取水泵站的運行與調度管理分析

葉鄧豪

(東莞市江庫聯網工程中心，廣東 東莞 523808)

1 工程概況

某灌區梯級提水系統取水泵站直接從韓江取水，考慮到韓江水位變幅較大，故其一級泵站采用滑動式泵車裝置的移動泵站，共包括7臺泵車，每臺泵車由SH-20型泵機組并聯。輸水系統由集輸水干渠及沉砂池構成，渠道有效容積5495m3，調蓄容積最大值1478m3。二級泵站24臺DK-2A機組，每4臺并聯為一組，共6組。灌溉渠道水位與調蓄容積的關系詳見表1。

表1 灌溉渠道水位與調蓄容積關系表

2 流量平衡與水位控制

2.1 流量平衡

考慮到本梯級取水泵站中一級泵站僅為二級泵站供水，兩級泵站之間未進行區間分流處理，所以，必須通過調節集水渠與二級泵站引水渠(即輸水渠)的調蓄容積以實現兩級泵站間的流量平衡，并以一級泵站的泵機組為調節機組，改變和調節一級泵站流量，達到兩級泵站流量的動態平衡。根據灌溉需水量確定梯級泵站系統流量、二級泵站機組運行臺數及流量，并據此確定一級泵站開機臺數[1-2]。本工程一、二級泵站泵機組工況均不可調，故其一級泵站只能通過一臺流量調節機組進行總流量調節與控制，且其機組運行狀態下的流量應不小于二級泵站流量，即：

Qp1(1)≥Qp2(k)

(1)

一級泵站機組退出運行狀態后，其流量應不大于二級泵站流量，即：

Qp1(l-1)≤Qp2(k)

(2)

式中，l—一級泵站運行狀態下的機組數；k—二級泵站運行狀態下的機組數。

一級泵站運行機組加入到調節機組后，其流量必將超出二級流量，必須通過調蓄使渠道水位上升至最高水位，且充滿全部調蓄容積，之后調節機組便退出運行狀態，使一級泵站流量低于二級泵站[3]。以上調蓄過程中的多余水量經由二級泵站抽提，直至抽空所有調蓄容積水量，使渠道水位降至最低水位運行。然而，按照上述“開—停—開”的次序進行泵機組工況均不可調情況下的循環往復操作，可以達到泵站之間流量的平衡狀態但很難維持[4]。

2.2 水位控制

水位不同導致該取水泵站一、二級揚程、機組工況及能耗等均存在差異，二級泵站總揚程185.4m，渠道水位變幅最大為1.0m，對二級泵站揚程的影響程度約為0.5%。一級泵站出水管口位于運行水位以下，所以渠道水位對揚程影響較大，同時還影響調蓄水量、一級泵站揚程、調節機組開停機間隔及次數等參數[5]。

3 運行優化模型

通過上述分析可知，本取水泵站一、二級站之間存在揚程、流量等方面的聯系，二級站流量決定一級站流量，且二級站屬于相對獨立的自變運行，為此，應先進行二級泵站運行的優化分析。建立泵機組工況不可調問題的數學模型，進行二級站優化運行的動態規劃與求解。該取水泵站泵機組型號相同，但臺數較多，為簡化分析，以每4臺泵機組為一個并聯機組，且管路裝置方面略有不同。與引水渠水位相對應的揚程下設計抽提水量最優開機組合所耗費的電能E2(m)按下式確定：

(3)

式中，Hm—二級站揚程實際值，m；Qi—第i臺機組實際流量，m3/s；T—泵站實際運行時間，h；ηni—機組效率；其余參數含義同前。

本取水泵站應當以兩級泵站總能耗為依據進行泵站運行方式的確定，兩級泵站揚程、流量及能耗隨著調蓄容積、水位的變化而變化，為此，應當確定兩級泵站總能耗最小的調蓄容積，以使該取水泵站達到開機組合最優狀態[6-7]。

考慮到調節機組間斷運行等復雜因素對泵站機組的影響，簡化目標函數，應區分不同工況分別創建目標函數，模擬開機臺數并求解。用Mpi(n)表示泵車工作泵中只有1號泵工作的泵車數，Mp2(n)表示泵車工作泵中只有2號泵工作的泵車數，Mp3(n)表示1、2號泵同時工作的泵車數，則開機組合可能包括如下方案：

