大型梯级泵站系统的设计

大型梯级泵站系统的设计

1在线运行优化在流域内或流域之间传输能源站，有效解决了水资源时空分布不均的问题。由于梯级泵站装机台数与型号多、调水线路长、输水河道复杂和沿线区间分水等诸多因素,使得梯级泵站系统运行决策困难,容易造成能源的大量浪费,降低了经济效益。因此,研究大型调水工程中梯级泵站系统运行优化,降低能耗,具有重大意义。周龙才针对单线长渠道梯级变频泵站,以主机组总能耗最小为准则,建立了动态规划模型,确定了各级泵站的最优扬程分配;在给定泵站净扬程和流量条件下,建立非线性规划模型,确定了站内各机组最优转速。冯晓莉等以泵机组总功率最小为目标,运用退火遗传算法求解了南水北调东线源头一级并联泵站各条输水线路水位和流量分配、各泵站开机台数与机组运行工况。程吉林等以主机组耗电费用最少为目标,提出叶片可调单机组日运行优化动态规划数学模型,求解确定了机组运行优化方案。Ostfeld与Tubaltzev以系统设计和运行费用最小为目标,采用蚁群算法研究了泵站输水系统运行优化。Bene等和FengXiaoli等采用遗传算法分别研究了水泵短期优化调度运行以及泵站主机组的优化运行。上述研究均以主机组作为研究对象,考虑的因素不够全面;部分研究未考虑河道输水损失,或者考虑了明渠流的水力损失,但忽略了输水过程中蒸发、渗漏等造成的流量损失。另一方面,研究范围为单座泵站、单线梯级泵站或单级并联泵站,未对多线梯级泵站系统运行优化进行研究。本文研究的梯级泵站系统,不仅包括主机组、进出水流道、进出水池及输水河道,还包括为泵站主机组运行提供服务的辅助设备和输变电设施等,考虑因素更加全面;同时,在水位约束计算中,考虑了输水水力损失与水量损失,水位计算更加准确。以南水北调东线首段梯级泵站系统(长江至洪泽湖段的3级双线梯级泵站系统)为研究对象,系统能耗最小为优化目标,确定系统运行优化方案。南水北调东线首段梯级泵站系统如图1所示。南水北调东线首段工程正常情况下由长江三江营引水,经夹江、芒稻河至江都西闸,江都站抽部分水入里运河北送,其余部分水经江都东闸进入新通扬运河送水至宜陵,自宜陵向北由三阳河、潼河向宝应站送水。由宝应站抽水入里运河与江都站来水在里运河大汕子处(南运西闸附近,潼河、金宝航道与里运河在此处近似十字交叉)汇合。此后,输水线路又分成两路,一路沿金宝航道、金湖站、入江水道送水至洪泽站,最后进入洪泽湖;另一路继续沿里运河北上经北运西闸至淮安站下,淮安四站由新河抽水至苏北灌溉总渠。淮阴一、二、三站抽引淮安站来水,最后进入洪泽湖。2优化数学模型的构建和求解2.1按水泵流量为导向的双轨独立水泵系统第i处水泵规划(1)目标函数:式中:i(i=1,2,⋯,8)为泵站编号,分别表示江都站、宝应站、金湖站、洪泽站、淮安一~三站、淮安四站、淮阴一、三站以及淮阴二站;Ni为第i处泵站总运行功率,kW;j为第i处泵站机组型号数;Mij为第i处泵站第j种型号机组装机台数;ρ为水的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;Qij为第i处泵站第j种型号机组的单机抽水流量,m3/s;Hzi为第i处泵站泵装置扬程,m;nij为第i处泵站第j种型号机组开机台数;ηzij为第i处泵站第j种型号机组泵装置效率;ηdrij为第i处泵站第j种型号机组传动效率,直联传动时为1.0;ηmotij为第i处泵站第j种型号机组电动机效率;Pzni为第i处泵站站用电能耗,kW;ΔPtei为第i处泵站输电能耗,kW;ΔPbi为第i处泵站变压器能耗,kW。