泵站供水系統變速調節優化調度分析

李 旭

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 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下游需水流量約1.10m3/s，總干末端蓄水池二干、三干設計流量為0.476m3/s和1.75m3/s。1#、2#泵站各安裝型號為TSS00-680A的6臺水泵機組，其中2臺備用4臺運行。通過計算發現下游需水量，在單臺泵運行時無法滿足要求而兩臺泵工頻運行時效率偏低，為節約能源綜合考慮泵站效率和下游需求應安裝兩臺變速器，所以可變速調節的變速器安裝于每個泵站的兩臺水泵上，均采用單管輸水作為兩級泵站的輸水方式。因此，為保證供水系統和水利樞紐的安全運行，有必要采取科學的方法研究該水利樞紐的供水調度問題[1]。王俊良等[2]通過分析多水源供水優化調度流程，提出了基于遺傳算法求解的決策支持系統，而對于供水系統經濟可行性分析較少；陸一忠等[3]以場內優化調度為核心、以供水成本為最優化目標，從泵站運行實際狀況出發提出優化調度模型，并對模型求解方法進行了分析，但對水泵效率的變化并未給出明確的結論。梯級泵站具有技術要求高、運行理論復雜及代表性強等特征，在變速工況下分析該水利樞紐一、二級泵站穩態，準確計算不同開機臺數下泵站變速調節的流量匹配，可為泵站供水系統優化調以及大流域梯級水電站群優化調度模型的構建提供科學的依據[4-10]。

2 建立數學模型

2.1 變速調節數學模型

為確保供水系統的高效運行，將泵站的工作點采用變速調節的方式調至高效區。定義變速后水泵的轉速與額定轉速的比值為轉速比為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為水泵的額定轉速、有效功率、揚程和流量；n1、N1、H1、Q1為水泵變速后的轉速、有效功率、揚程和流量。

2.2 泵站效率的求解

供水泵站運行能否達到預期效益與體積泵站優化運行調度質量密切相關，采用泵站的運行效率作為衡量泵站運行效益的重要參數。水泵運行工況、效率狀況為影響供水系統效率的主要因素，尤其是上、下級之間的梯級泵站流量匹配不合理，致使斷流、棄水現象頻繁出現，對泵站系統的整體效率和水泵效率產生極為不利的影響。系統進出水η傳、傳動η池、管路η管、電機η電、水泵η泵效率的乘積為泵站效率η站，其表達式如下：

η站=η泵η傳η電η管η池

(4)

其中，η電采用電機生產廠家提供的實測數據，取95.5%，η傳、η池近似取100%，由此可將上式簡化為：

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，計算公式為：

η站=N有效/N軸=γQH/N軸

(6)

式中：H、Q為水泵的揚程和流量；γ為水的重度。

泵站的管路效率計算公式為：

η管=H凈/(H凈+SQ2)

(7)

式中：S、H凈為管道損失系數和凈揚程。

3 泵站供水系統優化調度

3.1 泵站穩態運行數值模擬

該水利樞紐1#、2#泵站各安裝型號為TSS00-680A的6臺水泵機組，其中2臺備用4臺運行，設計揚程為128.5m、124.2m。為節約能源將可變速調節的變速器安裝于每個泵站的2臺水泵上，采用單管輸水作為2級泵站的輸水方式，所以最多只考慮2臺泵的變速運行情況進行計算分析。在設計揚程時1#、2#泵站，其相應的工作參數及變速調節水泵工作點在各種不同組合情況下的參量。見表1-2。其中，揚程、效率、功率單位分別為m、%、kW；流量、轉速單位為m3/s、r/min。

表1 定速泵和變速泵A運行工況計算

續表1 定速泵和變速泵A運行工況計算

續表1 定速泵和變速泵A運行工況計算

表2 變速泵B運行工況和泵站運行參量

續表2 變速泵B運行工況和泵站運行參量

3.2 泵站穩態運行分析

1)工頻運行時泵站效率。開機臺數越少則工頻運行時1#、2#泵站的泵站效率越高，四臺泵同時運行的效率最低而單機運行時效率最高。在工況相同的條件下，1#泵站的運行效率要高于2#。

