干旱季節(jié)期間的抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知方法

楊金華

(云南省麗江市永勝縣濤源鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心水利辦，云南 麗江 674100)

本文研究的抽水站位于濤源鎮(zhèn)，該縣區(qū)共擁有耕地面積超過0.933 3×104hm2，由于鎮(zhèn)內(nèi)具有較豐富的水文資源與土地資源，因此地方農(nóng)業(yè)執(zhí)行管理單位將該鎮(zhèn)區(qū)列為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。盡管該鎮(zhèn)區(qū)的地理環(huán)境十分優(yōu)越，但由于地區(qū)水源的匱乏，導(dǎo)致濤源鎮(zhèn)也是永勝縣“十年九旱”的主要地界[1]。由于該區(qū)域氣候炎熱、干旱少雨，人民群眾生產(chǎn)生活用水絕大多數(shù)依賴抽水站供給。抽水站效益發(fā)揮好壞在移民的生產(chǎn)生活、庫區(qū)穩(wěn)定及鄉(xiāng)村振興、全面小康進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步發(fā)揮地區(qū)抽水站的作用，本文將以地區(qū)干旱時(shí)期為例，提出一種針對抽水站運(yùn)行工況的安全態(tài)勢感知方法，以期為地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉、地區(qū)居住群體穩(wěn)定生活提供更好的條件。

1 干旱季節(jié)期間的抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知方法

1.1 干旱季節(jié)對抽水站運(yùn)行影響分析

為了保證抽水站的穩(wěn)定運(yùn)行，并確保對其安全態(tài)勢感知結(jié)果的有效性，本文將開展干旱季節(jié)對抽水站運(yùn)行影響的綜合分析。

結(jié)合研究地區(qū)抽水站作業(yè)區(qū)域的水文條件可知，地區(qū)在干旱季節(jié)作業(yè)時(shí)，抽水站中作業(yè)設(shè)備的運(yùn)行大多處于超負(fù)荷狀態(tài)[2]。設(shè)備在此種條件下長時(shí)間作業(yè)，不僅會加劇設(shè)備的老化，甚至還會影響到機(jī)組的壽命。抽水泵在作業(yè)時(shí)，其中電機(jī)呈現(xiàn)一種圓周運(yùn)動趨勢，機(jī)械裝置的運(yùn)行使泵內(nèi)結(jié)構(gòu)中隔膜在運(yùn)行中做復(fù)式運(yùn)動，通過此種方式，對水泵內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，使內(nèi)部形成一種真空結(jié)構(gòu)，此種真空結(jié)構(gòu)會與泵外空氣形成一種壓差，在壓差的作用下，外部水體進(jìn)入泵內(nèi)腔體中，從而達(dá)到抽水的目的。

在對機(jī)組設(shè)備進(jìn)行常規(guī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分長時(shí)間處于作業(yè)狀態(tài)的水泵已在高壓狀態(tài)下出現(xiàn)漏水等問題，造成機(jī)坑區(qū)域積水，部分機(jī)坑部位的積水現(xiàn)象較嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)組的主泵無法正常作業(yè)。同時(shí)，機(jī)組部件在運(yùn)行過程中，其中軸承結(jié)構(gòu)、零構(gòu)件等受到外界環(huán)境的干擾發(fā)生侵蝕，當(dāng)作業(yè)機(jī)組的水軸承與油箱區(qū)域的水密封性失效后，其結(jié)構(gòu)會在運(yùn)行中處于長期進(jìn)水的狀態(tài)，部分粒徑較小的泥沙也會順著軸承結(jié)構(gòu)滲入機(jī)組內(nèi)部，從而造成水軸承與機(jī)組構(gòu)件之間的間隙越來越大，由此對區(qū)域抽水站設(shè)備與相關(guān)機(jī)組的運(yùn)行造成威脅[3]。當(dāng)前端農(nóng)業(yè)對水資源呈現(xiàn)需求狀態(tài)時(shí)，會加劇抽水站相關(guān)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，而環(huán)境的不適將會影響抽水站的運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可見，干旱季節(jié)對于抽水站的運(yùn)行是存在負(fù)面影響的。

1.2 建立抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知指標(biāo)體系

為降低干旱季節(jié)對抽水站運(yùn)行的影響，采用構(gòu)建抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知指標(biāo)體系的方式，對抽水站運(yùn)行過程中的情況進(jìn)行綜合評估[4]。在此過程中，引進(jìn)ADS態(tài)勢指標(biāo)模型，明確該指標(biāo)模型在實(shí)際應(yīng)用中，會存在大量的不確定性因素對評估結(jié)果造成影響。因此，在構(gòu)建評估體系時(shí)，引進(jìn)效用理論，綜合前文分析，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)效用函數(shù)，構(gòu)建指標(biāo)體系。對應(yīng)的指標(biāo)內(nèi)容見表1。

