取水泵站的運(yùn)行與調(diào)度管理分析

葉鄧豪

(東莞市江庫聯(lián)網(wǎng)工程中心，廣東 東莞 523808)

1 工程概況

某灌區(qū)梯級(jí)提水系統(tǒng)取水泵站直接從韓江取水，考慮到韓江水位變幅較大，故其一級(jí)泵站采用滑動(dòng)式泵車裝置的移動(dòng)泵站，共包括7臺(tái)泵車，每臺(tái)泵車由SH-20型泵機(jī)組并聯(lián)。輸水系統(tǒng)由集輸水干渠及沉砂池構(gòu)成，渠道有效容積5495m3，調(diào)蓄容積最大值1478m3。二級(jí)泵站24臺(tái)DK-2A機(jī)組，每4臺(tái)并聯(lián)為一組，共6組。灌溉渠道水位與調(diào)蓄容積的關(guān)系詳見表1。

表1 灌溉渠道水位與調(diào)蓄容積關(guān)系表

2 流量平衡與水位控制

2.1 流量平衡

考慮到本梯級(jí)取水泵站中一級(jí)泵站僅為二級(jí)泵站供水，兩級(jí)泵站之間未進(jìn)行區(qū)間分流處理，所以，必須通過調(diào)節(jié)集水渠與二級(jí)泵站引水渠(即輸水渠)的調(diào)蓄容積以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)泵站間的流量平衡，并以一級(jí)泵站的泵機(jī)組為調(diào)節(jié)機(jī)組，改變和調(diào)節(jié)一級(jí)泵站流量，達(dá)到兩級(jí)泵站流量的動(dòng)態(tài)平衡。根據(jù)灌溉需水量確定梯級(jí)泵站系統(tǒng)流量、二級(jí)泵站機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)及流量，并據(jù)此確定一級(jí)泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)[1-2]。本工程一、二級(jí)泵站泵機(jī)組工況均不可調(diào)，故其一級(jí)泵站只能通過一臺(tái)流量調(diào)節(jié)機(jī)組進(jìn)行總流量調(diào)節(jié)與控制，且其機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下的流量應(yīng)不小于二級(jí)泵站流量，即：

Qp1(1)≥Qp2(k)

(1)

一級(jí)泵站機(jī)組退出運(yùn)行狀態(tài)后，其流量應(yīng)不大于二級(jí)泵站流量，即：

Qp1(l-1)≤Qp2(k)

(2)

式中，l—一級(jí)泵站運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)組數(shù)；k—二級(jí)泵站運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)組數(shù)。

一級(jí)泵站運(yùn)行機(jī)組加入到調(diào)節(jié)機(jī)組后，其流量必將超出二級(jí)流量，必須通過調(diào)蓄使渠道水位上升至最高水位，且充滿全部調(diào)蓄容積，之后調(diào)節(jié)機(jī)組便退出運(yùn)行狀態(tài)，使一級(jí)泵站流量低于二級(jí)泵站[3]。以上調(diào)蓄過程中的多余水量經(jīng)由二級(jí)泵站抽提，直至抽空所有調(diào)蓄容積水量，使渠道水位降至最低水位運(yùn)行。然而，按照上述“開—停—開”的次序進(jìn)行泵機(jī)組工況均不可調(diào)情況下的循環(huán)往復(fù)操作，可以達(dá)到泵站之間流量的平衡狀態(tài)但很難維持[4]。

2.2 水位控制

水位不同導(dǎo)致該取水泵站一、二級(jí)揚(yáng)程、機(jī)組工況及能耗等均存在差異，二級(jí)泵站總揚(yáng)程185.4m，渠道水位變幅最大為1.0m，對(duì)二級(jí)泵站揚(yáng)程的影響程度約為0.5%。一級(jí)泵站出水管口位于運(yùn)行水位以下，所以渠道水位對(duì)揚(yáng)程影響較大，同時(shí)還影響調(diào)蓄水量、一級(jí)泵站揚(yáng)程、調(diào)節(jié)機(jī)組開停機(jī)間隔及次數(shù)等參數(shù)[5]。

