取水泵站的运行与调度管理分析

叶邓豪

(东莞市江库联网工程中心，广东 东莞 523808)

1 工程概况

某灌区梯级提水系统取水泵站直接从韩江取水，考虑到韩江水位变幅较大，故其一级泵站采用滑动式泵车装置的移动泵站，共包括7台泵车，每台泵车由SH-20型泵机组并联。输水系统由集输水干渠及沉砂池构成，渠道有效容积5495m3，调蓄容积最大值1478m3。二级泵站24台DK-2A机组，每4台并联为一组，共6组。灌溉渠道水位与调蓄容积的关系详见表1。

表1 灌溉渠道水位与调蓄容积关系表

2 流量平衡与水位控制

2.1 流量平衡

考虑到本梯级取水泵站中一级泵站仅为二级泵站供水，两级泵站之间未进行区间分流处理，所以，必须通过调节集水渠与二级泵站引水渠(即输水渠)的调蓄容积以实现两级泵站间的流量平衡，并以一级泵站的泵机组为调节机组，改变和调节一级泵站流量，达到两级泵站流量的动态平衡。根据灌溉需水量确定梯级泵站系统流量、二级泵站机组运行台数及流量，并据此确定一级泵站开机台数[1-2]。本工程一、二级泵站泵机组工况均不可调，故其一级泵站只能通过一台流量调节机组进行总流量调节与控制，且其机组运行状态下的流量应不小于二级泵站流量，即：

Qp1(1)≥Qp2(k)

(1)

一级泵站机组退出运行状态后，其流量应不大于二级泵站流量，即：

Qp1(l-1)≤Qp2(k)

(2)

式中，l—一级泵站运行状态下的机组数；k—二级泵站运行状态下的机组数。

一级泵站运行机组加入到调节机组后，其流量必将超出二级流量，必须通过调蓄使渠道水位上升至最高水位，且充满全部调蓄容积，之后调节机组便退出运行状态，使一级泵站流量低于二级泵站[3]。以上调蓄过程中的多余水量经由二级泵站抽提，直至抽空所有调蓄容积水量，使渠道水位降至最低水位运行。然而，按照上述“开—停—开”的次序进行泵机组工况均不可调情况下的循环往复操作，可以达到泵站之间流量的平衡状态但很难维持[4]。

2.2 水位控制

水位不同导致该取水泵站一、二级扬程、机组工况及能耗等均存在差异，二级泵站总扬程185.4m，渠道水位变幅最大为1.0m，对二级泵站扬程的影响程度约为0.5%。一级泵站出水管口位于运行水位以下，所以渠道水位对扬程影响较大，同时还影响调蓄水量、一级泵站扬程、调节机组开停机间隔及次数等参数[5]。

3 运行优化模型

通过上述分析可知，本取水泵站一、二级站之间存在扬程、流量等方面的联系，二级站流量决定一级站流量，且二级站属于相对独立的自变运行，为此，应先进行二级泵站运行的优化分析。建立泵机组工况不可调问题的数学模型，进行二级站优化运行的动态规划与求解。该取水泵站泵机组型号相同，但台数较多，为简化分析，以每4台泵机组为一个并联机组，且管路装置方面略有不同。与引水渠水位相对应的扬程下设计抽提水量最优开机组合所耗费的电能E2(m)按下式确定：

(3)

式中，Hm—二级站扬程实际值，m；Qi—第i台机组实际流量，m3/s；T—泵站实际运行时间，h；ηni—机组效率；其余参数含义同前。

本取水泵站应当以两级泵站总能耗为依据进行泵站运行方式的确定，两级泵站扬程、流量及能耗随着调蓄容积、水位的变化而变化，为此，应当确定两级泵站总能耗最小的调蓄容积，以使该取水泵站达到开机组合最优状态[6-7]。

