泵站供水系統(tǒng)變速調(diào)節(jié)優(yōu)化調(diào)度分析

李 旭

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽(yáng) 110003)

1 工程概況

遼河流域某水利樞紐電站尾水末端修建的水庫(kù)下游需水流量約1.10m3/s，總干末端蓄水池二干、三干設(shè)計(jì)流量為0.476m3/s和1.75m3/s。1#、2#泵站各安裝型號(hào)為TSS00-680A的6臺(tái)水泵機(jī)組，其中2臺(tái)備用4臺(tái)運(yùn)行。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)下游需水量，在單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)無法滿足要求而兩臺(tái)泵工頻運(yùn)行時(shí)效率偏低，為節(jié)約能源綜合考慮泵站效率和下游需求應(yīng)安裝兩臺(tái)變速器，所以可變速調(diào)節(jié)的變速器安裝于每個(gè)泵站的兩臺(tái)水泵上，均采用單管輸水作為兩級(jí)泵站的輸水方式。因此，為保證供水系統(tǒng)和水利樞紐的安全運(yùn)行，有必要采取科學(xué)的方法研究該水利樞紐的供水調(diào)度問題[1]。王俊良等[2]通過分析多水源供水優(yōu)化調(diào)度流程，提出了基于遺傳算法求解的決策支持系統(tǒng)，而對(duì)于供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性分析較少；陸一忠等[3]以場(chǎng)內(nèi)優(yōu)化調(diào)度為核心、以供水成本為最優(yōu)化目標(biāo)，從泵站運(yùn)行實(shí)際狀況出發(fā)提出優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)模型求解方法進(jìn)行了分析，但對(duì)水泵效率的變化并未給出明確的結(jié)論。梯級(jí)泵站具有技術(shù)要求高、運(yùn)行理論復(fù)雜及代表性強(qiáng)等特征，在變速工況下分析該水利樞紐一、二級(jí)泵站穩(wěn)態(tài)，準(zhǔn)確計(jì)算不同開機(jī)臺(tái)數(shù)下泵站變速調(diào)節(jié)的流量匹配，可為泵站供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)以及大流域梯級(jí)水電站群優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建提供科學(xué)的依據(jù)[4-10]。

2 建立數(shù)學(xué)模型

2.1 變速調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型

為確保供水系統(tǒng)的高效運(yùn)行，將泵站的工作點(diǎn)采用變速調(diào)節(jié)的方式調(diào)至高效區(qū)。定義變速后水泵的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值為轉(zhuǎn)速比為k，利用泵站相似特性公式確定：

Q1/Q0=n1/n0=k

(1)

H1/H0=(n1/n0)2=k2

(2)

N1/N0=(n1/n0)6=k3

(3)

式中：n0、N0、H0、Q0為水泵的額定轉(zhuǎn)速、有效功率、揚(yáng)程和流量；n1、N1、H1、Q1為水泵變速后的轉(zhuǎn)速、有效功率、揚(yáng)程和流量。

2.2 泵站效率的求解

供水泵站運(yùn)行能否達(dá)到預(yù)期效益與體積泵站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度質(zhì)量密切相關(guān)，采用泵站的運(yùn)行效率作為衡量泵站運(yùn)行效益的重要參數(shù)。水泵運(yùn)行工況、效率狀況為影響供水系統(tǒng)效率的主要因素，尤其是上、下級(jí)之間的梯級(jí)泵站流量匹配不合理，致使斷流、棄水現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，對(duì)泵站系統(tǒng)的整體效率和水泵效率產(chǎn)生極為不利的影響。系統(tǒng)進(jìn)出水η傳、傳動(dòng)η池、管路η管、電機(jī)η電、水泵η泵效率的乘積為泵站效率η站，其表達(dá)式如下：

η站=η泵η傳η電η管η池

(4)

其中，η電采用電機(jī)生產(chǎn)廠家提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取95.5%，η傳、η池近似取100%，由此可將上式簡(jiǎn)化為：

