大型梯級泵站系統(tǒng)的設(shè)計

大型梯級泵站系統(tǒng)的設(shè)計

1在線運行優(yōu)化在流域內(nèi)或流域之間傳輸能源站，有效解決了水資源時空分布不均的問題。由于梯級泵站裝機臺數(shù)與型號多、調(diào)水線路長、輸水河道復(fù)雜和沿線區(qū)間分水等諸多因素,使得梯級泵站系統(tǒng)運行決策困難,容易造成能源的大量浪費,降低了經(jīng)濟效益。因此,研究大型調(diào)水工程中梯級泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化,降低能耗,具有重大意義。周龍才針對單線長渠道梯級變頻泵站,以主機組總能耗最小為準則,建立了動態(tài)規(guī)劃模型,確定了各級泵站的最優(yōu)揚程分配;在給定泵站凈揚程和流量條件下,建立非線性規(guī)劃模型,確定了站內(nèi)各機組最優(yōu)轉(zhuǎn)速。馮曉莉等以泵機組總功率最小為目標,運用退火遺傳算法求解了南水北調(diào)東線源頭一級并聯(lián)泵站各條輸水線路水位和流量分配、各泵站開機臺數(shù)與機組運行工況。程吉林等以主機組耗電費用最少為目標,提出葉片可調(diào)單機組日運行優(yōu)化動態(tài)規(guī)劃數(shù)學模型,求解確定了機組運行優(yōu)化方案。Ostfeld與Tubaltzev以系統(tǒng)設(shè)計和運行費用最小為目標,采用蟻群算法研究了泵站輸水系統(tǒng)運行優(yōu)化。Bene等和FengXiaoli等采用遺傳算法分別研究了水泵短期優(yōu)化調(diào)度運行以及泵站主機組的優(yōu)化運行。上述研究均以主機組作為研究對象,考慮的因素不夠全面;部分研究未考慮河道輸水損失,或者考慮了明渠流的水力損失,但忽略了輸水過程中蒸發(fā)、滲漏等造成的流量損失。另一方面,研究范圍為單座泵站、單線梯級泵站或單級并聯(lián)泵站,未對多線梯級泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化進行研究。本文研究的梯級泵站系統(tǒng),不僅包括主機組、進出水流道、進出水池及輸水河道,還包括為泵站主機組運行提供服務(wù)的輔助設(shè)備和輸變電設(shè)施等,考慮因素更加全面;同時,在水位約束計算中,考慮了輸水水力損失與水量損失,水位計算更加準確。以南水北調(diào)東線首段梯級泵站系統(tǒng)(長江至洪澤湖段的3級雙線梯級泵站系統(tǒng))為研究對象,系統(tǒng)能耗最小為優(yōu)化目標,確定系統(tǒng)運行優(yōu)化方案。南水北調(diào)東線首段梯級泵站系統(tǒng)如圖1所示。南水北調(diào)東線首段工程正常情況下由長江三江營引水,經(jīng)夾江、芒稻河至江都西閘,江都站抽部分水入里運河北送,其余部分水經(jīng)江都東閘進入新通揚運河送水至宜陵,自宜陵向北由三陽河、潼河向?qū)殤?yīng)站送水。由寶應(yīng)站抽水入里運河與江都站來水在里運河大汕子處(南運西閘附近,潼河、金寶航道與里運河在此處近似十字交叉)匯合。此后,輸水線路又分成兩路,一路沿金寶航道、金湖站、入江水道送水至洪澤站,最后進入洪澤湖;另一路繼續(xù)沿里運河北上經(jīng)北運西閘至淮安站下,淮安四站由新河抽水至蘇北灌溉總渠?；搓幰?、二、三站抽引淮安站來水,最后進入洪澤湖。