大型給水管網(wǎng)絡(luò)泵站運(yùn)行可靠性分析

王 慶

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

大型給水管網(wǎng)絡(luò)的可靠性是指系統(tǒng)滿(mǎn)足客戶(hù)需求的程度[1- 2]。可靠性是評(píng)估給水管網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行水平的一個(gè)非常重要的指標(biāo)[3- 4]。它是由網(wǎng)絡(luò)中元素的可靠性和這些元素之間的關(guān)系決定的。在考慮一個(gè)元素的可靠性時(shí)，確定故障概率是關(guān)鍵問(wèn)題。供水管網(wǎng)的水力和機(jī)械故障模式是不同的[5]。管道故障、閥門(mén)故障、泵故障等是WDN機(jī)械故障的來(lái)源[6- 8]。另一方面，當(dāng)配水網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)水力故障時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法提供規(guī)定壓力范圍內(nèi)所需的排水量[9]。

水泵站是復(fù)雜大型給水管網(wǎng)絡(luò)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(kāi)發(fā)和維護(hù)方面需要巨額支出[10]。泵站安裝的水泵數(shù)量應(yīng)通過(guò)準(zhǔn)確的成本分析進(jìn)行計(jì)算[11- 12]。

由于泵站在復(fù)雜大型給水管網(wǎng)絡(luò)中占有重要的地位，本研究通過(guò)Visual Basic中的優(yōu)化模型與EPANET2.0中的仿真相結(jié)合[13- 14]，對(duì)配水管網(wǎng)中泵站的可靠性進(jìn)行了研究。以便使決策者在高需求時(shí)間的情況下對(duì)WDN做出適當(dāng)?shù)臎Q定，以便應(yīng)對(duì)緊急時(shí)刻和滿(mǎn)足客戶(hù)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(kù)壩軸線(xiàn)長(zhǎng)6570m，總庫(kù)容2000萬(wàn)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(kù)泵站位于第二標(biāo)段，包含圍壩(樁號(hào)1+800—2+200)填筑、護(hù)砌及附屬設(shè)施、截滲溝和本標(biāo)段范圍內(nèi)庫(kù)區(qū)開(kāi)挖整理，入庫(kù)泵站及泵站管理用房，供電設(shè)施，引水箱涵(樁號(hào)YH0+000—YH0+694)(含高速公路穿越)，綠化工程等。

入庫(kù)泵站位于水庫(kù)庫(kù)區(qū)西南側(cè)樁號(hào)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(gòu)筑物組成。泵站設(shè)計(jì)流量18m3/s，安裝4臺(tái)立式軸流泵，包括固定轉(zhuǎn)速泵和可變轉(zhuǎn)速泵。前池采用開(kāi)敞式，正向進(jìn)水，擴(kuò)散角30°，總長(zhǎng)度28.65m，總凈度8.6～24.6m。泵房為干室型整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水庫(kù)出水采用止回閥斷流。泵站兩側(cè)各設(shè)置1條自流道，作為水庫(kù)出庫(kù)向市內(nèi)配套工程供水的通道，通過(guò)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(jié)構(gòu)。寬度自26.0m漸變至10.1m，長(zhǎng)18.8m，箱內(nèi)設(shè)置隔墩及結(jié)構(gòu)柱。穿壩箱涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，地上層、地下層建筑面積均為418.70，副廠房為單層框架結(jié)構(gòu)，建筑面積339.70?，F(xiàn)地管理用房位于主副廠房的西側(cè)，為二層磚混結(jié)構(gòu)，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(diǎn)提供足夠的水。

EPANET2.0軟件是在滿(mǎn)足水力分析需求的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的[15]。盡管節(jié)點(diǎn)中的用水需求可以得到滿(mǎn)足，但這些節(jié)點(diǎn)中的最小壓力可能無(wú)法得到滿(mǎn)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(diǎn)的數(shù)量；HAV(i，t，sc)—在時(shí)間t節(jié)點(diǎn)i中的可用壓力，在scth方案中以米為單位；HDES(i，t，sc)—時(shí)間t節(jié)點(diǎn)i的最小容許壓力，m；REp，t，sc—時(shí)間t泵站的可靠性。

泵站在運(yùn)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(guò)加權(quán)平均方程計(jì)算特定時(shí)刻泵站的可靠度要容易得多。如果發(fā)生故障的概率稱(chēng)為sc，可靠性計(jì)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(shí)間t的可靠性。此外在該方程中，應(yīng)通過(guò)泵的故障分析來(lái)計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 案例研究

為了檢驗(yàn)所提出用于評(píng)估機(jī)械故障條件下泵站可靠性的方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)配水網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)配水網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有任何水箱或蓄水池，由113條管道、1個(gè)泵站和78個(gè)節(jié)點(diǎn)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(luò)的簡(jiǎn)圖。

