中國儲能網(wǎng)訊：抽水蓄能電站建設是“十四五”期間水電行業(yè)的建設重點，但抽水蓄能電站項目的增多與傳統(tǒng)設計方式在設計效率和效果方面產(chǎn)生了很大矛盾。本文依托灤平抽水蓄能項目，通過自主知識產(chǎn)權數(shù)字化開發(fā)，建立數(shù)字化融合設計平臺。平臺經(jīng)過多個項目驗證，對抽水蓄能電站設計效率有顯著提升，同時為水電工程智能建造和數(shù)字孿生奠定數(shù)據(jù)基礎。
引言
氣候變化是全球共同面臨的挑戰(zhàn)，中國積極履行大國責任，習近平主席向國際社會作出了“中國2030年前碳達峰，2060年前碳中和”的莊嚴承諾。當前，中國正在進行一場深刻的能源革命，著力構建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。中國現(xiàn)有電力結構煤電比重約60%，電力行業(yè)碳排放總量占全國的40%，是中國碳減排的“主戰(zhàn)場”。電源結構清潔化轉(zhuǎn)型是關鍵。中國水、風、光等可再生能源資源豐富，發(fā)展清潔低碳能源，加快構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)“雙碳”目標、應對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”，需承擔起其新的使命。
灤平抽水蓄能電站位于灤平縣小營鎮(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)劃重點工程。電站建設條件優(yōu)越、經(jīng)濟指標好，并且結合礦山采礦、抽蓄電站建設及旅游資源開發(fā)等內(nèi)容，將傳統(tǒng)礦坑變廢為寶，是國內(nèi)首個與礦坑綜合治理相結合的能源電力工程。工程的實施將促進礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復和保護，打造成國內(nèi)與礦坑綜合治理結合的示范工程（圖1）。項目計劃按兩期開發(fā)，一期工程裝機容量1200兆瓦，總裝機容量2400兆瓦。與標準抽蓄電站裝機120萬千瓦相比，項目裝機是常規(guī)抽蓄電站的2.5倍；與傳統(tǒng)水電站相比，抽蓄電站設計周期從5–10年縮短為1–2年。方案比選數(shù)目從3–4個增加為30–40個。平均單位千瓦投資減少50%，采用傳統(tǒng)設計手段很難應對現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)。
圖1 灤平抽水蓄能電站樞紐布置
數(shù)字化融合設計
依托灤平項目，通過自主可控開發(fā)，形成了抽蓄數(shù)字化智能設計平臺（圖2）。平臺采用一庫、三端、N應用的模式，在協(xié)同數(shù)據(jù)庫的基礎上構建了基礎地理數(shù)據(jù)底板模塊、多目標智能規(guī)劃模塊、樞紐布置數(shù)字化設計模塊、專業(yè)方案數(shù)字化設計模塊和標準化計算分析模塊。
圖2 抽蓄數(shù)字化智能設計平臺功能模塊
基礎地理數(shù)據(jù)底板
地理信息數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)是工程建設的數(shù)據(jù)基礎設施。項目通過自建地理信息數(shù)據(jù)底板的方式，構建了集數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)融合為一體的基礎數(shù)據(jù)發(fā)布與應用平臺（圖3）；通過將區(qū)域地質(zhì)構造、地震峰動參數(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)進行處理，構建統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)庫；通過客戶端輕量化地圖引擎發(fā)布企業(yè)地圖服務（圖4）；通過數(shù)據(jù)接口可將數(shù)據(jù)底板與制圖軟件和BIM軟件動態(tài)關聯(lián)；通過自建平臺與設計工具端接口，方便基礎地理數(shù)據(jù)的匯集分析和客戶端調(diào)用。對于高精度涉密數(shù)據(jù)，根據(jù)標準圖幅查找數(shù)據(jù)資源，并通過安全可控的環(huán)境和方式獲取數(shù)據(jù)。
圖3 基礎地理數(shù)據(jù)底板登陸界面
