泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)計算
2014-12-31 00:00:00曹潔賁婷華
電子世界 2014年20期
【摘要】文本就泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)計算這一議題進行了一些分析討論，為了幫助大家更好的進行理解，筆者就長引水泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)，并結(jié)合一些實際的工程項目進行了相應的數(shù)值計算，計算結(jié)果顯示，為了能夠有效減少廢水的排放情況，可以使用閘門優(yōu)化調(diào)節(jié)的方式將水泵停開機產(chǎn)生的非恒定波動抵消，以便能夠快速的在無壓隧洞中建立起明渠達到恒定的流動的效果。
【關(guān)鍵詞】泵站;閘門;最優(yōu)調(diào)節(jié);恒定波動
一、相關(guān)工程概況
現(xiàn)代水利工程中，對于閘門調(diào)節(jié)控制是最常遇到的問題，對泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)能夠有效的節(jié)約能源，并且能夠保證水利工程的安全運行。因此，泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)一直是人們關(guān)注的重點問題，并且相關(guān)領(lǐng)域的研究成果頗多。本文就長引水泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)進行了一些分析討論，長引水泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)的工程項目在實際過程中是大量存在的。
這里我們研究一項我國在02年完成的大型水調(diào)工程，山西省萬家寨引黃工程，這項工程在一、二泵站間使用的是級間串聯(lián)方式，將水提至申同嘴水庫之后，水流會有三孔弧形的閘門控制。
本文就該項工程中申同嘴水庫放水閘至總感三級泵站進水的水流情況為背景進行研究，并建立了一些數(shù)學模型，提出了相應的長引水泵站控制閘門最優(yōu)調(diào)節(jié)的計算方案，對水泵機組開、停機導致的水利過度進行了相應的計算研究，有效算出閘門調(diào)節(jié)最好的辦法，希望能夠解決此項工程設計以及安全運行方面較為重要的問題。
二、數(shù)學模型以及計算方面
按照既定的標準要求，長引水的隧道流動為明渠流動。由此可以得到非恒定流的計算方程為：
（1）
（2）
圖一 申同嘴水庫至總干三級泵站概念圖
上式中，Q表示的是流量，H表示的是水流的深度，Sn為明渠的底坡，n為粗糙的程度的比值，二其中A、B以及R分別是水深為H的面積，這時候水面寬度就為水利半徑值。
一般情況下，放水閘門的放水量必須要隨著閘門開放程度以及流量之間關(guān)聯(lián)作為上游地帶的條件。對于下游區(qū)域來說，必須要充分考慮泵站側(cè)邊，為了幫助大家理解，這里我們將剛溢出的堰前水深標記為3.99m，得出下面算式：
Q=Q泵 " " "H≤3.99m " " " " " " " （3）
Q=Q泵+Q溢 " H≥3.99m " " " " " " "（4）
該算式中，Q泵是三級泵站的總流量，Q溢為側(cè)邊溢出的水流量，這時候又可以得到算式：
Q溢=0.42b " " " （5）
該算式中，b為側(cè)邊的長度，H為溢出流量時水的深度。
上述（1）式中，使用的是微分方式，我們選用特征線法進行相應的數(shù)值計算，其基本思想就是將該方程式轉(zhuǎn)換為常見的微分方程組，然后將其進行有限差分近似值計算，并結(jié)合初始條件以及邊界條件進行計算，這時候，又可以得到另外的方程式：
（6）順方向
（7）逆方向
圖二中，對應（6）與（7）的差分方程式應為：
（8）順方向
（9）逆方向
圖二 特征線差分網(wǎng)格方程式示意圖
三、控制明渠非恒定流的閘門調(diào)節(jié)
圖一中，在總干三級泵站機組的開啟以及停泵過程中，使用長無壓輸水隧道水流以及相應的水位都會在一定程度上發(fā)生變化，所以，必須要不斷優(yōu)化閘門的可行性，使總干三級本泵站前面的進水池的溢出水流q達到最小，對于這個目標的函數(shù)算式為：
Minq=f（T） " " " " " " " " " "（10）
該算式中，T為下游區(qū)域邊界產(chǎn)生變化的時間段，結(jié)合相應的施工工程要求，并按照原有的設計規(guī)范標準，這里我們提出一些有效的約束條件：
（一）無壓輸水隧道不發(fā)生冒頂，就是：
H<5.39m " " " " " " " " （11）
（二）進水前池中水深的變化必須要小于某值，就是：
△H<1.79m " " " " " " " " " " （12）
在該算式中，水閘放水量使用Q進行計算，可以得到下面算式：
（13）
上面（13）算式中，N為工作閘門數(shù)量，μ為閘孔的流量函數(shù)，b為閘門的寬度，e為閘門的開度，H1為閘門前面的水的深度，∈為閘孔垂直方向的收縮函數(shù)。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)防水閘門的優(yōu)化，這里我們必須要首先將（12）式中要求的泵站流量過程以及泵站前面進水池中水的深度變化情況（流量在時間T范圍內(nèi)由最初的值變化到最終的值，水深的曲線也應該發(fā)生相應的變化），按照相應的函數(shù)算式從泵站前面的進水池向上進行計算。
在進行計算的時候，約束條件（11）不能夠有效滿足，這時候，就必須要更改條件重新進行計算。當計算的數(shù)值延至放水閘后面的時候，就可以得到放水閘應該釋放的流量范圍，這時候（13）式中就能夠得到閘門開度的變化情況。相比較不同的時間，水位深度△H逐步進行計算，就可以得到泵站放水閘開度變化的最可行的一種方式，詳見圖三。
圖三 x—t平面上閘門的調(diào)節(jié)范圍
這里，對于帶長引水明渠泵站控制的閘門，從上面列出的算式中，可以有效得到閘門開度變化持續(xù)的時間長度的變化。對于一般工程來說，閘門并不是完全由計算機進行控制的，所以，為了能夠使閘門能夠使用人工進行操作，就必須要根據(jù)上面的算式中得出的不同結(jié)果，對閘門的開度進行一些分析討論，然后將過程進行概括，再運用特征線方程式對閘門的開度概括之后的無壓輸水隧道中，非恒定流過程進行有效的計算。
四、結(jié)束語
由上訴計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在水泵正常啟動之后，放水閘必須要提前進行運作，將水流大量釋放，然后經(jīng)過一段時間之后，就可以減小閘門的開度。水泵在正常停水停泵的時候，放水的閘門也必須要提前動作，使釋放量能夠小于水流量，然后經(jīng)過一段時間，就可以將閘門的開度加大。
參考文獻
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