潁上縣八里河電力排灌站運行優(yōu)化技術(shù)研究

馬高陽

(潁上縣機電排灌所,安徽 阜陽 236200)

0 引 言

淮河流域是極易發(fā)生洪澇災(zāi)害的地區(qū)之一,特別是淮河中游地區(qū),由于干流縱向坡降過小,受洪澤湖回水頂托,導致干流銜接處水流不暢,再加上水系呈不對稱羽狀分布,使得北岸支流水位低于干流水位的“關(guān)門淹”現(xiàn)象時有發(fā)生。當“關(guān)門淹”發(fā)生時,支流的洪水不能自然流至干流,而滯留在本地區(qū)域形成內(nèi)澇,給當?shù)貛頍o可估量的經(jīng)濟損失[1-3]。

潁上縣位于淮河和潁河交匯處,南臨淮河,中貫潁河,面積1 889 km2,總耕地10.3×104hm2,總?cè)丝?76.9萬人。八里河流域位于該縣境內(nèi),是潁河的一個支流,流域面積480km2,耕地面積2.873×104hm2,總?cè)丝?8.2萬人。由于地勢平坦,八里河洼地經(jīng)常成為內(nèi)澇的重災(zāi)區(qū)。嚴重的洪澇災(zāi)害曾給本地帶來重大的經(jīng)濟損失,其中“關(guān)門淹”現(xiàn)象尤其嚴重[4]。在建立行洪蓄澇區(qū)的同時,八里河電力排灌站的建設(shè)也成為緩解洪澇災(zāi)害的解決方案之一。

本文針對電力灌溉站的建設(shè),提出水利仿真模型,進一步對電力排灌站的運行效率進行優(yōu)化,并針對八里河流域的具體情況進行深入研究,為解決該流域洪澇災(zāi)害問題提供針對性的解決方案。通過本文研究方法,可以更科學地分析電力排灌站在洪澇災(zāi)害中的實際效果,為運行技術(shù)的完善提供指導。

1 潁上縣八里河流域電力排灌站運行優(yōu)化技術(shù)

1.1 八里河電力排灌站水利仿真模型

八里河洼地地勢較為平坦,由西北向東南緩傾,常年蓄水區(qū)正常蓄水位21.5m,面積為27.1km2。八里河入潁河口現(xiàn)有八里河閘排澇、防洪,閘上形成一平底洼湖,湖底高程17.0m,正常蓄水位21.5m,面積27.1km2。本研究基于圣維南方程組,構(gòu)建八里河段電力排灌站水利仿真模型,分析其輸水水利特征,為系統(tǒng)正常輸水、流量調(diào)節(jié)提供仿真模擬平臺,并提供科學依據(jù),制定運行方案[5]。

基于圣維南方程,研究一維不穩(wěn)定流動方程和一維流體力學模型。其連續(xù)方程和運動方程如下:

(1)

式中:x、t分別為距離和時間;Q為水流量級;h為水位方向;A為過流截面面積;R為水力半徑;C為阻力系數(shù);g為重力加速度;q為每一段河道的橫向入流量;α為縱向流速。

以明渠不穩(wěn)定流隱式格式的有限差分解為求解依據(jù),對該模型進行計算,差分格式為六點中心隱式差分格式。依序交替水位和流量,通過Abbott六點中心格式對模型進行求解。該格式在庫朗數(shù)較大時,使用較長時間步,可以保證其穩(wěn)定性,減少計算時間和費用。圖1為水平點和流量點在艾伯特格式中的交替排列。

圖1 Abbott分水點與流量點的交錯排列

可僅對連續(xù)方程進行偏微分,將其改寫成以水平點為中心的新形式。通過偏微分流體運動方程,可使方程有流體運動中心的形式。圖2為兩種格式。

圖2 兩種六點中心格式

對Abbott六點中心格式的模型方程進行整合后,可以用變量Zj來對方程與周圍相鄰節(jié)點間的關(guān)系進行表示。已知上下游水位Hu和Hd,采用標準的消除技術(shù)可解決該問題。結(jié)果表明,在任何節(jié)點處,Zj可同時作為上下游節(jié)點和下游節(jié)點的函數(shù)。

