颍上县八里河电力排灌站运行优化技术研究.pdf
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1、第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-06-19作者简介 马高阳(1984-),男,安徽颍上人,工程师,主要从事水利工程建设管理及泵站运行管理工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.024颍上县八里河电力排灌站运行优化技术研究马高阳(颍上县机电排灌所,安徽 阜阳 236200)摘 要基于圣维南方程组,建立八里河电力排灌站水利仿真模型,在该模型基础上,建立电力排灌站的
2、运行优化模型,并通过粒子群遗传算法,对运行最佳方案进行求解,最终得到最佳优化方案。结果显示,优化方案具有可行性,该方案的日运行耗电费用 2 092.91 元,水泵装置平均效率 69.1%,在各对比方案中数值最优。研究提出的优化方案显著效果,可为解决八里河洼地存在的内涝问题提供有效的技术支持。关键词运行优化;水泵;扬程;PSO-GA;电力灌溉站中图分类号 TV675 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0115-060 引 言淮河流域是极易发生洪涝灾害的地区之一,特别是淮河中游地区,由于干流纵向坡降过小,受洪泽湖回水顶托,导致干流衔接处水流不畅,再加上水系呈不对称羽状分
3、布,使得北岸支流水位低于干流水位的“关门淹”现象时有发生。当“关门淹”发生时,支流的洪水不能自然流至干流,而滞留在本地区域形成内涝,给当地带来无可估量的经济损失1-3。颍上县位于淮河和颍河交汇处,南临淮河,中贯颍河,面积 1 889 km2,总耕地 10.3104hm2,总人口 176.9 万人。八里河流域位于该县境内,是颍河的一个支流,流域面积 480km2,耕地面积2.873104hm2,总人口 38.2 万人。由于地势平坦,八里河洼地经常成为内涝的重灾区。严重的洪涝灾害曾给本地带来重大的经济损失,其中“关门淹”现象尤其严重4。在建立行洪蓄涝区的同时,八里河电力排灌站的建设也成为缓解洪涝灾
4、害的解决方案之一。本文针对电力灌溉站的建设,提出水利仿真模型,进一步对电力排灌站的运行效率进行优化,并针对八里河流域的具体情况进行深入研究,为解决该流域洪涝灾害问题提供针对性的解决方案。通过本文研究方法,可以更科学地分析电力排灌站在洪涝灾害中的实际效果,为运行技术的完善提供指导。1 颍上县八里河流域电力排灌站运行优化技术1.1 八里河电力排灌站水利仿真模型八里河洼地地势较为平坦,由西北向东南缓倾,常 年 蓄 水 区 正 常 蓄 水 位 21.5m,面 积 为27.1km2。八里河入颍河口现有八里河闸排涝、防洪,闸上形成一平底洼湖,湖底高程 17.0m,正常蓄水位 21.5m,面积 27.1km
5、2。本研究基于圣维南方程组,构建八里河段电力排灌站水利仿真模型,分析其输水水利特征,为系统正常输水、流量调节提供仿真模拟平台,并提供科学依据,制定运行方案5。基于圣维南方程,研究一维不稳定流动方程和一维流体力学模型。其连续方程和运动方程如下:511第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023Qx+bsht=qQt+(Q2A)x+gAhx+Q QC2AR=0(1)式中:x、t 分别为距离和时间;Q 为水流量级;h 为水位方向;A 为
6、过流截面面积;R 为水力半径;C为阻力系数;g 为重力加速度;q 为每一段河道的横向入流量;为纵向流速。以明渠不稳定流隐式格式的有限差分解为求解依据,对该模型进行计算,差分格式为六点中心隐式差分格式。依序交替水位和流量,通过Abbott 六点中心格式对模型进行求解。该格式在库朗数较大时,使用较长时间步,可以保证其稳定性,减少计算时间和费用。图 1 为水平点和流量点在艾伯特格式中的交替排列。图 1 Abbott 分水点与流量点的交错排列可仅对连续方程进行偏微分,将其改写成以水平点为中心的新形式。通过偏微分流体运动方程,可使方程有流体运动中心的形式。图 2 为两种格式。图 2 两种六点中心格式 对
7、 Abbott 六点中心格式的模型方程进行整合后,可以用变量 Zj来对方程与周围相邻节点间的关系进行表示。已知上下游水位 Hu和 Hd,采用标准的消除技术可解决该问题。结果表明,在任何节点处,Zj可同时作为上下游节点和下游节点的函数。在该水利仿真模型的基础上,对电力排灌站达到自然平衡状态时的流量差范围进行分析。被控对象若具备自平衡能力,则在外部扰动使其偏离原平衡状态时,该被控对象能够依靠其内部的反馈机制,自发地调整自身状态,通过改变控制变量,使其达到新的平衡点。由于被控制系统本身具有对外界干扰的抵抗力,因此可以实现更好的控制效果。如单容水箱的自平衡能力是由其内部反馈机制实现的。当水箱的水位升高
