[摘 要] 系统仿真不同于传统意义上的可视化仿真技术,它是更高层次的离散系统运行分析过程,是现代工程设计的重要内容。本文结合系统仿真软件Rockwell Arena,详细阐述了系统仿真在蒙古OT供水工程项目中的应用方法与过程,其仿真成果已在该项目工程设计中取得了很好的应用。
[关键词] 离散系统 仿真 蒙古Oyo Tolgoi供水工程
1 概述
传统的可视化仿真技术主要侧重于信息的展示和查询平台,系统仿真则是更高层次的数据分析过程,它通过数值评价手段来研究各种不同的实际系统模型的方法,其评价过程借助于专门的软件来模仿系统的运作或特征。从应用的角度来看,仿真是一个设计和建立实际系统或设想系统的计算机模型的过程,其目的是通过数值实验来更好的理解系统在给定条件下的行为。仿真模型通常按三个方面进行分类:静态与动态、连续与离散、确定与随机。在诸多的仿真软件中,Arena是最具学术性的系统仿真软件,一直在仿真学术界有着很高的声誉,已应用于制造业、物流及供应链、日常生产作业、资源配置、业务过程的规划、系统性能和计划结果的评价、风险预测等。本文结合离散系统仿真技术,探讨系统仿真在蒙古OT供水工程项目中的应用方法与过程。
2 项目概况
Oyo Tolgoi(简称OT)项目是由加拿大艾芬豪蒙古矿业公司(Ivanhoe Mines Mongolia Inc XXK’s)兴建的一个铜金矿项目,位于蒙古人民共和国境内,主要生产开采金、铜矿产资源。蒙古OT供水工程通过开采地下水,为OT矿区提供必要的生产和生活用水。供水系统设计范围为从水源深井起至矿区现场蓄水池入口处止,包括33眼深井群(BH1~BH28, BH31~BH33, BH36~BH37)、5座集水池泵站(CTPS#1~ CTPS#5)、1座分水池泵站(BTPS#1)、1座400 000m3原水储水池(LAGOON水池)、供水管线等主要设施。供水工程推荐方案总体布置示意图见图1。
仿真内容是:根据推荐方案分别对供水工程中涉及的水池、泵、水井、管线系统等实体建立仿真模型,分析以下参数指标:
(1)管路系统流量调度策略及运行方案;
(2)蓄水池LAGOON、分水池BTPS#1、集水池CTP#1~CTP#5水量变化;
(3)蓄水池LAGOON、分水池BTPS#1、集水池CTP#1~CTP#5设计容量校核;
(4)矿厂最低一周需水量保证率;
3 仿真分析模型设计
3.1 仿真模型设计思路
仿真分析的供水流程是一个连续系统,运行过程中各水池蓄水量随时间连续变化,模型设计应采用连续模型与离散模型相结合的方式,供水系统中的5个集水池、分水池、原水蓄水池设计为连续模型,各深水井、集水池泵站、分水池泵站等设计为离散模型。为精确模拟工程运行情况,仿真时间以秒为单位,考虑到各水池没有联动积分关系,采用欧拉积分方式。另一方面,该工程初期运行时间为6年半,可以看作是终态系统,仿真时间设计为2 372天;为尽可能再现运行情况,模拟次数设计为120次。
矿区需水量提供的是工程运行每月的平均需水量,上下浮动比例是8%,日需水量可以采用基于月平均需水量的(0.92,1.08)均匀分布估算。因此,矿区供水可以按月平均需水量进行调度实现。考虑工程所在环境,每年10月到次年3月为冰冻期,原水蓄水池约有50 000m3处于结冰状态,不能作为矿区用水,因此,矿区最低一周蓄水量可以按每年的12个月进行调度实现。
3.2 仿真模型参数设计
(1)连续模型参数设计
仿真模型设计7个连续模型,包括5个集水池、分水池、蓄水池,连续参数有蓄水容积、蓄水速度、流出流量、流入流量等,分别为:
原水蓄水池LAGOON:Qrws、Vrws、Voutrws、Vinrws;
分水池BTPS#1:Qbtps1、Vbtps1、Voutbtps1、Vinbtps1;
集水池CTP#5:Qctp5、Vctp5、Voutctp5、Vinctp5;
集水池CTP#4:Qctp4、Vctp4、Voutctp4、Vinctp4;
集水池CTP#3:Qctp3、Vctp3、Voutctp3、Vinctp3;
集水池CTP#2:Qctp2、Vctp2、Voutctp2、Vinctp2;
集水池CTP#1:Qctp1、Vctp1、Voutctp1、Vinctp1。
(2)离散模型参数设计
矿区需水流量:本月需水量Qdemand;