在該水利仿真模型的基礎(chǔ)上,對電力排灌站達到自然平衡狀態(tài)時的流量差范圍進行分析。被控對象若具備自平衡能力,則在外部擾動使其偏離原平衡狀態(tài)時,該被控對象能夠依靠其內(nèi)部的反饋機制,自發(fā)地調(diào)整自身狀態(tài),通過改變控制變量,使其達到新的平衡點。由于被控制系統(tǒng)本身具有對外界干擾的抵抗力,因此可以實現(xiàn)更好的控制效果。如單容水箱的自平衡能力是由其內(nèi)部反饋機制實現(xiàn)的。當水箱的水位升高,液位傳感器會檢測到水位變化,并將信號發(fā)送給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)會根據(jù)信號來控制出口處的閥門開度大小,以達到控制水箱出水流量的目的。當水位達到一定高度時,控制系統(tǒng)會自動減小閥門開度,使出水流量逐漸減小,從而達到水位的平衡狀態(tài)。單容水箱具備較好的自平衡能力,能夠快速響應(yīng)外部擾動,并通過內(nèi)部反饋機制來達到新的平衡狀態(tài),使水位處于合適的范圍內(nèi)[6-7]。具有平衡能力的單容水箱的傳遞函數(shù)如下:

(2)

式中:K、T分別為靜態(tài)放大系數(shù)和時間常數(shù)。

1.2 八里河水電排灌系統(tǒng)的最優(yōu)效率調(diào)度設(shè)計

排灌站是一種高效率、具有多種運行目標和水力耦合關(guān)系密切的并聯(lián)式抽水系統(tǒng),因為其運行目標多樣且效率高,因此需要深入研究其運行優(yōu)化問題。排灌泵站是一項跨流域遠距離調(diào)水工程,通過分布于調(diào)水區(qū)間不同位置的泵站來完成對目標地區(qū)的調(diào)水任務(wù)。在提水任務(wù)中,各級泵站的提水揚程之和應(yīng)滿足梯級泵站系統(tǒng)的總提水揚程,排灌泵站群系統(tǒng)需要滿足級間用水量和外部供水分水量的要求,其優(yōu)化運行應(yīng)當遵循系統(tǒng)聯(lián)合運行經(jīng)濟性、水位揚程優(yōu)化銜接、流量優(yōu)化以及滿足級間輸水河道水位綜合要求等原則[8]。

為了實現(xiàn)排灌泵站的最優(yōu)化運行,可將某一調(diào)度周期內(nèi)梯級泵站的抽水成本降至最低作為優(yōu)化目標,通過建立數(shù)學模型,考慮前后池水位、目標流量、當?shù)仉妰r以及各級泵站機組參數(shù)等因素,以滿足系統(tǒng)的流量揚程等約束要求。為實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié),排灌泵站可以將計劃期劃分為多個階段,并在每個階段對操作費用進行細致分析,以反映泵的實際費用。同時,需要假設(shè)在一定的運行周期內(nèi),同一轉(zhuǎn)速下的泵站運行參數(shù)是一致的。在正常供水條件下,將每天任一時刻的揚程作為座次變量進行分配,可用式(3)來求解階梯動力灌溉站每日抽水費用的最小值。

(3)

式中:Fr為梯級電力灌溉站總?cè)者\行耗電費用;λ為水的容重;H(i,j)、q1(i,j)、T(i,j)、D(i,j)、η(i,j)分別為第i及泵站在j時段內(nèi)的凈揚程提升量、流量、運行時間、電費價格和水泵裝置效率。

