大型給水管網(wǎng)絡泵站運行可靠性分析

王 慶

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

大型給水管網(wǎng)絡的可靠性是指系統(tǒng)滿足客戶需求的程度[1- 2]。可靠性是評估給水管網(wǎng)絡運行水平的一個非常重要的指標[3- 4]。它是由網(wǎng)絡中元素的可靠性和這些元素之間的關系決定的。在考慮一個元素的可靠性時，確定故障概率是關鍵問題。供水管網(wǎng)的水力和機械故障模式是不同的[5]。管道故障、閥門故障、泵故障等是WDN機械故障的來源[6- 8]。另一方面，當配水網(wǎng)絡出現(xiàn)水力故障時，系統(tǒng)無法提供規(guī)定壓力范圍內(nèi)所需的排水量[9]。

水泵站是復雜大型給水管網(wǎng)絡的基本組成部分，它們能提供壓力高效和流量充足的水，這些泵站的開發(fā)和維護方面需要巨額支出[10]。泵站安裝的水泵數(shù)量應通過準確的成本分析進行計算[11- 12]。

由于泵站在復雜大型給水管網(wǎng)絡中占有重要的地位，本研究通過Visual Basic中的優(yōu)化模型與EPANET2.0中的仿真相結合[13- 14]，對配水管網(wǎng)中泵站的可靠性進行了研究。以便使決策者在高需求時間的情況下對WDN做出適當?shù)臎Q定，以便應對緊急時刻和滿足客戶的需求。

1 研究區(qū)概況

本研究以新疆某大型水利工程為例，水庫壩軸線長6570m，總庫容2000萬m3。主要建筑物由壩頂、泵站、退水閘、引水涵洞退水渠等組成。入庫泵站位于第二標段，包含圍壩(樁號1+800—2+200)填筑、護砌及附屬設施、截滲溝和本標段范圍內(nèi)庫區(qū)開挖整理，入庫泵站及泵站管理用房，供電設施，引水箱涵(樁號YH0+000—YH0+694)(含高速公路穿越)，綠化工程等。

入庫泵站位于水庫庫區(qū)西南側樁號2+000位置，主要由前池、泵站、壓力水箱、穿壩箱涵、穿壩涵閘、主副廠房及管理用房等建、構筑物組成。泵站設計流量18m3/s，安裝4臺立式軸流泵，包括固定轉速泵和可變轉速泵。前池采用開敞式，正向進水，擴散角30°，總長度28.65m，總凈度8.6～24.6m。泵房為干室型整體鋼筋混凝土結構。水庫出水采用止回閥斷流。泵站兩側各設置1條自流道，作為水庫出庫向市內(nèi)配套工程供水的通道，通過采用自流道上2座DN2000蝶閥控制。壓力水箱連接泵房出水流道和穿壩箱涵，采用現(xiàn)澆混凝土結構。寬度自26.0m漸變至10.1m，長18.8m，箱內(nèi)設置隔墩及結構柱。穿壩箱涵為鋼筋混凝土結構，尺寸為2孔3.0m×3.0m(寬×高)。主副廠房位于前池與壓力水箱之間，主廠房為框架結構，地上層、地下層建筑面積均為418.70，副廠房為單層框架結構，建筑面積339.70。現(xiàn)地管理用房位于主副廠房的西側，為二層磚混結構，總建筑面積400.00。

2 泵站可靠性的定義

在本研究中，泵站的可靠性是指水泵能夠以允許的壓力向需水節(jié)點提供足夠的水。

EPANET2.0軟件是在滿足水力分析需求的基礎上開發(fā)的[15]。盡管節(jié)點中的用水需求可以得到滿足，但這些節(jié)點中的最小壓力可能無法得到滿足。將其作為約束條件建立了公式(1)。

REp，t，sc=1 (HAV>HDES)

(1)

式中，N—需求節(jié)點的數(shù)量；HAV(i，t，sc)—在時間t節(jié)點i中的可用壓力，在scth方案中以米為單位；HDES(i，t，sc)—時間t節(jié)點i的最小容許壓力，m；REp，t，sc—時間t泵站的可靠性。

泵站在運行期間，水泵發(fā)生故障的組合可能有很多種情形，決策者通過加權平均方程計算特定時刻泵站的可靠度要容易得多。如果發(fā)生故障的概率稱為sc，可靠性計算如公式(2)：

(2)