0≤Mp1(n)≤K1

(4)

0≤Mp2(n)≤K2

(5)

0≤Mp3(n)≤K3

(6)

式中，K1—僅1號泵工作的泵車數最大值；K2—僅2號泵工作的泵車數最大值；K3—1、2號泵同時工作的泵車數最大值。

由于本取水泵站泵機組工況不可調，故僅在1、2號泵同時運行工況下建立目標函數，此時Mp3(n)>0，并以2號泵為調節機組，水量調節通過調蓄容積完成。

(1)目標函數

(7)

式中,Er1— 一、二級泵站總能耗,kW；ρ—水的密度，kg/m3；H1—一級泵站揚程實際值，m；Q1、Q2、ηs1、ηs2—僅開1、2號泵的流量(m3/s)與裝置效率；Q3—同時開1、2號泵時1號泵的流量(m3/s)與裝置效率；Q4—同時開1、2號泵時2號泵的流量(m3/s)與裝置效率；td—T時段內機組總運行時數，h；t0—調蓄容積方案下T時段內調節機組總運行時數，h；tn—調蓄容積方案下T時段內調節機組總停機時數，h，其余符號含義同前。按下式確定：

(8)

(9)

(2)約束條件

如前所述，一級泵站運行機組加入到調節機組后，其流量必將超出二級流量，即：

Mpi(n)Q1+Mp2(n)Q2+
Mp3(n)(Q3+Q4)≥QP2

(10)

調節機組運行停止后便退出運行狀態，使一級泵站流量低于二級泵站，即：

(Mpi(n)+1)Q1+Mp2(n)Q2+
(Mp3(n)-1)(Q3+Q4)≤QP2

(11)

與此同時，運行泵車數不能超出泵車總數，即：

Mpi(n)+Mp2(n)+Mp3(n)≤7

(12)

為延長電機使用壽命，應盡可能減少開停機次數，則調節機組運行時間t0必須比電機允許運行最短時間[t0]長，停機時間ts也應比所允許最小間隔時間[ts]長，即：

t0≥[t0]

(13)

ts≥[ts]

(14)

本取水泵站調節機組開停機時間受調蓄容積影響較大，在取水泵站優化運行分析過程中，必須兼顧調節機組開停機和調蓄容積兩個方面，若式(13)和(14)無法滿足，則必須通過使用小流量泵機組并增加機組臺數使其交替運行以延長運行時間，并根據水位進行調節機組運行的自動控制。

在1、2號泵同時運行工況下通過調蓄容積便能實現和維持兩級泵站流量均衡狀態，若某個約束條件無法滿足正常調蓄時，可以通過兩級泵站間的分流，使部分水量下泄，以確保取水泵站系統穩定運行。下泄分流必將造成水量的浪費，與泵站經濟運行的目標相違背，為此，應調節工況，或在所設計工況不變的情況下增設小流量泵機組以維持泵站流量均衡狀態，節約能耗[8]。本文所建立的取水泵站優化運行動態規劃模型解算結果表明，本取水泵站實際運行中每年可節省電能54萬kW·h，占年總能耗的6.47%。

4 調度管理

除本文所研究的泵站調蓄管理外，取水泵站調度管理還包括泵站機電設備操作、運行及維護、灌區用水管理、泵站系統運行配水、區間配水調度、事故處理及設備檢修等方面[9-10]。取水泵站調度管理并不直接參與上述過程，而是通過調度與指揮使上述過程成為有機整體，有條不紊進行，可見，調度管理是取水泵站系統運行及配水的核心，通過調度管理的優化保證泵站系統安全高效、節能、可靠運行。

5 結論

本取水泵站由兩級提水系統構成，通過建立取水泵站優化運行模型，進行了一、二級泵站運行優化的分析與探討。該泵站運行后通過調蓄容積就能達到并維持一、二級泵站流量均衡狀態，節能高效。與此同時，還應建立完善的泵站調度管理制度，以使泵站機電設備及泵站系統等形成有機整體，確保取水泵站高效、安全順利運行。