圖1 WDN配水網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖

如果泵站的水泵滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)的水量需求有可能在壓力超過(guò)最小允許值時(shí)得到滿(mǎn)足。當(dāng)需求減少時(shí)，壓力會(huì)超過(guò)其允許范圍，這將導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)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(gè)準(zhǔn)確的抽水時(shí)間表。

對(duì)于該網(wǎng)絡(luò)，表1給出了VSP、SSP(可變轉(zhuǎn)速泵、固定轉(zhuǎn)速泵)兩種類(lèi)型泵的泵站調(diào)度模式，該調(diào)度通過(guò)優(yōu)化建模獲得，并與EPANET2.0關(guān)聯(lián)。

表1 兩種類(lèi)型泵站的抽水時(shí)間表

在表1中，0和1分別代表泵關(guān)閉或開(kāi)啟實(shí)。此外對(duì)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(yùn)行。

從圖2可以看出，如果4個(gè)泵都同時(shí)運(yùn)行工作，則需求乘數(shù)將達(dá)到2.4，即使在13時(shí)這樣的高峰時(shí)間段，需求也將得到完全滿(mǎn)足。如果其中一個(gè)泵出現(xiàn)故障，因此另外3個(gè)泵工作，則需求乘數(shù)將達(dá)到1.9。很明顯，只要4個(gè)泵都工作，需求就會(huì)完全滿(mǎn)足。

圖2 泵組合滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)需求水平的情況

在使用需求驅(qū)動(dòng)模擬方法的EPANET2.0模型中，供水網(wǎng)絡(luò)能滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)需求的情況下，可能會(huì)發(fā)生實(shí)際水頭低于允許水頭的情況，進(jìn)而引起負(fù)壓。在所涉及的給水網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有蓄水池，節(jié)點(diǎn)所有的需求都需要通過(guò)泵的運(yùn)行來(lái)滿(mǎn)足在WDN中，泵站自動(dòng)工作，假設(shè)在泵送調(diào)度中，要求3個(gè)泵開(kāi)啟，但是其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，需要另1臺(tái)備用泵自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，泵站的效率就能保持。在這種情況下，泵站也自動(dòng)工作。如果網(wǎng)絡(luò)面臨機(jī)械故障，備用泵將滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)需求，但節(jié)點(diǎn)壓力降低到WDN最小允許值(50m)以下的可能性將增加。通過(guò)公式(1)和公式(2)，假設(shè)每個(gè)場(chǎng)景都有可能發(fā)生的情況下，計(jì)算加權(quán)平均值。R1=85%(1臺(tái)泵故障的概率)，R2=10%(2臺(tái)泵故障的概率)，R3=4%(3臺(tái)泵故障的概率)，R4=1%(4臺(tái)泵故障的概率)。HDES在一天中不同時(shí)間的需求可能會(huì)有所不同，尤其是在需求較低的時(shí)段。3、2、1和0個(gè)泵開(kāi)啟的情況意味著1、2、3和4個(gè)泵分別出現(xiàn)故障。圖3展示了采用由固定轉(zhuǎn)速泵站和可變轉(zhuǎn)速泵組合的網(wǎng)絡(luò)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(duì)4種情況下泵站進(jìn)行了比較分析。正如預(yù)測(cè)的那樣，在大量水泵出現(xiàn)故障的高峰時(shí)段，每種情況下的可靠性都會(huì)降低。固定轉(zhuǎn)速泵站和可變轉(zhuǎn)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(guò)使用可變轉(zhuǎn)速泵，網(wǎng)絡(luò)的成本將比固定轉(zhuǎn)速低。因此決策者應(yīng)該在成本和可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖4 不同情形下泵站的可靠性評(píng)估

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)大型水利樞紐泵站的可靠性進(jìn)行了研究，可以得出以下結(jié)論：隨著高峰時(shí)段需求的增加，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，供水網(wǎng)絡(luò)在固定壓力下供水能力降低，進(jìn)一步降低了水泵的可靠性。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果表明，在采用變結(jié)構(gòu)規(guī)劃降低了網(wǎng)絡(luò)成本的同時(shí)，供水管網(wǎng)的可靠性也降低了。泵站的可靠性計(jì)算為泵站規(guī)劃決策提供了預(yù)警：當(dāng)供水網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)任何緊急的情況下，都需要一個(gè)良好的風(fēng)險(xiǎn)管理方案，在發(fā)生故障的情況下，需要承擔(dān)并接受風(fēng)險(xiǎn)，并提高泵的速度。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，可以通過(guò)開(kāi)啟備用泵來(lái)保證泵站的可靠性，建設(shè)一些蓄水池和水箱也能很好的解決故障。