2優(yōu)化數(shù)學模型的構(gòu)建和求解2.1按水泵流量為導(dǎo)向的雙軌獨立水泵系統(tǒng)第i處水泵規(guī)劃(1)目標函數(shù):式中:i(i=1,2,?,8)為泵站編號,分別表示江都站、寶應(yīng)站、金湖站、洪澤站、淮安一~三站、淮安四站、淮陰一、三站以及淮陰二站;Ni為第i處泵站總運行功率,kW;j為第i處泵站機組型號數(shù);Mij為第i處泵站第j種型號機組裝機臺數(shù);ρ為水的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;Qij為第i處泵站第j種型號機組的單機抽水流量,m3/s;Hzi為第i處泵站泵裝置揚程,m;nij為第i處泵站第j種型號機組開機臺數(shù);ηzij為第i處泵站第j種型號機組泵裝置效率;ηdrij為第i處泵站第j種型號機組傳動效率,直聯(lián)傳動時為1.0;ηmotij為第i處泵站第j種型號機組電動機效率;Pzni為第i處泵站站用電能耗,kW;ΔPtei為第i處泵站輸電能耗,kW;ΔPbi為第i處泵站變壓器能耗,kW。(2)約束條件:水源水位zsjy、洪澤湖水位zhzh及流量Qhzh約束,各泵站最高、最低揚程約束,泵站單機流量及開機臺數(shù)約束,即式中:Qnz1、Qnz2、Qbz、Qsjy分別為南運西閘處流量分別向金湖站、淮安站分流流量、北運西閘流量以及三江營源頭取水流量,m3/s;qs0、qs1、qs2、qs3、qs4、qs5、qs6、qs7、qs8、qs9分別為長江三江營-江都站下,江都站上-南運西閘,南運西閘-北運西閘,南運西閘-金湖站下,金湖站上-洪澤站下,北運西閘-淮安四站下,北運西閘-淮安一、二、三站下,淮安站上-淮陰一、三站下,淮安站上-淮陰二站下,江都站下-寶應(yīng)站下河道輸水滲漏損失流量,m3/s;qz0、qz1、qz2、qz3、qz4、qz5、qz6、qz7、qz8、qz9分別為長江三江營-江都站下,江都站上-南運西閘,南運西閘-北運西閘,南運西閘-金湖站下,金湖站上-洪澤站下,北運西閘-淮安四站下,北運西閘-淮安一、二、三站下,淮安站上-淮陰一、三站下,淮安站上-淮陰二站下,江都站下-寶應(yīng)站下河道輸水蒸發(fā)損失流量,m3/s;qf9為江都站下-寶應(yīng)站下輸水河道分流流量,m3/s;Qij,min、Qij,max分別為第i處泵站第j種型號水泵所允許的最小、最大單機抽水流量,m3/s;Mij為第i處泵站第j種型號機組裝機臺數(shù);其他符號意義同前。數(shù)學模型求解過程中水位、流量的多層分解-離散計算以及各座泵站站內(nèi)優(yōu)化計算,使得計算量相當大,運算時間較長,對于某一大汕子水位,確定首段梯級泵站系統(tǒng)運行方案約需10h。在實際應(yīng)用時,一般是事先將不同水位、流量的運行優(yōu)化方案存入計算機中,機組根據(jù)實際運行條件,查詢并執(zhí)行開機運行方案即可達到優(yōu)化運行的目的。3不同水位下各站泵裝置揚程分析當大汕子水位一定,通過計算可得出首段后2級線路1與線路2(即洪澤站與淮陰站)不同入湖流量分配時,后2級各座泵站運行方案、運行功率與大汕子總流量,再根據(jù)大汕子總流量、水位以及長江三江營水位的約束,求解第1級東、西支線不同分配時運行方案與運行功率。以大汕子水位7.7m為例,不同淮陰站入湖流量情況下的泵裝置揚程與系統(tǒng)運行功率計算結(jié)果如圖3、圖4。從圖中可以看出,當大汕子水位一定(7.7m)時,隨著第2、3梯級線路2淮陰站入湖流量的增加,淮陰站泵裝置揚程總體上逐漸增加,其他站泵裝置揚程變化不大;第2、3梯級線路2(淮陰站、淮安站)運行功率逐漸增加,而線路1(洪澤站、金湖站)運行功率逐漸減小,第1梯級(江都站、寶應(yīng)站)運行功率基本不變,當淮陰站入湖流量為250m3/s時首段系統(tǒng)總運行功率達到最小值。此時,第1梯級東、西支線交匯點處大汕子總流量為476.72m3/s,東、西支線不同流量分配時泵站運行功率如圖5所示。圖中功率曲線是非連續(xù)的,這是因為東支線流量受到寶應(yīng)站單機流量的約束,在功率曲線間斷處流量分配情況下泵站不能正常運行?？