式中，NP—泵站中的水泵數(shù)量；REp，t—在總的可能故障情況下，泵站在時間t的可靠性。此外在該方程中，應通過泵的故障分析來計算相對標準偏差。

3 案例研究

為了檢驗所提出用于評估機械故障條件下泵站可靠性的方法，設計了一個配水網(wǎng)絡。這個配水網(wǎng)絡沒有任何水箱或蓄水池，由113條管道、1個泵站和78個節(jié)點組成。這些泵具有相同的特性。圖1顯示了上述WDN配水網(wǎng)絡的簡圖。

圖1 WDN配水網(wǎng)絡簡圖

如果泵站的水泵滿負荷運行，節(jié)點的水量需求有可能在壓力超過最小允許值時得到滿足。當需求減少時，壓力會超過其允許范圍，這將導致更多泄漏，從而降低泵站的可靠性。此外，以最大容量泵送會導致更嚴重的泵腐蝕現(xiàn)象，從而增加了維修成本和電力消耗。因此需要確定一個準確的抽水時間表。

對于該網(wǎng)絡，表1給出了VSP、SSP(可變轉速泵、固定轉速泵)兩種類型泵的泵站調(diào)度模式，該調(diào)度通過優(yōu)化建模獲得，并與EPANET2.0關聯(lián)。

表1 兩種類型泵站的抽水時間表

在表1中，0和1分別代表泵關閉或開啟實。此外對于變速泵，低于1的數(shù)字意味著該泵以低于正常速度的狀態(tài)運行。

從圖2可以看出，如果4個泵都同時運行工作，則需求乘數(shù)將達到2.4，即使在13時這樣的高峰時間段，需求也將得到完全滿足。如果其中一個泵出現(xiàn)故障，因此另外3個泵工作，則需求乘數(shù)將達到1.9。很明顯，只要4個泵都工作，需求就會完全滿足。

圖2 泵組合滿足網(wǎng)絡需求水平的情況

在使用需求驅動模擬方法的EPANET2.0模型中，供水網(wǎng)絡能滿足節(jié)點需求的情況下，可能會發(fā)生實際水頭低于允許水頭的情況，進而引起負壓。在所涉及的給水網(wǎng)絡中沒有蓄水池，節(jié)點所有的需求都需要通過泵的運行來滿足在WDN中，泵站自動工作，假設在泵送調(diào)度中，要求3個泵開啟，但是其中一個發(fā)生故障時，需要另1臺備用泵自動開始運行，泵站的效率就能保持。在這種情況下，泵站也自動工作。如果網(wǎng)絡面臨機械故障，備用泵將滿足節(jié)點需求，但節(jié)點壓力降低到WDN最小允許值(50m)以下的可能性將增加。通過公式(1)和公式(2)，假設每個場景都有可能發(fā)生的情況下，計算加權平均值。R1=85%(1臺泵故障的概率)，R2=10%(2臺泵故障的概率)，R3=4%(3臺泵故障的概率)，R4=1%(4臺泵故障的概率)。HDES在一天中不同時間的需求可能會有所不同，尤其是在需求較低的時段。3、2、1和0個泵開啟的情況意味著1、2、3和4個泵分別出現(xiàn)故障。圖3展示了采用由固定轉速泵站和可變轉速泵組合的網(wǎng)絡優(yōu)化模型下泵站的可靠性。

圖3 泵站的可靠性

在圖4中，對4種情況下泵站進行了比較分析。正如預測的那樣，在大量水泵出現(xiàn)故障的高峰時段，每種情況下的可靠性都會降低。固定轉速泵站和可變轉速泵的泵站平均可靠性在一天內(nèi)分別為0.856和0.764。圖3—4表明具有變速泵的泵站的可靠性降低，但是另一方面，通過使用可變轉速泵，網(wǎng)絡的成本將比固定轉速低。因此決策者應該在成本和可靠性之間進行權衡。

圖4 不同情形下泵站的可靠性評估

4 結語

本文對大型水利樞紐泵站的可靠性進行了研究，可以得出以下結論：隨著高峰時段需求的增加，當系統(tǒng)發(fā)生機械故障時，供水網(wǎng)絡在固定壓力下供水能力降低，進一步降低了水泵的可靠性。對網(wǎng)絡的分析結果表明，在采用變結構規(guī)劃降低了網(wǎng)絡成本的同時，供水管網(wǎng)的可靠性也降低了。泵站的可靠性計算為泵站規(guī)劃決策提供了預警：當供水網(wǎng)絡出現(xiàn)任何緊急的情況下，都需要一個良好的風險管理方案，在發(fā)生故障的情況下，需要承擔并接受風險，并提高泵的速度。當故障出現(xiàn)時，可以通過開啟備用泵來保證泵站的可靠性，建設一些蓄水池和水箱也能很好的解決故障。