2)1#泵站穩態運行。轉速比調整至0.94情況時，1#泵站的單泵運行效率最高，達到75.60%；轉速比同時調至0.94的條件下，2臺泵的并聯運行的效率達到最高的73.92%；將其中兩臺泵轉速調至0.94的情況下，3臺泵并聯運行的效率達到最高為71.30%；變速調節方式不宜作為四臺泵并聯運行的控制方式，該情況下泵站的最大效率僅有68.55%。

3)2#泵站穩態運行。轉速比調整至0.92情況時，2#泵站的單泵運行效率最高，達到75.30%；轉速比同時調至0.94的條件下，兩臺泵的并聯運行的效率達到最高的73.62%；將其中兩臺泵轉速調至0.94的情況下，3臺泵并聯運行的效率達到最高為71.54%；變速調節方式不宜作為四臺泵并聯運行的控制方式，該情況下泵站的最大效率僅有69.42%。

4)1#、2#泵站并聯運行工況。在2臺泵并聯和單臺泵運行的工況下，1#、2#泵站的運行效率在符合任意要求的轉速比下均能得到大幅度的提升。在某些轉速比下，3臺和4臺泵并聯運行效率無法得到提升，由此表明變速調節可在一定程度上提高泵站效率，對供水系統節能效應發揮積極的促進作用。然而，變速調節方式并非適用于所有的工況，應結合具體的情況采取該模式。

3.3 泵站流量平衡計算

1)泵站變速調節流量范圍。通過數值模擬計算各種變速組合、1#、2#泵站工頻，確定泵站變速調節在不同開機臺數下的極限工況。從提水流量和泵站效率的角度，計算分析運行2臺水泵的的1、2級站的工況。泵站在不同工況下的最小、最大流量依據計算結果確定，變速調節下1#、2#泵站兩臺水泵的流量范圍計算結果。兩泵站流量調節區間，見表2。

表2 兩泵站流量調節區間

2) 泵站流量平衡分析。運行狀態處于理想條件時，為保證梯級泵站中間不發生棄水，在不同開機組合下必須全部消耗2級站水量，對于1級站提水流量才能保證2級站前池不發生斷流或者雍水。約束條件設定為1級站的泵站流量，1級站流量與2級站相匹配，在前池滯留和不考慮流量損失的情況下，平衡匹配的流量計算，見表3。其中，泵轉速、泵站力量單位為r/min、m3/s；泵站功率、效率、揚程單位為kW、%、m。

3.4 泵站優化調度方案分析

1)采用變速調節方式達到梯級泵站流量匹配。采用變速調節的方式對該水庫復雜通水系統1、2級電站進行數值模擬，由此可達到流量匹配。結果顯示，1、2級泵站效率在流量匹配時處于較高水平，且滿足相關規范設計要求。

2)最佳工況的變速調節。1級站2臺泵變速運行為供水系統在1級站開機臺數為2臺時的最佳運行工況，變頻運行的2臺水泵轉速均為1405r/min；兩臺變速泵2級站運行的情況下，其轉速分別為1380、1402r/min。在該條件下系統的總流量為1.211m3/s，1級、2級站的運行效率分別達到73.88%和73.85%。

表3 平衡匹配流量計算

4 結 論

1) 采用變速調節的方式可有效解決梯級泵站之間的流量匹配問題，為使泵站的總流量變幅達到最大可采取小幅度調節轉速比的方式就可以實現。

2) 變速調節可在一定程度上提升泵站系統的運行效率并滿足下游需水量要求，對供水節能效應產生積極的促進作用。在一定的轉速比界限內，隨變速比的增大泵站效率呈增加趨勢。

3) 運用變速調節的方式可實現該水利樞紐復雜的供水系統1、2級站的流量匹配，1、2級泵站效率在流量匹配的情況下處于較高水平，數值模擬結果顯示該方式能夠滿足優化調度的目標要求。