圖4 基礎地理數(shù)據(jù)底板地質(zhì)信息模塊
庫壩一體化智能設計模塊
在宏觀選站址的基礎上，針對性地研發(fā)了基于Civil3D的樞紐方案，微觀參數(shù)化設計工具。將復雜的庫容約束、抽法比約束、挖填平衡約束轉(zhuǎn)換為批量衍生的設計方案，通過設計方案數(shù)據(jù)自動生成Civil3D模型，使得方案比選時間從一天一個縮短至30分鐘一個。基于Civil3D的土方設計功能，研發(fā)了庫壩一體化數(shù)字設計系統(tǒng)：三維地質(zhì)曲面擬合功能通過鉆孔或地質(zhì)橫剖面圖，采用IDW反距離加權算法和Krigin插值算法快速完成地層模型的快速創(chuàng)建，為精確算量和設計打下基礎。在進行樞紐方案布置分析時，應用全庫盆建模、面板壩建模、邊坡開挖、多壩建模等功能模塊，在快速完成方案模型創(chuàng)建的同時，可同時得到庫容曲線、主要工程量等設計指標（圖5、圖6）。通過自研特征水位求解算法，可在庫容曲線、開挖累積曲線、填筑累積曲線等大量基礎數(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，可方便實現(xiàn)對多組方案的創(chuàng)建、組合和分析比較。整個庫壩一體化數(shù)字設計系統(tǒng)，解決了抽蓄在前期規(guī)劃設計時方案布置開口多、試算工作量大、上下庫方案動態(tài)關聯(lián)、方案組合多、方案篩選尋優(yōu)困難等一系列痛難點。
圖5 多壩建模用戶界面
圖6 全庫盆建模用戶界面
協(xié)同分析計算模塊
通過自主知識產(chǎn)權開發(fā)，基于“一庫一平臺”架構，融合客戶端應用與平臺端數(shù)據(jù)匯集與管理，將設計數(shù)據(jù)、設計產(chǎn)品、設計協(xié)同過程和專業(yè)知識進行融合，開發(fā)了抽水蓄能電站計算分析平臺。抽水蓄能電站涉及水力、結構、巖土等計算分析多，但缺少標準化的計算工具。自主開發(fā)了涵蓋水力過渡過程仿真（圖7）、岔管結構分析（圖8）、埋地鋼管結構計算、面板壩級配反濾驗算、水泵水輪機選型、施工進度設計等抽蓄電站設計過程中必須的系列計算分析工具。針對抽水蓄能電站的特點，開發(fā)了自主可控的計算分析模塊，并將中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司60多年的計算書資源，通過模塊化開發(fā)，分板塊、分專業(yè)編寫各類計算分析程序，實現(xiàn)計算分析資源的集中共享、統(tǒng)一維護管理。在復雜結構快速標準化建模的基礎上，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，實現(xiàn)岔管等復雜結構參數(shù)化體型、參數(shù)化邊界向有限元計算模型的便捷轉(zhuǎn)換。
圖7 停泵水錘計算
圖8 岔管體型計算
地下廠房智能設計模塊
自研知識驅(qū)動的地下廠房智能布置算法，基于Revit開發(fā)百余個功能模塊（圖9）。地下廠房模型支持4個輸入?yún)?shù)驅(qū)動，一鍵式生成。采用并行計算加速，支持全廠2000余構件23秒自動生成（圖10）。由于全廠水工、機電模型全部由系統(tǒng)直接生成，設計人員只對模型進行參數(shù)修改，支持模型信息和模型編碼自動生成，消除了由人員操作帶來的數(shù)據(jù)不一致性。
圖9 地下廠房智能設計工具
圖10 地下廠房BIM模型
成效
項目通過自主知識產(chǎn)權數(shù)字化開發(fā)，建立了包含基礎地理數(shù)據(jù)底板模塊、多目標智能規(guī)劃模塊、樞紐布置數(shù)字化設計模塊、專業(yè)方案數(shù)字化設計模塊和標準化計算分析模塊的抽水蓄能電站數(shù)字化融合設計平臺。平臺經(jīng)過多個項目驗證，顯著提升了抽水蓄能電站設計效率，為水電工程智能建造和數(shù)字孿生奠定數(shù)據(jù)基礎。項目累計出圖318張，均采用三維參數(shù)化設計。項目成果推廣應用至12個抽水蓄能電站設計，2023年完成12個項目的可研設計?？蛻舳塑浖站褂么螖?shù)超千次，平臺日均訪問人數(shù)超300人，累計協(xié)同文件數(shù)目超過2萬個，累計授權安裝400余套。項目申請發(fā)明專利11項，取得發(fā)明專利5項、軟件著作權32項。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數(shù)字中國“十佳解決方案”。