考虑到调节机组间断运行等复杂因素对泵站机组的影响，简化目标函数，应区分不同工况分别创建目标函数，模拟开机台数并求解。用Mpi(n)表示泵车工作泵中只有1号泵工作的泵车数，Mp2(n)表示泵车工作泵中只有2号泵工作的泵车数，Mp3(n)表示1、2号泵同时工作的泵车数，则开机组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—仅1号泵工作的泵车数最大值；K2—仅2号泵工作的泵车数最大值；K3—1、2号泵同时工作的泵车数最大值。

由于本取水泵站泵机组工况不可调，故仅在1、2号泵同时运行工况下建立目标函数，此时Mp3(n)>0，并以2号泵为调节机组，水量调节通过调蓄容积完成。

(1)目标函数

(7)

式中,Er1— 一、二级泵站总能耗,kW；ρ—水的密度，kg/m3；H1—一级泵站扬程实际值，m；Q1、Q2、ηs1、ηs2—仅开1、2号泵的流量(m3/s)与装置效率；Q3—同时开1、2号泵时1号泵的流量(m3/s)与装置效率；Q4—同时开1、2号泵时2号泵的流量(m3/s)与装置效率；td—T时段内机组总运行时数，h；t0—调蓄容积方案下T时段内调节机组总运行时数，h；tn—调蓄容积方案下T时段内调节机组总停机时数，h，其余符号含义同前。按下式确定：

(8)

(9)

(2)约束条件

如前所述，一级泵站运行机组加入到调节机组后，其流量必将超出二级流量，即：

Mpi(n)Q1+Mp2(n)Q2+
Mp3(n)(Q3+Q4)≥QP2

(10)

调节机组运行停止后便退出运行状态，使一级泵站流量低于二级泵站，即：

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

(11)

与此同时，运行泵车数不能超出泵车总数，即：

Mpi(n)+Mp2(n)+Mp3(n)≤7

(12)

为延长电机使用寿命，应尽可能减少开停机次数，则调节机组运行时间t0必须比电机允许运行最短时间[t0]长，停机时间ts也应比所允许最小间隔时间[ts]长，即：

t0≥[t0]

(13)

ts≥[ts]

(14)

本取水泵站调节机组开停机时间受调蓄容积影响较大，在取水泵站优化运行分析过程中，必须兼顾调节机组开停机和调蓄容积两个方面，若式(13)和(14)无法满足，则必须通过使用小流量泵机组并增加机组台数使其交替运行以延长运行时间，并根据水位进行调节机组运行的自动控制。

在1、2号泵同时运行工况下通过调蓄容积便能实现和维持两级泵站流量均衡状态，若某个约束条件无法满足正常调蓄时，可以通过两级泵站间的分流，使部分水量下泄，以确保取水泵站系统稳定运行。下泄分流必将造成水量的浪费，与泵站经济运行的目标相违背，为此，应调节工况，或在所设计工况不变的情况下增设小流量泵机组以维持泵站流量均衡状态，节约能耗[8]。本文所建立的取水泵站优化运行动态规划模型解算结果表明，本取水泵站实际运行中每年可节省电能54万kW·h，占年总能耗的6.47%。

4 调度管理

除本文所研究的泵站调蓄管理外，取水泵站调度管理还包括泵站机电设备操作、运行及维护、灌区用水管理、泵站系统运行配水、区间配水调度、事故处理及设备检修等方面[9-10]。取水泵站调度管理并不直接参与上述过程，而是通过调度与指挥使上述过程成为有机整体，有条不紊进行，可见，调度管理是取水泵站系统运行及配水的核心，通过调度管理的优化保证泵站系统安全高效、节能、可靠运行。

5 结论

本取水泵站由两级提水系统构成，通过建立取水泵站优化运行模型，进行了一、二级泵站运行优化的分析与探讨。该泵站运行后通过调蓄容积就能达到并维持一、二级泵站流量均衡状态，节能高效。与此同时，还应建立完善的泵站调度管理制度，以使泵站机电设备及泵站系统等形成有机整体，确保取水泵站高效、安全顺利运行。