排灌泵站的流量平衡是工程安全的關(guān)鍵因素。若流量失衡,會導致級間缺水或棄水,對工程安全造成嚴重影響。因此,需要限制每個調(diào)度周期內(nèi)的總提水量,以確保泵站提水計劃順利完成。同時,每日提水量需要根據(jù)實際需要進行調(diào)整,通常以首級泵站的提水量表示總提水量。排灌泵站的工程揚程必須滿足工程所需提水揚程,并對各級泵站進行相應(yīng)調(diào)整,但必須保證最低所需提水揚程。對于有進出水池設(shè)計的排灌泵站,各泵站進出水池應(yīng)滿足進出水位約束條件,還需考慮最大最小水位。為保證水泵安全運行,水泵功率需滿足單泵最大抽水功率約束條件,同時需避免電機在低于50%滿載下運行,需在系統(tǒng)分析中調(diào)整電機和系統(tǒng)效率。在優(yōu)化調(diào)度中,機組連續(xù)啟動的時間間隔應(yīng)不小于泵站操作規(guī)定中設(shè)定的時間間隔,以保證機組啟動的安全性[9-10]。

泵的工作狀態(tài)點是泵的實際工作狀態(tài)的反映,并且與泵的性能和管道特性有密切關(guān)系。當泵的揚程達到管道輸送水的條件時,泵的特性曲線和管道特性曲線會在一個點上匯合,通常稱為A點,即泵的工作點。不同的泵工況和管道特性曲線會產(chǎn)生不同的工作點。當泵以最大效率工作時,工作狀態(tài)點即為泵的最佳工作點,該點附近為泵的高效率區(qū)域。在實際運行中,為了節(jié)約能源,應(yīng)盡可能將抽水機工作在高效率區(qū)域,但必須對抽水機進行調(diào)整,以適應(yīng)流量的變化。變頻調(diào)速是一種經(jīng)濟而節(jié)能的調(diào)速方式,利用變頻器調(diào)整泵的速度來改變泵的工作特性,不僅可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)整泵的工作范圍,而且可以確保泵的工作在高效率區(qū)域。水泵調(diào)速節(jié)能原理見圖3。

圖3 水泵調(diào)速節(jié)能原理

本研究采用粒子群遺傳算法(Particle Swarm Optimization-Genetic Algorithm,PSO-GA)進行優(yōu)化求解。首先確定排灌泵站總需提升的揚程和流量,將總提升揚程隨機分配給三級泵站,生成多個解組成一個解集。然后利用PSO-GA混合算法,求解抽水成本最低的運行調(diào)控優(yōu)化函數(shù),得到排灌泵站最佳的運行方案[11]。在計算過程中,需要判斷泵站的水泵運行是否符合約束條件,如果不符合,則要繼續(xù)尋找最優(yōu)解。最后確定的最優(yōu)解需要滿足約束條件,方可作為排灌泵站的理想運行方案。

2 潁上縣八里河電力排灌站運行優(yōu)化性能測試

本次潁河潁上段水系綜合治理一期工程(八里河站)建設(shè)內(nèi)容包括3個部分。第一部分是新建八里河站。作為抽排和引水的主要設(shè)施,設(shè)計流量分別為60.0和16.7m3/s,采用堤后式布置,主要建筑物包括排澇引水渠、進水閘(攔污閘)、前池、站身、壓力水箱、排澇出水涵和變電所,共安裝6臺機組(3臺1900ZLB型和3臺1400ZLB5-5型立式軸流泵),總裝機5 100kW。第二部分是重建八里河攔魚閘。設(shè)計流量為265m3/s,閘室采用開敞式鋼筋砼結(jié)構(gòu),共16孔,同時在閘室上游側(cè)布置一道攔魚柵,閘墩頂高程24.50m,墩頂布置交通便橋。第三部分是在原徐橋閘附近擴建徐橋閘,設(shè)計流量52.0m3/s,兼具防洪和排澇兩大功能。為了驗證水泵理論性能曲線與實際性能曲線的吻合度,需要對試驗平臺中的水泵進行性能測試。通過在特定頻率下測量泵的實際流量和進口壓力,可以計算出泵的實際揚程,從而獲得泵的標稱流量和標稱揚程值。測試結(jié)果見表1。

