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)

0 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10.3×104hm2,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2.873×104hm2,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27.1km2。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:

(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;α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,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:

(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。

(3)

式中:Fr为梯级电力灌溉站总日运行耗电费用;λ为水的容重;H(i,j)、q1(i,j)、T(i,j)、D(i,j)、η(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,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

本研究采用粒子群遗传算法(Particle Swarm 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。

2 颍上县八里河电力排灌站运行优化性能测试

本次颍河颍上段水系综合治理一期工程(八里河站)建设内容包括3个部分。第一部分是新建八里河站。作为抽排和引水的主要设施,设计流量分别为60.0和16.7m3/s,采用堤后式布置,主要建筑物包括排涝引水渠、进水闸(拦污闸)、前池、站身、压力水箱、排涝出水涵和变电所,共安装6台机组(3台1900ZLB型和3台1400ZLB5-5型立式轴流泵),总装机5 100kW。第二部分是重建八里河拦鱼闸。设计流量为265m3/s,闸室采用开敞式钢筋砼结构,共16孔,同时在闸室上游侧布置一道拦鱼栅,闸墩顶高程24.50m,墩顶布置交通便桥。第三部分是在原徐桥闸附近扩建徐桥闸,设计流量52.0m3/s,兼具防洪和排涝两大功能。为了验证水泵理论性能曲线与实际性能曲线的吻合度,需要对试验平台中的水泵进行性能测试。通过在特定频率下测量泵的实际流量和进口压力,可以计算出泵的实际扬程,从而获得泵的标称流量和标称扬程值。测试结果见表1。

表1 水泵性能结果

根据表1绘制曲线图,见图4。

图4 水泵性能实测对比

由图4可知,确实有良好的实测值与设计值匹配的现象出现。因此,通常在测试中采用设计曲线来代替实际的运行曲线。一般来说,为了确保离心泵的高效率和低振动,需要将其工作点固定于最佳操作区间内,这样最优工作点的流量约在70%～120%之间。如果离心泵的工况点不在最优工况范围内,而是处于两个工作区间的过渡状态,尽管泵仍能持续安全运行,但其效率会迅速下降。最大许用流量是指离心泵在不超过标准规定的振动限值下的最大流量,一般约为最佳效率点流量的125%～130%。最小连续稳定流量是指离心泵在不超过标准规定的振动限值下的最小流量。根据系统的实际需求,对于泵的操作进行限制时,可以将泵的操作范围扩大到50%～120%,这样可以更好地满足实际的操作需求。在50Hz的水泵操作频率下,图5为各参数与流量之间的关系。

图5 水泵工频下水泵各因素与流量的关系

由图5(a)可知,水泵扬程与流量呈反比关系,流量越大,水泵扬程越小。流量为10L/s时,水泵扬程约为25m;流量为40L/s时,水泵扬程约为12m。由图5(b)可知,水泵效率与流量先呈正比后呈反比,流量为25L/s时,水泵效率达到峰值,约为78%。由图5(c)可知,水泵功率与流量成正比关系,流量越大,水泵功率越大。流量为10L/s时,水泵功率达到5kW左右;流量为40L/s时,水泵功率达到8kW左右。

利用混合算法PSO-GA,对液体输送系统进行数学建模,并确定其最佳工作条件,然后进行相应的调整。基于此,对水力平衡和水力平衡下的日耗能量进行对比试验,针对相同的流量和提升扬程同时展开,结果得到了可靠的验证。在算法的帮助下,通过设定优化方案,在供水流量为18L/s、提升扬程为4m的情况下,得到最合适的频率设定方案,即第一泵站的频率为39 Hz,第二泵站的频率为34 Hz,第三泵站的频率为29 Hz。该方案与其他方案优化效果对比见图6。

图6 方案优化效果对比

由图6可知,方案1、方案2、方案3、方案4的日运行耗电费用分别为2 291.34、2 217.31、2 148.97和2 133.35元,而研究设计的优化方案的日运行耗电费用为2 092.91元,是所有方案中耗电费用最低的。另外,研究设计的优化方案的水泵装置平均效率为69.1%,是所有方案中水泵装置平均效率最高的。结果表明,研究设计的电力排灌站运行优化方案具有可靠性和可行性,能够优化电力排灌站的运行效率及运行成本。

3 结 论

颍上县八里河洼地是内涝的重灾区。本文针对八里河电力排灌站的运行效率进行了优化,建立了八里河电力排灌站水利仿真模型,并在此基础上建立了运行优化模型。通过PSO-GA算法,对运行优化方案进行求解,得到最佳方案。结果显示,泵的扬程与流量之间存在着反比关系。研究设计的优化方案的日运行耗电费用为2 092.91元,水泵装置平均效率为69.1%,两者均是所有对比方案中数值最优的,表明研究设计的优化运行方案具有可靠性和可行性,实现了显著的优化效果。