梢钥闯?當?shù)?梯級東、西支線流量之比為0.13∶0.87時,泵站運行功率最小,為41.758kW。3.2第三級北支線入湖流量一定,大汕子不同水位時系統(tǒng)運行功率在洪澤湖水位13.50m、長江三江營水源水位2.19m的情況下,若要求首段工程入洪澤湖流量為450m3/s,當大汕子水位低于7.0m時,可能出現(xiàn)淮安站與淮陰站泵裝置揚程無法滿足水位約束條件的情況;而當大汕子水位高于8.2m時,可能出現(xiàn)金湖站與洪澤站泵裝置揚程無法滿足水位約束條件的情況。因此,計算過程中選取大汕子最高水位8.2m,最低水位7.0m,水位變化步長0.1m。以淮陰站(第3梯級北支線)入湖流量250m3/s為例,大汕子不同水位時各站泵裝置揚程、運行功率計算結(jié)果如圖6、圖7。由于江都站上通航水位的限制,大汕子最高水位為8.0m。從中可以看出,當?shù)?、3梯級兩條輸水線路抽水流量比例一定時,隨著南運西閘大汕子水位增加,江都站與寶應(yīng)站裝置揚程和系統(tǒng)運行功率逐漸增加,金湖站與洪澤站裝置揚程和系統(tǒng)運行功率逐漸降低,淮陰站與淮安站系統(tǒng)運行功率逐漸降低,系統(tǒng)總運行功率逐漸降低。3.3運行優(yōu)化方案設(shè)計可以看出,當大汕子水位為8.0m,淮陰站入湖流量為260m3/s時,系統(tǒng)總運行功率最低,為76.918MW,系統(tǒng)有效功率為49.877MW,則系統(tǒng)效率為64.84%。但此時江都站站上水位已達到8.7m,超過輸水河道通航允許最高水位8.5m。通過計算,當大汕子水位7.7m時,江都站站上水位約為8.5m,可滿足輸水河道通航允許最高水位要求,淮陰站、洪澤站入湖流量分別為250、200m3/s時,系統(tǒng)總運行功率最低,為77.551MW,系統(tǒng)效率為64.32%,各座泵站運行優(yōu)化方案如表2。此時,大汕子水位7.7m即為最優(yōu)水位,偏離于工程設(shè)計水位7.6m。大汕子最優(yōu)水位、設(shè)計水位、最低水位,以及兩條輸水線路最優(yōu)流量分配和設(shè)計流量分配情況下,幾種運行方案計算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?方案1分別較方案2、方案3、方案4減少功率5.42%、6.83%和11.16%,系統(tǒng)效率分別提高3.49、4.40和7.18個百分點。4總影響流量分析(1)復(fù)雜梯級泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化計算過程中,要考慮上、下梯級之間的揚程優(yōu)化、并聯(lián)泵站之間的流量分配與機組運行優(yōu)化,才能保證系統(tǒng)運行功率最小,同時還需考慮泵站在允許揚程、功率范圍內(nèi)能夠安全運行,輸水河道水位滿足最高、最低通航水位的要求。(2)對于南水北調(diào)東線首段3級梯級泵站系統(tǒng),在洪澤湖水位13.50m、長江三江營水位2.19m的情況下,由于江都站站上最高通航水位的控制,當入湖流量450m3/s時,大汕子最優(yōu)水位為7.7m,第1梯級江都站、寶應(yīng)站裝置揚程為6.477m、6.872m,第2梯級金湖站、淮安一～三站、淮安四站裝置揚程為1.546m、3.560m、3.928m,第3梯級洪澤站、淮陰一、三站裝置揚程分別為4.500m、3.287m,第1梯級東、西支線流量比為0.13∶0.87,第3級南、北支線入洪澤湖流量比為200∶250,首段梯級泵站系統(tǒng)最優(yōu)運行方案較原設(shè)計方案可減少運行功率6.83%。