寻找最佳运行方案。