表1 抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知指標(biāo)體系

其中A1指標(biāo)適用于描述抽水站運(yùn)行工況的主要指標(biāo)，當(dāng)A1指標(biāo)失衡時(shí)，對應(yīng)的抽水站機(jī)組運(yùn)行將出現(xiàn)異常?？紤]到機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)嚴(yán)重失衡問題時(shí)，部分構(gòu)件的運(yùn)行將出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，為了更加及時(shí)地掌握抽水站運(yùn)行工況，則需要建立一個針對抽水站運(yùn)行工況的目標(biāo)函數(shù)，將該函數(shù)作為依托，進(jìn)行抽水站運(yùn)行安全態(tài)勢的感知。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

(1)

式中：H為針對抽水站運(yùn)行工況的目標(biāo)函數(shù)；x為與抽水站運(yùn)行機(jī)組連接的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；λ為機(jī)組節(jié)點(diǎn)重要性；S為機(jī)組運(yùn)行容量；L為故障饋線長度；n為負(fù)荷開關(guān)，對應(yīng)n=0是表示“開關(guān)閉合”，對應(yīng)n=1時(shí)表示“開關(guān)打開”；M為機(jī)組失衡度；i為抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知指標(biāo)。

綜合表1與式(1)中內(nèi)容，完成對抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知指標(biāo)體系的構(gòu)建。

1.3 基于模糊層次分析法評估安全態(tài)勢預(yù)警等級

在完成上述相關(guān)研究后，參照ADS態(tài)勢指標(biāo)模型，引進(jìn)模糊層次分析法，對抽水站運(yùn)行工況的安全態(tài)勢進(jìn)行評估。將最后評估的結(jié)果進(jìn)行安全等級劃分，通常情況下，安全態(tài)勢感知結(jié)果劃分為4個等級，并根據(jù)不同等級對應(yīng)的指數(shù)，進(jìn)行安全態(tài)勢預(yù)警等級的劃分[5]。見表2。

表2 安全態(tài)勢預(yù)警等級

表2中F為等級指數(shù)，考慮到指數(shù)計(jì)算的過程可能受到外界相關(guān)因素的影響與干擾，因此選擇模糊計(jì)算法，進(jìn)行F值的計(jì)算[6]。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Wk為等級指數(shù)；j為設(shè)備連接線路；α為最大指數(shù)的特征向量。

在完成對指數(shù)的計(jì)算后，對表1提出的指標(biāo)內(nèi)容進(jìn)行權(quán)重劃分，得到不同指標(biāo)在安全態(tài)勢感知過程中的權(quán)重值，并根據(jù)對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，建立一個判斷矩陣。矩陣表達(dá)式如下：

(3)

式中：u為計(jì)算結(jié)果一致度。

當(dāng)上述判斷矩陣成立時(shí)，證明引進(jìn)ADS態(tài)勢指標(biāo)模型構(gòu)建的指標(biāo)體系成立。當(dāng)對應(yīng)的指標(biāo)體系與評價(jià)等級滿足評估需求時(shí)，可直接按照式(2)對F值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)對接計(jì)算結(jié)果于對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級，進(jìn)行抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢的感知。以此種方式，實(shí)現(xiàn)對抽水站運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此完成本文方法的設(shè)計(jì)研究。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)踐的場所為永勝縣濤源鎮(zhèn)抽水站，最低海拔為1 212.0 m，抽水站的揚(yáng)程可以達(dá)到200～300 m。濤源鎮(zhèn)屬于典型的以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)，鎮(zhèn)內(nèi)共有11 122戶38 727人。目前中心水利辦共管理鎮(zhèn)屬抽水站26座，總裝機(jī)5 736 kW，灌溉面積0.2×104hm2以上，惠及全鎮(zhèn)3萬余人。該鎮(zhèn)是魯?shù)乩娬镜闹餮蜎]區(qū)，也是移民大鎮(zhèn)，共有移民5 825戶19 285人。為實(shí)現(xiàn)移民“穩(wěn)得住、能發(fā)展”，鎮(zhèn)黨委政府持續(xù)加大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，致力于將此地區(qū)打造為可代表區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的綠色走廊。截至目前，使用抽水設(shè)備作為支撐種植的沃柑已超過0.24×104hm2，其他經(jīng)濟(jì)作物533.333 hm2以上。選擇此區(qū)域的抽水站作為此次實(shí)例應(yīng)用的試點(diǎn)場所，可以確保前端對抽水站運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，掌握不同設(shè)備在運(yùn)行過程中存在的異常，避免由于設(shè)備運(yùn)行異常造成的額外經(jīng)濟(jì)損失與安全事故。實(shí)驗(yàn)前，需要先掌握永勝縣濤源鎮(zhèn)抽水站的相關(guān)運(yùn)行設(shè)備，具體內(nèi)容見表3。

