大型給水管網絡泵站運行可靠性分析

王 慶

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

大型給水管網絡的可靠性是指系統滿足客戶需求的程度[1- 2]。可靠性是評估給水管網絡運行水平的一個非常重要的指標[3- 4]。它是由網絡中元素的可靠性和這些元素之間的關系決定的。在考慮一個元素的可靠性時，確定故障概率是關鍵問題。供水管網的水力和機械故障模式是不同的[5]。管道故障、閥門故障、泵故障等是WDN機械故障的來源[6- 8]。另一方面，當配水網絡出現水力故障時，系統無法提供規定壓力范圍內所需的排水量[9]。

水泵站是復雜大型給水管網絡的基本組成部分，它們能提供壓力高效和流量充足的水，這些泵站的開發和維護方面需要巨額支出[10]。泵站安裝的水泵數量應通過準確的成本分析進行計算[11- 12]。

由于泵站在復雜大型給水管網絡中占有重要的地位，本研究通過Visual Basic中的優化模型與EPANET2.0中的仿真相結合[13- 14]，對配水管網中泵站的可靠性進行了研究。以便使決策者在高需求時間的情況下對WDN做出適當的決定，以便應對緊急時刻和滿足客戶的需求。

1 研究區概況

本研究以新疆某大型水利工程為例，水庫壩軸線長6570m，總庫容2000萬m3。主要建筑物由壩頂、泵站、退水閘、引水涵洞退水渠等組成。入庫泵站位于第二標段，包含圍壩(樁號1+800—2+200)填筑、護砌及附屬設施、截滲溝和本標段范圍內庫區開挖整理，入庫泵站及泵站管理用房，供電設施，引水箱涵(樁號YH0+000—YH0+694)(含高速公路穿越)，綠化工程等。

入庫泵站位于水庫庫區西南側樁號2+000位置，主要由前池、泵站、壓力水箱、穿壩箱涵、穿壩涵閘、主副廠房及管理用房等建、構筑物組成。泵站設計流量18m3/s，安裝4臺立式軸流泵，包括固定轉速泵和可變轉速泵。前池采用開敞式，正向進水，擴散角30°，總長度28.65m，總凈度8.6～24.6m。泵房為干室型整體鋼筋混凝土結構。水庫出水采用止回閥斷流。泵站兩側各設置1條自流道，作為水庫出庫向市內配套工程供水的通道，通過采用自流道上2座DN2000蝶閥控制。壓力水箱連接泵房出水流道和穿壩箱涵，采用現澆混凝土結構。寬度自26.0m漸變至10.1m，長18.8m，箱內設置隔墩及結構柱。穿壩箱涵為鋼筋混凝土結構，尺寸為2孔3.0m×3.0m(寬×高)。主副廠房位于前池與壓力水箱之間，主廠房為框架結構，地上層、地下層建筑面積均為418.70，副廠房為單層框架結構，建筑面積339.70。現地管理用房位于主副廠房的西側，為二層磚混結構，總建筑面積400.00。

2 泵站可靠性的定義

在本研究中，泵站的可靠性是指水泵能夠以允許的壓力向需水節點提供足夠的水。

EPANET2.0軟件是在滿足水力分析需求的基礎上開發的[15]。盡管節點中的用水需求可以得到滿足，但這些節點中的最小壓力可能無法得到滿足。將其作為約束條件建立了公式(1)。

REp，t，sc=1 (HAV>HDES)

(1)

式中，N—需求節點的數量；HAV(i，t，sc)—在時間t節點i中的可用壓力，在scth方案中以米為單位；HDES(i，t，sc)—時間t節點i的最小容許壓力，m；REp，t，sc—時間t泵站的可靠性。

泵站在運行期間，水泵發生故障的組合可能有很多種情形，決策者通過加權平均方程計算特定時刻泵站的可靠度要容易得多。如果發生故障的概率稱為sc，可靠性計算如公式(2)：

(2)

