系统仿真在蒙古Oyo,Tolgoi供水工程设计中的应用（霍建伟,陶富岭,郑莉玲）

［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。