8、,液位传感器会检测到水位变化,并将信号发送给控制系统,控制系统会根据信号来控制出口处的阀门开度大小,以达到控制水箱出水流量的目的。当水位达到一定高度时,控制系统会自动减小阀门开度,使出水流量逐渐减小,从而达到水位的平衡状态。单容水箱具备较好的自平衡能力,能够快速响应外部扰动,并通过内部反馈机制来达到新的平衡状态,使水位处于合适的范围内6-7。具有平衡能力的单容水箱的传递函数如下:G(s)=KTs+1(2)式中:K、T 分别为静态放大系数和时间常数。1.2 八里河水电排灌系统的最优效率调度设计排灌站是一种高效率、具有多种运行目标和水力耦合关系密切的并联式抽水系统,因为其运行目标多样且效率高,因此
9、需要深入研究其运行优化问题。排灌泵站是一项跨流域远距离调水工程,通过分布于调水区间不同位置的泵站来完成对目标地区的调水任务。在提水任务中,各级泵站的提水扬程之和应满足梯级泵站系统的总提水扬程,排灌泵站群系统需要满足级间用水量611马高阳:颍上县八里河电力排灌站运行优化技术研究第 9 期和外部供水分水量的要求,其优化运行应当遵循系统联合运行经济性、水位扬程优化衔接、流量优化以及满足级间输水河道水位综合要求等原则8。为了实现排灌泵站的最优化运行,可将某一调度周期内梯级泵站的抽水成本降至最低作为优化目标,通过建立数学模型,考虑前后池水位、目标流量、当地电价以及各级泵站机组参数等因素,以满足系统的流量
10、扬程等约束要求。为实现最优调节,排灌泵站可以将计划期划分为多个阶段,并在每个阶段对操作费用进行细致分析,以反映泵的实际费用。同时,需要假设在一定的运行周期内,同一转速下的泵站运行参数是一致的。在正常供水条件下,将每天任一时刻的扬程作为座次变量进行分配,可用式(3)来求解阶梯动力灌溉站每日抽水费用的最小值。minFr=minIi=1Jj=1H(i,j)q1(i,j)T(i,j)D(i,j)(i,j)(3)式中:Fr为梯级电力灌溉站总日运行耗电费用;为水的容重;H(i,j)、q1(i,j)、T(i,j)、D(i,j)、(i,j)分别为第 i 及泵站在 j 时段内的净扬程提升量、流量、运行时间、电费
11、价格和水泵装置效率。排灌泵站的流量平衡是工程安全的关键因素。若流量失衡,会导致级间缺水或弃水,对工程安全造成严重影响。因此,需要限制每个调度周期内的总提水量,以确保泵站提水计划顺利完成。同时,每日提水量需要根据实际需要进行调整,通常以首级泵站的提水量表示总提水量。排灌泵站的工程扬程必须满足工程所需提水扬程,并对各级泵站进行相应调整,但必须保证最低所需提水扬程。对于有进出水池设计的排灌泵站,各泵站进出水池应满足进出水位约束条件,还需考虑最大最小水位。为保证水泵安全运行,水泵功率需满足单泵最大抽水功率约束条件,同时需避免电机在低于 50%满载下运行,需在系统分析中调整电机和系统效率。在优化调度中,
12、机组连续启动的时间间隔应不小于泵站操作规定中设定的时间间隔,以保证机组启动的安全性9-10。泵的工作状态点是泵的实际工作状态的反映,并且与泵的性能和管道特性有密切关系。当泵的扬程达到管道输送水的条件时,泵的特性曲线和管道特性曲线会在一个点上汇合,通常称为A 点,即泵的工作点。不同的泵工况和管道特性曲线会产生不同的工作点。当泵以最大效率工作时,工作状态点即为泵的最佳工作点,该点附近为泵的高效率区域。在实际运行中,为了节约能源,应尽可能将抽水机工作在高效率区域,但必须对抽水机进行调整,以适应流量的变化。变频调速是一种经济而节能的调速方式,利用变频器调整泵的速度来改变泵的工作特性,不仅可以在较大的范
13、围内调整泵的工作范围,而且可以确保泵的工作在高效率区域。水泵调速节能原理见图 3。图 3 水泵调速节能原理如果某水泵在 n1转速下,A 点为其工况点,此时的流量为 QA,扬程为 HA。当需要将流量从QA减小至 QB时,采用调节管路阀门的方法进行调节,管路特性曲线将上扬,导致扬程增加至HB,从而提升了水泵的工况点至 B 点。调节水泵的另一种方法是采用变频调速技术。当泵的速度为 n2时,管道特性曲线保持不变,但泵的性能曲线会下降,导致扬程也会下降种至 HB,从而也将水泵的工况点移动至 B 点。通过这种方式,可以实现在同样流量下提高水泵的效率。本研究采用粒子群遗传算法(Particle Swarm
14、Optimization-Genetic Algorithm,PSO-GA)进行优化求解。首先确定排灌泵站总需提升的扬程和流量,将总提升扬程随机分配给三级泵站,生成多个解组成一个解集。然后利用 PSO-GA 混合算法,求解抽水成本最低的运行调控优化函数,得到排灌泵站最佳的运行方案11。在计算过程中,需要判断泵站的水泵运行是否符合约束条件,如果不符合,则要继续寻找最优解。最后确定的最优解需要满足约束条件,方可作为排灌泵站的理想运行方案。711第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and Econo
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