表1 水泵性能結(jié)果

根據(jù)表1繪制曲線圖,見圖4。

圖4 水泵性能實測對比

由圖4可知,確實有良好的實測值與設(shè)計值匹配的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此,通常在測試中采用設(shè)計曲線來代替實際的運行曲線。一般來說,為了確保離心泵的高效率和低振動,需要將其工作點固定于最佳操作區(qū)間內(nèi),這樣最優(yōu)工作點的流量約在70%～120%之間。如果離心泵的工況點不在最優(yōu)工況范圍內(nèi),而是處于兩個工作區(qū)間的過渡狀態(tài),盡管泵仍能持續(xù)安全運行,但其效率會迅速下降。最大許用流量是指離心泵在不超過標準規(guī)定的振動限值下的最大流量,一般約為最佳效率點流量的125%～130%。最小連續(xù)穩(wěn)定流量是指離心泵在不超過標準規(guī)定的振動限值下的最小流量。根據(jù)系統(tǒng)的實際需求,對于泵的操作進行限制時,可以將泵的操作范圍擴大到50%～120%,這樣可以更好地滿足實際的操作需求。在50Hz的水泵操作頻率下,圖5為各參數(shù)與流量之間的關(guān)系。

圖5 水泵工頻下水泵各因素與流量的關(guān)系

由圖5(a)可知,水泵揚程與流量呈反比關(guān)系,流量越大,水泵揚程越小。流量為10L/s時,水泵揚程約為25m;流量為40L/s時,水泵揚程約為12m。由圖5(b)可知,水泵效率與流量先呈正比后呈反比,流量為25L/s時,水泵效率達到峰值,約為78%。由圖5(c)可知,水泵功率與流量成正比關(guān)系,流量越大,水泵功率越大。流量為10L/s時,水泵功率達到5kW左右;流量為40L/s時,水泵功率達到8kW左右。

利用混合算法PSO-GA,對液體輸送系統(tǒng)進行數(shù)學建模,并確定其最佳工作條件,然后進行相應(yīng)的調(diào)整?；诖?對水力平衡和水力平衡下的日耗能量進行對比試驗,針對相同的流量和提升揚程同時展開,結(jié)果得到了可靠的驗證。在算法的幫助下,通過設(shè)定優(yōu)化方案,在供水流量為18L/s、提升揚程為4m的情況下,得到最合適的頻率設(shè)定方案,即第一泵站的頻率為39 Hz,第二泵站的頻率為34 Hz,第三泵站的頻率為29 Hz。該方案與其他方案優(yōu)化效果對比見圖6。

圖6 方案優(yōu)化效果對比

由圖6可知,方案1、方案2、方案3、方案4的日運行耗電費用分別為2 291.34、2 217.31、2 148.97和2 133.35元,而研究設(shè)計的優(yōu)化方案的日運行耗電費用為2 092.91元,是所有方案中耗電費用最低的。另外,研究設(shè)計的優(yōu)化方案的水泵裝置平均效率為69.1%,是所有方案中水泵裝置平均效率最高的。結(jié)果表明,研究設(shè)計的電力排灌站運行優(yōu)化方案具有可靠性和可行性,能夠優(yōu)化電力排灌站的運行效率及運行成本。

3 結(jié) 論

潁上縣八里河洼地是內(nèi)澇的重災(zāi)區(qū)。本文針對八里河電力排灌站的運行效率進行了優(yōu)化,建立了八里河電力排灌站水利仿真模型,并在此基礎(chǔ)上建立了運行優(yōu)化模型。通過PSO-GA算法,對運行優(yōu)化方案進行求解,得到最佳方案。結(jié)果顯示,泵的揚程與流量之間存在著反比關(guān)系。研究設(shè)計的優(yōu)化方案的日運行耗電費用為2 092.91元,水泵裝置平均效率為69.1%,兩者均是所有對比方案中數(shù)值最優(yōu)的,表明研究設(shè)計的優(yōu)化運行方案具有可靠性和可行性,實現(xiàn)了顯著的優(yōu)化效果。