(2)约束条件:水源水位zsjy、洪泽湖水位zhzh及流量Qhzh约束,各泵站最高、最低扬程约束,泵站单机流量及开机台数约束,即式中:Qnz1、Qnz2、Qbz、Qsjy分别为南运西闸处流量分别向金湖站、淮安站分流流量、北运西闸流量以及三江营源头取水流量,m3/s;qs0、qs1、qs2、qs3、qs4、qs5、qs6、qs7、qs8、qs9分别为长江三江营-江都站下,江都站上-南运西闸,南运西闸-北运西闸,南运西闸-金湖站下,金湖站上-洪泽站下,北运西闸-淮安四站下,北运西闸-淮安一、二、三站下,淮安站上-淮阴一、三站下,淮安站上-淮阴二站下,江都站下-宝应站下河道输水渗漏损失流量,m3/s;qz0、qz1、qz2、qz3、qz4、qz5、qz6、qz7、qz8、qz9分别为长江三江营-江都站下,江都站上-南运西闸,南运西闸-北运西闸,南运西闸-金湖站下,金湖站上-洪泽站下,北运西闸-淮安四站下,北运西闸-淮安一、二、三站下,淮安站上-淮阴一、三站下,淮安站上-淮阴二站下,江都站下-宝应站下河道输水蒸发损失流量,m3/s;qf9为江都站下-宝应站下输水河道分流流量,m3/s;Qij,min、Qij,max分别为第i处泵站第j种型号水泵所允许的最小、最大单机抽水流量,m3/s;Mij为第i处泵站第j种型号机组装机台数;其他符号意义同前。数学模型求解过程中水位、流量的多层分解-离散计算以及各座泵站站内优化计算,使得计算量相当大,运算时间较长,对于某一大汕子水位,确定首段梯级泵站系统运行方案约需10h。在实际应用时,一般是事先将不同水位、流量的运行优化方案存入计算机中,机组根据实际运行条件,查询并执行开机运行方案即可达到优化运行的目的。3不同水位下各站泵装置扬程分析当大汕子水位一定,通过计算可得出首段后2级线路1与线路2(即洪泽站与淮阴站)不同入湖流量分配时,后2级各座泵站运行方案、运行功率与大汕子总流量,再根据大汕子总流量、水位以及长江三江营水位的约束,求解第1级东、西支线不同分配时运行方案与运行功率。以大汕子水位7.7m为例,不同淮阴站入湖流量情况下的泵装置扬程与系统运行功率计算结果如图3、图4。从图中可以看出,当大汕子水位一定(7.7m)时,随着第2、3梯级线路2淮阴站入湖流量的增加,淮阴站泵装置扬程总体上逐渐增加,其他站泵装置扬程变化不大;第2、3梯级线路2(淮阴站、淮安站)运行功率逐渐增加,而线路1(洪泽站、金湖站)运行功率逐渐减小,第1梯级(江都站、宝应站)运行功率基本不变,当淮阴站入湖流量为250m3/s时首段系统总运行功率达到最小值。此时,第1梯级东、西支线交汇点处大汕子总流量为476.72m3/s,东、西支线不同流量分配时泵站运行功率如图5所示。图中功率曲线是非连续的,这是因为东支线流量受到宝应站单机流量的约束,在功率曲线间断处流量分配情况下泵站不能正常运行。可以看出,当第1梯级东、西支线流量之比为0.13∶0.87时,泵站运行功率最小,为41.758kW。3.2第三级北支线入湖流量一定,大汕子不同水位时系统运行功率在洪泽湖水位13.50m、长江三江营水源水位2.19m的情况下,若要求首段工程入洪泽湖流量为450m3/s,当大汕子水位低于7.0m时,可能出现淮安站与淮阴站泵装置扬程无法满足水位约束条件的情况;而当大汕子水位高于8.2m时,可能出现金湖站与洪泽站泵装置扬程无法满足水位约束条件的情况。因此,计算过程中选取大汕子最高水位8.2m,最低水位7.0m,水位变化步长0.1m。以淮阴站(第3梯级北支线)入湖流量250m3/s为例,大汕子不同水位时各站泵装置扬程、运行功率计算结果如图6、图7。由于江都站上通航水位的限制,大汕子最高水位为8.0m。从中可以看出,当第2、3梯级两条输水线路抽水流量比例一定时,随着南运西闸大汕子水位增加,江都站与宝应站装置扬程和系统运行功率逐渐增加,金湖站与洪泽站装置扬程和系统运行功率逐渐降低,淮阴站与淮安站系统运行功率逐渐降低,系统总运行功率逐渐降低。3.3运行优化方案设计可以看出,当大汕子水位为8.0m,淮阴站入湖流量为260m3/s时,系统总运行功率最低,为76.918MW,系统有效功率为49.877MW,则系统效率为64.84%。但此时江都站站上水位已达到8.7m,超过输水河道通航允许最高水位8.5m。通过计算,当大汕子水位7.7m时,江都站站上水位约为8.5m,可满足输水河道通航允许最高水位要求,淮阴站、洪泽站入湖流量分别为250、200m3/s时,系统总运行功率最低,为77.551MW,系统效率为64.32%,各座泵站运行优化方案如表2。此时,大汕子水位7.7m即为最优水位,偏离于工程设计水位7.6m。大汕子最优水位、设计水位、最低水位,以及两条输水线路最优流量分配和设计流量分配情况下,几种运行方案计算结果如表3所示。