3 運(yùn)行優(yōu)化模型

通過上述分析可知，本取水泵站一、二級(jí)站之間存在揚(yáng)程、流量等方面的聯(lián)系，二級(jí)站流量決定一級(jí)站流量，且二級(jí)站屬于相對(duì)獨(dú)立的自變運(yùn)行，為此，應(yīng)先進(jìn)行二級(jí)泵站運(yùn)行的優(yōu)化分析。建立泵機(jī)組工況不可調(diào)問題的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行二級(jí)站優(yōu)化運(yùn)行的動(dòng)態(tài)規(guī)劃與求解。該取水泵站泵機(jī)組型號(hào)相同，但臺(tái)數(shù)較多，為簡(jiǎn)化分析，以每4臺(tái)泵機(jī)組為一個(gè)并聯(lián)機(jī)組，且管路裝置方面略有不同。與引水渠水位相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程下設(shè)計(jì)抽提水量最優(yōu)開機(jī)組合所耗費(fèi)的電能E2(m)按下式確定：

(3)

式中，Hm—二級(jí)站揚(yáng)程實(shí)際值，m；Qi—第i臺(tái)機(jī)組實(shí)際流量，m3/s；T—泵站實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，h；ηni—機(jī)組效率；其余參數(shù)含義同前。

本取水泵站應(yīng)當(dāng)以兩級(jí)泵站總能耗為依據(jù)進(jìn)行泵站運(yùn)行方式的確定，兩級(jí)泵站揚(yáng)程、流量及能耗隨著調(diào)蓄容積、水位的變化而變化，為此，應(yīng)當(dāng)確定兩級(jí)泵站總能耗最小的調(diào)蓄容積，以使該取水泵站達(dá)到開機(jī)組合最優(yōu)狀態(tài)[6-7]。

考慮到調(diào)節(jié)機(jī)組間斷運(yùn)行等復(fù)雜因素對(duì)泵站機(jī)組的影響，簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)區(qū)分不同工況分別創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，模擬開機(jī)臺(tái)數(shù)并求解。用Mpi(n)表示泵車工作泵中只有1號(hào)泵工作的泵車數(shù)，Mp2(n)表示泵車工作泵中只有2號(hào)泵工作的泵車數(shù)，Mp3(n)表示1、2號(hào)泵同時(shí)工作的泵車數(shù)，則開機(jī)組合可能包括如下方案：

0≤Mp1(n)≤K1

(4)

0≤Mp2(n)≤K2

(5)

0≤Mp3(n)≤K3

(6)

式中，K1—僅1號(hào)泵工作的泵車數(shù)最大值；K2—僅2號(hào)泵工作的泵車數(shù)最大值；K3—1、2號(hào)泵同時(shí)工作的泵車數(shù)最大值。

由于本取水泵站泵機(jī)組工況不可調(diào)，故僅在1、2號(hào)泵同時(shí)運(yùn)行工況下建立目標(biāo)函數(shù)，此時(shí)Mp3(n)>0，并以2號(hào)泵為調(diào)節(jié)機(jī)組，水量調(diào)節(jié)通過調(diào)蓄容積完成。

(1)目標(biāo)函數(shù)

(7)

式中,Er1— 一、二級(jí)泵站總能耗,kW；ρ—水的密度，kg/m3；H1—一級(jí)泵站揚(yáng)程實(shí)際值，m；Q1、Q2、ηs1、ηs2—僅開1、2號(hào)泵的流量(m3/s)與裝置效率；Q3—同時(shí)開1、2號(hào)泵時(shí)1號(hào)泵的流量(m3/s)與裝置效率；Q4—同時(shí)開1、2號(hào)泵時(shí)2號(hào)泵的流量(m3/s)與裝置效率；td—T時(shí)段內(nèi)機(jī)組總運(yùn)行時(shí)數(shù)，h；t0—調(diào)蓄容積方案下T時(shí)段內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)組總運(yùn)行時(shí)數(shù)，h；tn—調(diào)蓄容積方案下T時(shí)段內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)組總停機(jī)時(shí)數(shù)，h，其余符號(hào)含義同前。按下式確定：

