中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：抽水蓄能電站建設(shè)是“十四五”期間水電行業(yè)的建設(shè)重點(diǎn)，但抽水蓄能電站項(xiàng)目的增多與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式在設(shè)計(jì)效率和效果方面產(chǎn)生了很大矛盾。本文依托灤平抽水蓄能項(xiàng)目，通過(guò)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)字化開(kāi)發(fā)，建立數(shù)字化融合設(shè)計(jì)平臺(tái)。平臺(tái)經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證，對(duì)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)效率有顯著提升，同時(shí)為水電工程智能建造和數(shù)字孿生奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
引言
氣候變化是全球共同面臨的挑戰(zhàn)，中國(guó)積極履行大國(guó)責(zé)任，習(xí)近平主席向國(guó)際社會(huì)作出了“中國(guó)2030年前碳達(dá)峰，2060年前碳中和”的莊嚴(yán)承諾。當(dāng)前，中國(guó)正在進(jìn)行一場(chǎng)深刻的能源革命，著力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。中國(guó)現(xiàn)有電力結(jié)構(gòu)煤電比重約60%，電力行業(yè)碳排放總量占全國(guó)的40%，是中國(guó)碳減排的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。電源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵。中國(guó)水、風(fēng)、光等可再生能源資源豐富，發(fā)展清潔低碳能源，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑。抽水蓄能作為新型電力系統(tǒng)的“穩(wěn)定器”，需承擔(dān)起其新的使命。
灤平抽水蓄能電站位于灤平縣小營(yíng)鎮(zhèn)，距承德市直線距離30千米，距首都北京直線距離170千米，是河北省“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)工程。電站建設(shè)條件優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，并且結(jié)合礦山采礦、抽蓄電站建設(shè)及旅游資源開(kāi)發(fā)等內(nèi)容，將傳統(tǒng)礦坑變廢為寶，是國(guó)內(nèi)首個(gè)與礦坑綜合治理相結(jié)合的能源電力工程。工程的實(shí)施將促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)和保護(hù)，打造成國(guó)內(nèi)與礦坑綜合治理結(jié)合的示范工程（圖1）。項(xiàng)目計(jì)劃按兩期開(kāi)發(fā)，一期工程裝機(jī)容量1200兆瓦，總裝機(jī)容量2400兆瓦。與標(biāo)準(zhǔn)抽蓄電站裝機(jī)120萬(wàn)千瓦相比，項(xiàng)目裝機(jī)是常規(guī)抽蓄電站的2.5倍；與傳統(tǒng)水電站相比，抽蓄電站設(shè)計(jì)周期從5–10年縮短為1–2年。方案比選數(shù)目從3–4個(gè)增加為30–40個(gè)。平均單位千瓦投資減少50%，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段很難應(yīng)對(duì)現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)。
圖1 灤平抽水蓄能電站樞紐布置
數(shù)字化融合設(shè)計(jì)
依托灤平項(xiàng)目，通過(guò)自主可控開(kāi)發(fā)，形成了抽蓄數(shù)字化智能設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖2）。平臺(tái)采用一庫(kù)、三端、N應(yīng)用的模式，在協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)底板模塊、多目標(biāo)智能規(guī)劃模塊、樞紐布置數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊、專業(yè)方案數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊和標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算分析模塊。
圖2 抽蓄數(shù)字化智能設(shè)計(jì)平臺(tái)功能模塊
基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)底板
地理信息數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)是工程建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。項(xiàng)目通過(guò)自建地理信息數(shù)據(jù)底板的方式，構(gòu)建了集數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)融合為一體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)布與應(yīng)用平臺(tái)（圖3）；通過(guò)將區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震峰動(dòng)參數(shù)、生態(tài)紅線、踏勘數(shù)據(jù)、高精度航拍數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)客戶端輕量化地圖引擎發(fā)布企業(yè)地圖服務(wù)（圖4）；通過(guò)數(shù)據(jù)接口可將數(shù)據(jù)底板與制圖軟件和BIM軟件動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)；通過(guò)自建平臺(tái)與設(shè)計(jì)工具端接口，方便基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的匯集分析和客戶端調(diào)用。對(duì)于高精度涉密數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖幅查找數(shù)據(jù)資源，并通過(guò)安全可控的環(huán)境和方式獲取數(shù)據(jù)。
圖3 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)底板登陸界面
圖4 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)底板地質(zhì)信息模塊
庫(kù)壩一體化智能設(shè)計(jì)模塊
