1. 系統概述

1.1 仿真對象

　　仿真對象為某能源研究院的示范多能互補分布式能源系統，主要設備包括燃氣內燃機、燃氣鍋爐、余熱直燃機、地源熱泵、電制冷機、太陽能光熱、光伏發電、儲能系統、板式換熱器以及相關輔助設備，包括泵、閥門、管道等。

1.2 技術難點

　　多能互補系統能流過程極其復雜，主要體現在：①一次能源種類多；②能源、電/氣/水/冷媒等流體網絡、負荷、儲能等過程深度耦合；③系統包含了冷、熱、電、氣等多個能流。這給系統的安全和有效運行帶來了嚴峻挑戰。傳統能源系統與多能互補系統的對比如下圖所示：

傳統能源系統與多能互補系統

　　針對該類新型、復雜系統，目前尚缺乏適宜的運行指導方法，以往多采用簡單的經驗組合方式，造成系統運行效率低，未能充分體現新能源，尤其可再生能源的利用效果。隨著能源系統科學的發展，采用多能流耦合的仿真技術實現多能互補系統的研究平臺，已經成為未來能源系統節能降耗、可持續發展的重要方向。

1.3 技術方案與技術路線

　　本項目將采取如下技術方案與路線開展：

　　（1）在原有模型庫基礎上，開發仿真對象特有的設備模型庫與算法庫。原有SimuWorks平臺，已經具備大多數能源、動力、電力和控制系統的主要組成單元模塊，并經過實際過程的檢驗。本項目可能存在少量新的單元模塊。

　　對于常規能源動力過程較少涉及的關鍵設備，包括燃氣內燃機、溴化鋰機組、電制冷機組、燃氣真空熱水鍋爐、地源熱泵機組等，還需要通過實際系統運行數據進行校正和完善，以盡可能準確地反應設備的動態特性和經濟性能。

　　（2）充分利用原有經過檢驗的SimuWorks大型科學計算與仿真引擎構建快速求解方法，構建多能互補仿真研究系統。利用該系統，可以根據負荷預測情況，采用軟件平臺提前進行靜、動態分析研究，給出更合理、更安全的控制運行方案。

　　控制系統為整個多能互補全流程系統的安全和高效運行，提供了基本的保障。在實際系統上，考慮到安全的因素，很難通過反復試驗尋找最優控制策略。本項目所開發的仿真研究系統，可實現對不同的控制參數和控制方案進行研究對比，實現經濟性、能效性等最佳控制運營策略。

　　（3）對所建立仿真研究系統，通過與實際運行數據進行對比，不斷進行修正和完善，最終實現優化運行的目的。

2. 系統功能

　　仿真系統可以用于尋找最佳運營策略、教學培訓、校核與改進運行規程、分析研究等目的，以下針對上述要求加以詳細說明。

2.1 尋找最佳運營策略

　　控制系統為增加能源站全流程系統的安全和高效運行，提供了基本的保障。在實際系統上，考慮到安全的因素，很難通過反復試驗尋找最優控制策略。通過仿真系統，對不同的控制參數和控制方案進行研究對比，實現經濟性、能效性等最佳控制運營策略。

2.2 教學培訓

　　通過模擬主控室和就地操作，實現正常運行、啟停和反事故演習操作的教學、培訓和考評。

2.3 校核與改進運行規程

　　可以利用仿真系統對運行規程進行校核，發現運行存在的問題，并加以改進，尋找最佳運行方案。

2.4 分析研究

　　針對多能互補系統整個工藝流程，通過多種方式開展仿真研究工作，對可能發生的情況進行預先研究和分析，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。

3. 基本要求

3.1 數學模型要求

　　仿真數學模型應以機理為基礎，再結合部分經驗公式，必須既保證模型的準確度，又能夠保證模型的實用性。

　　多能互補系統數學模型除了用于模擬能源、動力、電力和控制系統的運行外，還包括進行經濟性指標計算的模型，用于動態計算在各種運行狀態下的經濟型指標，供研究和分析使用。

3.2 教練員站功能要求

　　仿真系統的教練員站擔負著仿真系統運行控制及監視仿真過程的任務，豐富、方便、實用的教練員站功能，是仿真系統系統能力得以發揮的重要手段，教練員站采用圖形界面，用戶可以使用鼠標方便地完成各種仿真系統的控制和監視。教練員站功能應包括如下功能：