式中，NP—泵站中的水泵數量；REp，t—在總的可能故障情況下，泵站在時間t的可靠性。此外在該方程中，應通過泵的故障分析來計算相對標準偏差。

3 案例研究

為了檢驗所提出用于評估機械故障條件下泵站可靠性的方法，設計了一個配水網絡。這個配水網絡沒有任何水箱或蓄水池，由113條管道、1個泵站和78個節點組成。這些泵具有相同的特性。圖1顯示了上述WDN配水網絡的簡圖。

圖1 WDN配水網絡簡圖

如果泵站的水泵滿負荷運行，節點的水量需求有可能在壓力超過最小允許值時得到滿足。當需求減少時，壓力會超過其允許范圍，這將導致更多泄漏，從而降低泵站的可靠性。此外，以最大容量泵送會導致更嚴重的泵腐蝕現象，從而增加了維修成本和電力消耗。因此需要確定一個準確的抽水時間表。

對于該網絡，表1給出了VSP、SSP(可變轉速泵、固定轉速泵)兩種類型泵的泵站調度模式，該調度通過優化建模獲得，并與EPANET2.0關聯。

表1 兩種類型泵站的抽水時間表

在表1中，0和1分別代表泵關閉或開啟實。此外對于變速泵，低于1的數字意味著該泵以低于正常速度的狀態運行。

從圖2可以看出，如果4個泵都同時運行工作，則需求乘數將達到2.4，即使在13時這樣的高峰時間段，需求也將得到完全滿足。如果其中一個泵出現故障，因此另外3個泵工作，則需求乘數將達到1.9。很明顯，只要4個泵都工作，需求就會完全滿足。

圖2 泵組合滿足網絡需求水平的情況

在使用需求驅動模擬方法的EPANET2.0模型中，供水網絡能滿足節點需求的情況下，可能會發生實際水頭低于允許水頭的情況，進而引起負壓。在所涉及的給水網絡中沒有蓄水池，節點所有的需求都需要通過泵的運行來滿足在WDN中，泵站自動工作，假設在泵送調度中，要求3個泵開啟，但是其中一個發生故障時，需要另1臺備用泵自動開始運行，泵站的效率就能保持。在這種情況下，泵站也自動工作。如果網絡面臨機械故障，備用泵將滿足節點需求，但節點壓力降低到WDN最小允許值(50m)以下的可能性將增加。通過公式(1)和公式(2)，假設每個場景都有可能發生的情況下，計算加權平均值。R1=85%(1臺泵故障的概率)，R2=10%(2臺泵故障的概率)，R3=4%(3臺泵故障的概率)，R4=1%(4臺泵故障的概率)。HDES在一天中不同時間的需求可能會有所不同，尤其是在需求較低的時段。3、2、1和0個泵開啟的情況意味著1、2、3和4個泵分別出現故障。圖3展示了采用由固定轉速泵站和可變轉速泵組合的網絡優化模型下泵站的可靠性。

圖3 泵站的可靠性

在圖4中，對4種情況下泵站進行了比較分析。正如預測的那樣，在大量水泵出現故障的高峰時段，每種情況下的可靠性都會降低。固定轉速泵站和可變轉速泵的泵站平均可靠性在一天內分別為0.856和0.764。圖3—4表明具有變速泵的泵站的可靠性降低，但是另一方面，通過使用可變轉速泵，網絡的成本將比固定轉速低。因此決策者應該在成本和可靠性之間進行權衡。

圖4 不同情形下泵站的可靠性評估

4 結語

本文對大型水利樞紐泵站的可靠性進行了研究，可以得出以下結論：隨著高峰時段需求的增加，當系統發生機械故障時，供水網絡在固定壓力下供水能力降低，進一步降低了水泵的可靠性。對網絡的分析結果表明，在采用變結構規劃降低了網絡成本的同時，供水管網的可靠性也降低了。泵站的可靠性計算為泵站規劃決策提供了預警：當供水網絡出現任何緊急的情況下，都需要一個良好的風險管理方案，在發生故障的情況下，需要承擔并接受風險，并提高泵的速度。當故障出現時，可以通過開啟備用泵來保證泵站的可靠性，建設一些蓄水池和水箱也能很好的解決故障。