(3)本文較全面地考慮了大型梯級泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化問題的影響因素,建立了相應(yīng)的數(shù)學優(yōu)化模型,并采用多層分解-離散與粒子群優(yōu)化算法,求解了3級雙線混聯(lián)梯級泵站系統(tǒng)的優(yōu)化運行方案,計算過程較為復(fù)雜,工作量大。要求解級數(shù)和輸水線路更多的更復(fù)雜的梯級泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化問題,還需要尋求更快、更適合的求解方法。南水北調(diào)東線首段工程是雙線調(diào)水,在長江取水口三江營水位和工程末端洪澤湖水位、入湖流量一定的情況下,輸水線路的流量分配比例不同,河道輸水水量損失、水力損失以及泵站系統(tǒng)總輸入功率也不相同,而且三者均取決于泵站系統(tǒng)的運行工況。因此,在滿足約束條件下,以首段工程梯級泵站系統(tǒng)總運行功率Nt最小為目標,建立數(shù)學模型。12.2站內(nèi)運行優(yōu)化問題上述數(shù)學模型可分成4個層次求解,如圖2所示。3.1大汕子水位一定,兩條并聯(lián)輸水線路不同流量分配時系統(tǒng)運行功率在洪澤湖水位13.50m、長江三江營水源水位2.19m的情況下,若要求首段工程入洪澤湖流量為450m3/s,根據(jù)洪澤站最低泵裝置揚程要求,求得洪澤站最大允許流量為210m3/s,則淮陰站最小允許流量為240m3/s;考慮到淮陰站與淮安站的流量與水位約束,選取淮陰站最大允許流量為320m3/s。即第2、3梯級線路1入湖流量范圍為130～210m3/s,線路2入湖流量范圍為320~240m3/s,取流量變化步長10m3/s(洪澤站、淮陰站至洪澤湖的輸水河道長度較短,忽略此段河道輸水水量損失與水力損失)。212(1)第1層次。根據(jù)約束條件確定南運西閘大汕子處水位,水位計算步長取0.1m。(2)第2層次。以大汕子水位為計算節(jié)點,當大汕子水位一定時,計算大汕子-金湖站-洪澤站-洪澤湖(線路1),大汕子-淮安站-淮陰站-洪澤湖(線路2)兩條輸水線路不同流量分配時,后2級泵站系統(tǒng)優(yōu)化運行方案及運行功率。根據(jù)兩條輸水線路確定的優(yōu)化運行方案,求得大汕子總流量,進而確定首級泵站系統(tǒng)江都站與寶應(yīng)站的最優(yōu)流量分配與優(yōu)化運行方案,將首級泵站系統(tǒng)與后2級泵站系統(tǒng)運行功率相加得到首段泵站系統(tǒng)總運行功率。針對南運西閘大汕子不同水位,計算首段泵站系統(tǒng)總運行功率,其值最小者即為整個首段工程系統(tǒng)的優(yōu)化運行方案。(3)第3層次。根據(jù)線路1的流量與水位約束以及洪澤站揚程變化(變化步長0.1m),確定后2級線路1優(yōu)化運行方案與功率。根據(jù)淮陰二站揚程變化,計算淮陰二站與淮陰一、三站不同流量分配時淮安站站上水位、流量與淮陰站系統(tǒng)運行功率。(4)第4層次。根據(jù)第3層次求得的后2級線路2中淮安站站上水位和流量以及南運西閘大汕子處水位,確定淮安一、二、三站與淮安四站之間的流量分配與泵站揚程,計算淮安站系統(tǒng)輸入功率,并將結(jié)果返回到第3層次,確定后2級線路2水位優(yōu)化運行方案與系統(tǒng)運行功率。在上述第2—4層次中,均涉及到泵站站內(nèi)運行優(yōu)化問題。即在式(2)中,當i分別取1,2,…,8時,已知泵站揚程Hzi與抽水流量Qzi,同時滿足單機流量約束、泵站抽水流量約束與裝機臺數(shù)約束,以泵站運行功率Ni最小為目標,確定站內(nèi)機組運行優(yōu)化方案(包括開機臺數(shù)與運行工況)