每日需水量Qdemand*(0.92,1.08)均匀分布;
最低一周用水量:Qnrwsw=Qdemand*24*7(10月到次年3月为冰冻期,+50 000);
蓄水池出水速度:Voutrws=Qdemand*1.15*1 000/3 600;
蓄水池最低水量:Qrwsmin;
蓄水池最大水量:Qrwsmax;
集水池可分配流量:TCP#1-TCP#5,最大值分别为240、240、240、150、150;
集水池可开启井数:TCP#1-TCP#5,最大数分别为6、6、6、5、5。
3.3 仿真模型流程设计
供水工程的运行流程是33眼深井群向集水池(CTP#1~CTP#5)供水,然后5座集水池向主供水线输水,进入分水池后再用分水池泵站(BTPS#1)向原水蓄水池供水,最后自流到达供水区域。
仿真模型流程设计如图2所示。
(1)矿区蓄水量运行调度
仿真时间变换月份时,读取本月矿区蓄水量,调度Qdemand;计算Qnrwsw、Voutrws、Qrwsmin;修改Vrws;
(2)原水蓄水池LOOGON连续模型调度
若QrwsRWS管路流量Voutbtps1;
若Qrws>Qrwsmax:减小BTPS1->RWS管路流量Voutbtps1;
增加Voutbtps1:流量增加一档(大于Voutrws、Vinrws,且为20的倍数);
减小Voutbtps1:流量减小一档(大于Voutrws,且为20的倍数)。
(3)管路系统流量调度
分配管路流量:BTPS1->RWS管路流量变化时需要改变
CTPS#1~CTPS#5流量以适应新的管路流量速度,变更各集水池流量时的选择是不确定的。
①随机选择每个集水池可用的最大水井数量,应能保证管路流量变化;
②根据各水池情况分配各集水池供应流量,应能保证各集水池泵的正常运行(CTPS#1~CTPS#3最小流量为80L/s、CTPS#4~CTPS#5为90L/s);
流量调度计算:管路系统流量变化时,到稳定状态应该有一个过程或时间延迟,以及较长距离的管路系统水量损失。
(4)需水量保证率
实时统计蓄水池蓄水量低于一周最低需水量的时间,计算需水量保证率。
4 仿真结果输出与分析
4.1 矿区每日需水量分析
矿区每日需水量采用基于每月需水量的均匀分布,最大值为Qdemand*1.08,最小值为Qdemand*0.92,其每日、每月需水量变化见图3。
4.2 管路系统流量调度运行方案分析
(1)运行控制方案比较
管路系统流量主要是有原水蓄水池LAGOON调度控制,与矿区需水量、管路系统流量、水池上限水位、下限水位、报警水位有关。调度运行设计有三种控制比选方案,其限制条件见表1。
(2)原水蓄水池水量变化分析
分别使用方案1、方案2、方案3的控制条件,对管路系统调度运行进行模拟,原水蓄水池LAGOON水量变化曲线如图4、图5、图6所示。
(3)运行控制方案比较分析
原水蓄水池几种运行控制方案分别比较分析,其管路系统流量调度方案、矿区需水量保证率分析结果见表2。
从三种控制方案分析结果看,方案1水池利用率较高,但是其蓄水量下下限是不确定的,对于整个供水系统运行控制会变的较为复杂;方案2和方案3的蓄水量上下限是固定的,运行控制较为方便,方案2的矿区需水保证率较低,方案3的管路系统流量变化次数较多,会引起频繁的起泵和停泵操作。综述上述考虑和工程项目的设计要求,方案3是较好的选择。
4.3 分水池、集水池水量变化分析
分水池BTPS#1水量变化与管路系统调度方案有关,集水池CTP#1~CTP#5水量变化与管路流量、各深水井出水流量有关,统计多次仿真结果,各水池水量变化分析结果见表3。
集水池CTP#1~CTP#3在0.5h的水量为504m3,其容积设计为2×400m3是合适的;集水池CTP#4~CTP#5在0.5h的水量为324m3,其容积设计为2×300m3是合适的。
正常情况下,分水池BTPS#1水量变化曲线见图7(其他水池类似)。
5 结语
通过系统仿真技术在蒙古OT供水工程中的应用,实现了工程运行调度的全过程仿真模拟,为工程设计提供了详细的、准确的分析数据,取得了很好的应用效果。该技术的研究与成功应用,提高了仿真技术在生产中的实用性,为现代水利工程设计提供了一项很好的技术支持手段。
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