(8)

(9)

(2)約束條件

如前所述，一級(jí)泵站運(yùn)行機(jī)組加入到調(diào)節(jié)機(jī)組后，其流量必將超出二級(jí)流量，即：

Mpi(n)Q1+Mp2(n)Q2+
Mp3(n)(Q3+Q4)≥QP2

(10)

調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行停止后便退出運(yùn)行狀態(tài)，使一級(jí)泵站流量低于二級(jí)泵站，即：

(Mpi(n)+1)Q1+Mp2(n)Q2+
(Mp3(n)-1)(Q3+Q4)≤QP2

(11)

與此同時(shí)，運(yùn)行泵車數(shù)不能超出泵車總數(shù)，即：

Mpi(n)+Mp2(n)+Mp3(n)≤7

(12)

為延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，應(yīng)盡可能減少開停機(jī)次數(shù)，則調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間t0必須比電機(jī)允許運(yùn)行最短時(shí)間[t0]長(zhǎng)，停機(jī)時(shí)間ts也應(yīng)比所允許最小間隔時(shí)間[ts]長(zhǎng)，即：

t0≥[t0]

(13)

ts≥[ts]

(14)

本取水泵站調(diào)節(jié)機(jī)組開停機(jī)時(shí)間受調(diào)蓄容積影響較大，在取水泵站優(yōu)化運(yùn)行分析過程中，必須兼顧調(diào)節(jié)機(jī)組開停機(jī)和調(diào)蓄容積兩個(gè)方面，若式(13)和(14)無法滿足，則必須通過使用小流量泵機(jī)組并增加機(jī)組臺(tái)數(shù)使其交替運(yùn)行以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，并根據(jù)水位進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)控制。

在1、2號(hào)泵同時(shí)運(yùn)行工況下通過調(diào)蓄容積便能實(shí)現(xiàn)和維持兩級(jí)泵站流量均衡狀態(tài)，若某個(gè)約束條件無法滿足正常調(diào)蓄時(shí)，可以通過兩級(jí)泵站間的分流，使部分水量下泄，以確保取水泵站系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。下泄分流必將造成水量的浪費(fèi)，與泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)相違背，為此，應(yīng)調(diào)節(jié)工況，或在所設(shè)計(jì)工況不變的情況下增設(shè)小流量泵機(jī)組以維持泵站流量均衡狀態(tài)，節(jié)約能耗[8]。本文所建立的取水泵站優(yōu)化運(yùn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型解算結(jié)果表明，本取水泵站實(shí)際運(yùn)行中每年可節(jié)省電能54萬kW·h，占年總能耗的6.47%。

4 調(diào)度管理

除本文所研究的泵站調(diào)蓄管理外，取水泵站調(diào)度管理還包括泵站機(jī)電設(shè)備操作、運(yùn)行及維護(hù)、灌區(qū)用水管理、泵站系統(tǒng)運(yùn)行配水、區(qū)間配水調(diào)度、事故處理及設(shè)備檢修等方面[9-10]。取水泵站調(diào)度管理并不直接參與上述過程，而是通過調(diào)度與指揮使上述過程成為有機(jī)整體，有條不紊進(jìn)行，可見，調(diào)度管理是取水泵站系統(tǒng)運(yùn)行及配水的核心，通過調(diào)度管理的優(yōu)化保證泵站系統(tǒng)安全高效、節(jié)能、可靠運(yùn)行。

5 結(jié)論

本取水泵站由兩級(jí)提水系統(tǒng)構(gòu)成，通過建立取水泵站優(yōu)化運(yùn)行模型，進(jìn)行了一、二級(jí)泵站運(yùn)行優(yōu)化的分析與探討。該泵站運(yùn)行后通過調(diào)蓄容積就能達(dá)到并維持一、二級(jí)泵站流量均衡狀態(tài)，節(jié)能高效。與此同時(shí)，還應(yīng)建立完善的泵站調(diào)度管理制度，以使泵站機(jī)電設(shè)備及泵站系統(tǒng)等形成有機(jī)整體，確保取水泵站高效、安全順利運(yùn)行。