表3 永勝縣濤源鎮(zhèn)抽水站運(yùn)行設(shè)備

在掌握支撐抽水站運(yùn)行的相關(guān)設(shè)備后，以設(shè)備的綜合運(yùn)行負(fù)荷監(jiān)控結(jié)果作為評估指標(biāo)。在抽水站運(yùn)行的前端布設(shè)一個運(yùn)行設(shè)備綜合負(fù)荷傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控前端設(shè)備的集成運(yùn)行情況，并建立傳感器與終端預(yù)警設(shè)備之間的通信連接，當(dāng)傳感器識別到運(yùn)行設(shè)備在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，超過前端設(shè)定的安全閾值范圍后，將自動觸發(fā)預(yù)警設(shè)備，此時(shí)前端將發(fā)出信號警報(bào)，以此種方式，便可以達(dá)到對抽水站運(yùn)行工況實(shí)時(shí)感知的目的。在此過程中，以永勝縣濤源鎮(zhèn)抽水站一天24 h的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。其中運(yùn)行設(shè)備負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)可用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中：P為運(yùn)行設(shè)備負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)結(jié)果；se為傳感器設(shè)備；i為運(yùn)行設(shè)備；j為設(shè)備連接線路；t為實(shí)驗(yàn)周期，本文此次研究的t值為24 h；γ為外界干擾因素。設(shè)定每間隔1 h執(zhí)行一次安全評估。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對永勝縣濤源鎮(zhèn)抽水站運(yùn)行設(shè)備在24 h內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行評估，將計(jì)算得到的運(yùn)行設(shè)備負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為評價(jià)本文方法有效性的依據(jù)，實(shí)施此次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成折線圖。見圖1。

圖1 抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知結(jié)果

圖1中，a與-a之間的負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)結(jié)果為安全范圍，當(dāng)統(tǒng)計(jì)的P值在a與-a之間時(shí)，表示抽水站運(yùn)行工況良好。b與-b表示為負(fù)荷極限值，當(dāng)統(tǒng)計(jì)的P達(dá)到b或-b時(shí)，運(yùn)行將發(fā)生異常。當(dāng)統(tǒng)計(jì)的P值在[a，b]或[-a，-b]范圍內(nèi)時(shí)，將自動觸發(fā)前端預(yù)警，表示抽水站在此時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行工況異常。綜合圖1所示的結(jié)果，進(jìn)行不同時(shí)間段感知負(fù)荷值的統(tǒng)計(jì)，見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在8～10 h、21 h等時(shí)段，永勝縣濤源鎮(zhèn)抽水站運(yùn)行設(shè)備負(fù)荷量超出安全范圍，此時(shí)前端將發(fā)出對應(yīng)的預(yù)警。由此可以得出本文此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的干旱季節(jié)期間的抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知方法，在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對抽水站中運(yùn)行設(shè)備的負(fù)荷量的實(shí)時(shí)感知，從而為抽水站運(yùn)轉(zhuǎn)提供更好的技術(shù)支持。

3 結(jié) 語

為了提高抽水站的穩(wěn)定運(yùn)行能力，降低由于抽水站運(yùn)行不穩(wěn)定造成的經(jīng)濟(jì)損失，本文展開了干旱季節(jié)期間的抽水站運(yùn)行工況安全態(tài)勢感知方法的設(shè)計(jì)與研究。在完成相關(guān)研究后，采用實(shí)例應(yīng)用的方式，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)對抽水站中運(yùn)行設(shè)備的負(fù)荷量的實(shí)時(shí)感知，從而為抽水站運(yùn)轉(zhuǎn)提供更好的技術(shù)支持。通過抽水站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)一步保證了濤源鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)灌溉用水問題，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保障了農(nóng)業(yè)市場的生產(chǎn)總值，提高了地區(qū)農(nóng)民個體的收入，為打造金沙江綠色經(jīng)濟(jì)走廊，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。