3.2.1 工況選擇和保存

　　用戶可以選擇預先存儲的工況，開始進行仿真運行。也可以隨時將自己希望的工況作為初始條件保存起來。

3.2.2 凍結/解凍

　　可以方便地在任意時刻凍結仿真模型，在需要時恢復仿真模型的運行。

3.2.3 故障設置功能

　　在任何用戶需要時刻，可以加入或消除故障。

3.2.4 回退功能

　　仿真系統運行過程中，可連續記錄仿真系統狀態數據，以便回退到過去某一狀態，回退點由用戶自己選定。

3.2.5 重演功能

　　可以從任一回退點對仿真系統進行重演，重演過程時間由用戶選定。   

3.2.6 加速與減速運行功能

　　對某些快速動態過程，可人為放慢其仿真模型的運行速度，對某些慢速動態過程（如鍋爐上水等），可人為加速其仿真模型的運行速度。還應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 運行監視功能

　　在仿真系統運行中，可以隨時查看或修改模型中的任意變量。

3.3 操作員站功能要求

　　操作員站系統的仿真將與實際現場內容及形式完全一致，包括外觀、操作鍵盤、界面、操作方式等。該系統仿真了現場控制室中的DCS等操作員站功能，為培訓人員反復監視調整運行過程中的各種參數提供了方便，為優化運行奠定了基礎。

3.4 技術指標

3.4.1 仿真精度

　　1)   靜態誤差，關鍵參數＜±0.5％，重要參數＜±1％，一般參數＜±2％；

　　2)   動態誤差，關鍵參數＜±5％，重要參數＜±10％，一般參數趨勢正確

3.4.2 實時性

　　1)   數字仿真系統操作響應周期≤10毫秒

　　2)   慢過程模型運算周期≤500毫秒

　　3)   快過程模型運算周期≤50毫秒

4. 仿真范圍

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

4.1 燃氣熱水鍋爐

　　包括鍋爐本體、除氧器和給水系統。

4.2 電制冷系統

　　包括離心式電制冷機和螺桿式電制冷機。

4.3 地源熱泵系統

　　包括壓縮機、電動機、制冷工況的蒸發器和冷凝器、制熱工況的蒸發器和冷凝器等。

4.4 燃氣內燃機發電系統

　　包括機體、供給系統、潤滑系統、冷卻系統、點火系統、起動系統、電子調速系統等。

4.5 煙氣熱水型溴化鋰機組

　　包括發電機排煙溫度、濕煙氣質量流量、干煙氣質量流量、缸套水熱量、缸套水流量、缸套水進出水溫度等。余熱機組參數包括：低溫熱源參數和低溫熱源熱量。

4.6 儲能系統

　　主要是儲電系統，模擬的參數包括但不限于安全性、循環壽命、充放電效率、放電深度、電壓平臺、能量密度、工作溫度等。

4.7 冷卻塔系統

　　包括冷卻能力、進水溫度/出水溫度、室外設計濕球溫度、額定工況下的冷卻能力、風機電機總功率、蒸發損失、阻力損失、熱水進口數量等參數。

4.8 補水系統

　　包含三種補水系統：定壓罐補水系統、膨脹水箱定壓補水系統、變頻泵定壓補水系統。應根據補水系統的特性模擬實際的運行工況，參數包括補水泵的前后壓力、流量、補水水箱的液位。

4.9 軟化水系統

　　包括管道過濾器、軟化水器、軟化箱、水泵等。

4.10 電氣系統

　　包括燃氣鍋爐系統、電制冷系統、地源熱泵系統、燃氣內燃機發電機組、煙氣熱水型溴化鋰機組、儲能系統、冷卻塔系統、補水系統、軟化水系統等仿真所涉及到的馬達、連接及其控制和保護系統、環境音響和事故模擬。

4.11 控制系統

　　三聯供燃氣鍋爐余熱就地控制系統：控制對象為三聯供系統以及燃氣鍋爐系統主機與輔機主要設備的工藝參數以及重要設備的控制。

　　地源熱泵就地控制系統：控制對象為地緣熱泵系統主機采集監視、工藝采集監視以及主要工藝設備的控制。

　　公輔就地控制系統：公輔系統如全廠公用設備、軟化水系統與冷卻塔系統部分的主要設備的數據采集與工藝參數監視。

　　電氣就地控制系統：控制對象如用變壓器、10kV 開關設備、6kV開關設備、電氣保護設備的主要監控參數。

4.12 機組故障

　　機組故障仿真包括兩個部分：一部分是基于系統、設備本身出現故障的原發性故障，即鍋爐、燃氣內燃機、電氣及控制系統的具體設備可能發生的故障；另一部分是由于運行人員誤操作或未能及時正確調整機組運行狀態而自然引起的故障。