η站=η泵η電η管

(5)

其中，有效功率N有效與軸功率N軸之間的比值即為水泵效率，計(jì)算公式為：

η站=N有效/N軸=γQH/N軸

(6)

式中：H、Q為水泵的揚(yáng)程和流量；γ為水的重度。

泵站的管路效率計(jì)算公式為：

η管=H凈/(H凈+SQ2)

(7)

式中：S、H凈為管道損失系數(shù)和凈揚(yáng)程。

3 泵站供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

3.1 泵站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)值模擬

該水利樞紐1#、2#泵站各安裝型號(hào)為TSS00-680A的6臺(tái)水泵機(jī)組，其中2臺(tái)備用4臺(tái)運(yùn)行，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為128.5m、124.2m。為節(jié)約能源將可變速調(diào)節(jié)的變速器安裝于每個(gè)泵站的2臺(tái)水泵上，采用單管輸水作為2級(jí)泵站的輸水方式，所以最多只考慮2臺(tái)泵的變速運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算分析。在設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)1#、2#泵站，其相應(yīng)的工作參數(shù)及變速調(diào)節(jié)水泵工作點(diǎn)在各種不同組合情況下的參量。見表1-2。其中，揚(yáng)程、效率、功率單位分別為m、%、kW；流量、轉(zhuǎn)速單位為m3/s、r/min。

表1 定速泵和變速泵A運(yùn)行工況計(jì)算

續(xù)表1 定速泵和變速泵A運(yùn)行工況計(jì)算

續(xù)表1 定速泵和變速泵A運(yùn)行工況計(jì)算

表2 變速泵B運(yùn)行工況和泵站運(yùn)行參量

續(xù)表2 變速泵B運(yùn)行工況和泵站運(yùn)行參量

3.2 泵站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析

1)工頻運(yùn)行時(shí)泵站效率。開機(jī)臺(tái)數(shù)越少則工頻運(yùn)行時(shí)1#、2#泵站的泵站效率越高，四臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行的效率最低而單機(jī)運(yùn)行時(shí)效率最高。在工況相同的條件下，1#泵站的運(yùn)行效率要高于2#。

2)1#泵站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。轉(zhuǎn)速比調(diào)整至0.94情況時(shí)，1#泵站的單泵運(yùn)行效率最高，達(dá)到75.60%；轉(zhuǎn)速比同時(shí)調(diào)至0.94的條件下，2臺(tái)泵的并聯(lián)運(yùn)行的效率達(dá)到最高的73.92%；將其中兩臺(tái)泵轉(zhuǎn)速調(diào)至0.94的情況下，3臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的效率達(dá)到最高為71.30%；變速調(diào)節(jié)方式不宜作為四臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的控制方式，該情況下泵站的最大效率僅有68.55%。

3)2#泵站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。轉(zhuǎn)速比調(diào)整至0.92情況時(shí)，2#泵站的單泵運(yùn)行效率最高，達(dá)到75.30%；轉(zhuǎn)速比同時(shí)調(diào)至0.94的條件下，兩臺(tái)泵的并聯(lián)運(yùn)行的效率達(dá)到最高的73.62%；將其中兩臺(tái)泵轉(zhuǎn)速調(diào)至0.94的情況下，3臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的效率達(dá)到最高為71.54%；變速調(diào)節(jié)方式不宜作為四臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的控制方式，該情況下泵站的最大效率僅有69.42%。

4)1#、2#泵站并聯(lián)運(yùn)行工況。在2臺(tái)泵并聯(lián)和單臺(tái)泵運(yùn)行的工況下，1#、2#泵站的運(yùn)行效率在符合任意要求的轉(zhuǎn)速比下均能得到大幅度的提升。在某些轉(zhuǎn)速比下，3臺(tái)和4臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行效率無法得到提升，由此表明變速調(diào)節(jié)可在一定程度上提高泵站效率，對(duì)供水系統(tǒng)節(jié)能效應(yīng)發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。然而，變速調(diào)節(jié)方式并非適用于所有的工況，應(yīng)結(jié)合具體的情況采取該模式。