可以看出,方案1分别较方案2、方案3、方案4减少功率5.42%、6.83%和11.16%,系统效率分别提高3.49、4.40和7.18个百分点。4总影响流量分析(1)复杂梯级泵站系统运行优化计算过程中,要考虑上、下梯级之间的扬程优化、并联泵站之间的流量分配与机组运行优化,才能保证系统运行功率最小,同时还需考虑泵站在允许扬程、功率范围内能够安全运行,输水河道水位满足最高、最低通航水位的要求。(2)对于南水北调东线首段3级梯级泵站系统,在洪泽湖水位13.50m、长江三江营水位2.19m的情况下,由于江都站站上最高通航水位的控制,当入湖流量450m3/s时,大汕子最优水位为7.7m,第1梯级江都站、宝应站装置扬程为6.477m、6.872m,第2梯级金湖站、淮安一～三站、淮安四站装置扬程为1.546m、3.560m、3.928m,第3梯级洪泽站、淮阴一、三站装置扬程分别为4.500m、3.287m,第1梯级东、西支线流量比为0.13∶0.87,第3级南、北支线入洪泽湖流量比为200∶250,首段梯级泵站系统最优运行方案较原设计方案可减少运行功率6.83%。(3)本文较全面地考虑了大型梯级泵站系统运行优化问题的影响因素,建立了相应的数学优化模型,并采用多层分解-离散与粒子群优化算法,求解了3级双线混联梯级泵站系统的优化运行方案,计算过程较为复杂,工作量大。要求解级数和输水线路更多的更复杂的梯级泵站系统运行优化问题,还需要寻求更快、更适合的求解方法。南水北调东线首段工程是双线调水,在长江取水口三江营水位和工程末端洪泽湖水位、入湖流量一定的情况下,输水线路的流量分配比例不同,河道输水水量损失、水力损失以及泵站系统总输入功率也不相同,而且三者均取决于泵站系统的运行工况。因此,在满足约束条件下,以首段工程梯级泵站系统总运行功率Nt最小为目标,建立数学模型。12.2站内运行优化问题上述数学模型可分成4个层次求解,如图2所示。3.1大汕子水位一定,两条并联输水线路不同流量分配时系统运行功率在洪泽湖水位13.50m、长江三江营水源水位2.19m的情况下,若要求首段工程入洪泽湖流量为450m3/s,根据洪泽站最低泵装置扬程要求,求得洪泽站最大允许流量为210m3/s,则淮阴站最小允许流量为240m3/s;考虑到淮阴站与淮安站的流量与水位约束,选取淮阴站最大允许流量为320m3/s。即第2、3梯级线路1入湖流量范围为130～210m3/s,线路2入湖流量范围为320~240m3/s,取流量变化步长10m3/s(洪泽站、淮阴站至洪泽湖的输水河道长度较短,忽略此段河道输水水量损失与水力损失)。212(1)第1层次。根据约束条件确定南运西闸大汕子处水位,水位计算步长取0.1m。(2)第2层次。以大汕子水位为计算节点,当大汕子水位一定时,计算大汕子-金湖站-洪泽站-洪泽湖(线路1),大汕子-淮安站-淮阴站-洪泽湖(线路2)两条输水线路不同流量分配时,后2级泵站系统优化运行方案及运行功率。根据两条输水线路确定的优化运行方案,求得大汕子总流量,进而确定首级泵站系统江都站与宝应站的最优流量分配与优化运行方案,将首级泵站系统与后2级泵站系统运行功率相加得到首段泵站系统总运行功率。针对南运西闸大汕子不同水位,计算首段泵站系统总运行功率,其值最小者即为整个首段工程系统的优化运行方案。(3)第3层次。根据线路1的流量与水位约束以及洪泽站扬程变化(变化步长0.1m),确定后2级线路1优化运行方案与功率。根据淮阴二站扬程变化,计算淮阴二站与淮阴一、三站不同流量分配时淮安站站上水位、流量与淮阴站系统运行功率。(4)第4层次。根据第3层次求得的后2级线路2中淮安站站上水位和流量以及南运西闸大汕子处水位,确定淮安一、二、三站与淮安四站之间的流量分配与泵站扬程,计算淮安站系统输入功率,并将结果返回到第3层次,确定后2级线路2水位优化运行方案与系统运行功率。在上述第2—4层次中,均涉及到泵站站内运行优化问题。即在式(2)中,当i分别取1,2,…,8时,已知泵站扬程Hzi与抽水流量Qzi,同时满足单机流量约束、泵站抽水流量约束与装机台数约束,以泵站运行功率Ni最小为目标,确定站内机组运行优化方案(包括开机台数与运行工况)