在宏觀選站址的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地研發(fā)了基于Civil3D的樞紐方案，微觀參數(shù)化設(shè)計(jì)工具。將復(fù)雜的庫(kù)容約束、抽法比約束、挖填平衡約束轉(zhuǎn)換為批量衍生的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)自動(dòng)生成Civil3D模型，使得方案比選時(shí)間從一天一個(gè)縮短至30分鐘一個(gè)?；贑ivil3D的土方設(shè)計(jì)功能，研發(fā)了庫(kù)壩一體化數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)：三維地質(zhì)曲面擬合功能通過(guò)鉆孔或地質(zhì)橫剖面圖，采用IDW反距離加權(quán)算法和Krigin插值算法快速完成地層模型的快速創(chuàng)建，為精確算量和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在進(jìn)行樞紐方案布置分析時(shí)，應(yīng)用全庫(kù)盆建模、面板壩建模、邊坡開(kāi)挖、多壩建模等功能模塊，在快速完成方案模型創(chuàng)建的同時(shí)，可同時(shí)得到庫(kù)容曲線、主要工程量等設(shè)計(jì)指標(biāo)（圖5、圖6）。通過(guò)自研特征水位求解算法，可在庫(kù)容曲線、開(kāi)挖累積曲線、填筑累積曲線等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，快速搜尋出可能的最優(yōu)特征水位。方案管理器功能，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)多組方案的創(chuàng)建、組合和分析比較。整個(gè)庫(kù)壩一體化數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)，解決了抽蓄在前期規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)方案布置開(kāi)口多、試算工作量大、上下庫(kù)方案動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、方案組合多、方案篩選尋優(yōu)困難等一系列痛難點(diǎn)。
圖5 多壩建模用戶界面
圖6 全庫(kù)盆建模用戶界面
協(xié)同分析計(jì)算模塊
通過(guò)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開(kāi)發(fā)，基于“一庫(kù)一平臺(tái)”架構(gòu)，融合客戶端應(yīng)用與平臺(tái)端數(shù)據(jù)匯集與管理，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品、設(shè)計(jì)協(xié)同過(guò)程和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行融合，開(kāi)發(fā)了抽水蓄能電站計(jì)算分析平臺(tái)。抽水蓄能電站涉及水力、結(jié)構(gòu)、巖土等計(jì)算分析多，但缺少標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算工具。自主開(kāi)發(fā)了涵蓋水力過(guò)渡過(guò)程仿真（圖7）、岔管結(jié)構(gòu)分析（圖8）、埋地鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算、面板壩級(jí)配反濾驗(yàn)算、水泵水輪機(jī)選型、施工進(jìn)度設(shè)計(jì)等抽蓄電站設(shè)計(jì)過(guò)程中必須的系列計(jì)算分析工具。針對(duì)抽水蓄能電站的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了自主可控的計(jì)算分析模塊，并將中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司60多年的計(jì)算書(shū)資源，通過(guò)模塊化開(kāi)發(fā)，分板塊、分專業(yè)編寫各類計(jì)算分析程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析資源的集中共享、統(tǒng)一維護(hù)管理。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速標(biāo)準(zhǔn)化建模的基礎(chǔ)上，研發(fā)了體型參數(shù)或BIM模型至CAE模型高效轉(zhuǎn)換接口，將連續(xù)、復(fù)雜、非規(guī)則的幾何模型轉(zhuǎn)換為離散、規(guī)則的數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)岔管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)化體型、參數(shù)化邊界向有限元計(jì)算模型的便捷轉(zhuǎn)換。
圖7 停泵水錘計(jì)算
圖8 岔管體型計(jì)算
地下廠房智能設(shè)計(jì)模塊
自研知識(shí)驅(qū)動(dòng)的地下廠房智能布置算法，基于Revit開(kāi)發(fā)百余個(gè)功能模塊（圖9）。地下廠房模型支持4個(gè)輸入?yún)?shù)驅(qū)動(dòng)，一鍵式生成。采用并行計(jì)算加速，支持全廠2000余構(gòu)件23秒自動(dòng)生成（圖10）。由于全廠水工、機(jī)電模型全部由系統(tǒng)直接生成，設(shè)計(jì)人員只對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)修改，支持模型信息和模型編碼自動(dòng)生成，消除了由人員操作帶來(lái)的數(shù)據(jù)不一致性。
圖9 地下廠房智能設(shè)計(jì)工具
圖10 地下廠房BIM模型
成效
項(xiàng)目通過(guò)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)字化開(kāi)發(fā)，建立了包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)底板模塊、多目標(biāo)智能規(guī)劃模塊、樞紐布置數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊、專業(yè)方案數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊和標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算分析模塊的抽水蓄能電站數(shù)字化融合設(shè)計(jì)平臺(tái)。平臺(tái)經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證，顯著提升了抽水蓄能電站設(shè)計(jì)效率，為水電工程智能建造和數(shù)字孿生奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。項(xiàng)目累計(jì)出圖318張，均采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目成果推廣應(yīng)用至12個(gè)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)，2023年完成12個(gè)項(xiàng)目的可研設(shè)計(jì)?？蛻舳塑浖站褂么螖?shù)超千次，平臺(tái)日均訪問(wèn)人數(shù)超300人，累計(jì)協(xié)同文件數(shù)目超過(guò)2萬(wàn)個(gè)，累計(jì)授權(quán)安裝400余套。項(xiàng)目申請(qǐng)發(fā)明專利11項(xiàng)，取得發(fā)明專利5項(xiàng)、軟件著作權(quán)32項(xiàng)。面向綠色低碳清潔能源發(fā)展的水電工程數(shù)字孿生解決方案獲評(píng)數(shù)字中國(guó)“十佳解決方案”。