3.3 泵站流量平衡計(jì)算

1)泵站變速調(diào)節(jié)流量范圍。通過數(shù)值模擬計(jì)算各種變速組合、1#、2#泵站工頻，確定泵站變速調(diào)節(jié)在不同開機(jī)臺(tái)數(shù)下的極限工況。從提水流量和泵站效率的角度，計(jì)算分析運(yùn)行2臺(tái)水泵的的1、2級(jí)站的工況。泵站在不同工況下的最小、最大流量依據(jù)計(jì)算結(jié)果確定，變速調(diào)節(jié)下1#、2#泵站兩臺(tái)水泵的流量范圍計(jì)算結(jié)果。兩泵站流量調(diào)節(jié)區(qū)間，見表2。

表2 兩泵站流量調(diào)節(jié)區(qū)間

2) 泵站流量平衡分析。運(yùn)行狀態(tài)處于理想條件時(shí)，為保證梯級(jí)泵站中間不發(fā)生棄水，在不同開機(jī)組合下必須全部消耗2級(jí)站水量，對(duì)于1級(jí)站提水流量才能保證2級(jí)站前池不發(fā)生斷流或者雍水。約束條件設(shè)定為1級(jí)站的泵站流量，1級(jí)站流量與2級(jí)站相匹配，在前池滯留和不考慮流量損失的情況下，平衡匹配的流量計(jì)算，見表3。其中，泵轉(zhuǎn)速、泵站力量單位為r/min、m3/s；泵站功率、效率、揚(yáng)程單位為kW、%、m。

3.4 泵站優(yōu)化調(diào)度方案分析

1)采用變速調(diào)節(jié)方式達(dá)到梯級(jí)泵站流量匹配。采用變速調(diào)節(jié)的方式對(duì)該水庫(kù)復(fù)雜通水系統(tǒng)1、2級(jí)電站進(jìn)行數(shù)值模擬，由此可達(dá)到流量匹配。結(jié)果顯示，1、2級(jí)泵站效率在流量匹配時(shí)處于較高水平，且滿足相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2)最佳工況的變速調(diào)節(jié)。1級(jí)站2臺(tái)泵變速運(yùn)行為供水系統(tǒng)在1級(jí)站開機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)時(shí)的最佳運(yùn)行工況，變頻運(yùn)行的2臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速均為1405r/min；兩臺(tái)變速泵2級(jí)站運(yùn)行的情況下，其轉(zhuǎn)速分別為1380、1402r/min。在該條件下系統(tǒng)的總流量為1.211m3/s，1級(jí)、2級(jí)站的運(yùn)行效率分別達(dá)到73.88%和73.85%。

表3 平衡匹配流量計(jì)算

4 結(jié) 論

1) 采用變速調(diào)節(jié)的方式可有效解決梯級(jí)泵站之間的流量匹配問題，為使泵站的總流量變幅達(dá)到最大可采取小幅度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比的方式就可以實(shí)現(xiàn)。

2) 變速調(diào)節(jié)可在一定程度上提升泵站系統(tǒng)的運(yùn)行效率并滿足下游需水量要求，對(duì)供水節(jié)能效應(yīng)產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。在一定的轉(zhuǎn)速比界限內(nèi)，隨變速比的增大泵站效率呈增加趨勢(shì)。

3) 運(yùn)用變速調(diào)節(jié)的方式可實(shí)現(xiàn)該水利樞紐復(fù)雜的供水系統(tǒng)1、2級(jí)站的流量匹配，1、2級(jí)泵站效率在流量匹配的情況下處于較高水平，數(shù)值模擬結(jié)果顯示該方式能夠滿足優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)要求。