泵站供水系统变速调节优化调度分析

李 旭

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110003)

1 工程概况

辽河流域某水利枢纽电站尾水末端修建的水库下游需水流量约1.10m3/s，总干末端蓄水池二干、三干设计流量为0.476m3/s和1.75m3/s。1#、2#泵站各安装型号为TSS00-680A的6台水泵机组，其中2台备用4台运行。通过计算发现下游需水量，在单台泵运行时无法满足要求而两台泵工频运行时效率偏低，为节约能源综合考虑泵站效率和下游需求应安装两台变速器，所以可变速调节的变速器安装于每个泵站的两台水泵上，均采用单管输水作为两级泵站的输水方式。因此，为保证供水系统和水利枢纽的安全运行，有必要采取科学的方法研究该水利枢纽的供水调度问题[1]。王俊良等[2]通过分析多水源供水优化调度流程，提出了基于遗传算法求解的决策支持系统，而对于供水系统经济可行性分析较少；陆一忠等[3]以场内优化调度为核心、以供水成本为最优化目标，从泵站运行实际状况出发提出优化调度模型，并对模型求解方法进行了分析，但对水泵效率的变化并未给出明确的结论。梯级泵站具有技术要求高、运行理论复杂及代表性强等特征，在变速工况下分析该水利枢纽一、二级泵站稳态，准确计算不同开机台数下泵站变速调节的流量匹配，可为泵站供水系统优化调以及大流域梯级水电站群优化调度模型的构建提供科学的依据[4-10]。

2 建立数学模型

2.1 变速调节数学模型

为确保供水系统的高效运行，将泵站的工作点采用变速调节的方式调至高效区。定义变速后水泵的转速与额定转速的比值为转速比为k，利用泵站相似特性公式确定：

Q1/Q0=n1/n0=k

(1)

H1/H0=(n1/n0)2=k2

(2)

N1/N0=(n1/n0)6=k3

(3)

式中：n0、N0、H0、Q0为水泵的额定转速、有效功率、扬程和流量；n1、N1、H1、Q1为水泵变速后的转速、有效功率、扬程和流量。

2.2 泵站效率的求解

供水泵站运行能否达到预期效益与体积泵站优化运行调度质量密切相关，采用泵站的运行效率作为衡量泵站运行效益的重要参数。水泵运行工况、效率状况为影响供水系统效率的主要因素，尤其是上、下级之间的梯级泵站流量匹配不合理，致使断流、弃水现象频繁出现，对泵站系统的整体效率和水泵效率产生极为不利的影响。系统进出水η传、传动η池、管路η管、电机η电、水泵η泵效率的乘积为泵站效率η站，其表达式如下：

η站=η泵η传η电η管η池

(4)

其中，η电采用电机生产厂家提供的实测数据，取95.5%，η传、η池近似取100%，由此可将上式简化为：

η站=η泵η电η管

(5)

其中，有效功率N有效与轴功率N轴之间的比值即为水泵效率，计算公式为：

η站=N有效/N轴=γQH/N轴

(6)

式中：H、Q为水泵的扬程和流量；γ为水的重度。

泵站的管路效率计算公式为：

η管=H净/(H净+SQ2)

(7)

式中：S、H净为管道损失系数和净扬程。

3 泵站供水系统优化调度

3.1 泵站稳态运行数值模拟

该水利枢纽1#、2#泵站各安装型号为TSS00-680A的6台水泵机组，其中2台备用4台运行，设计扬程为128.5m、124.2m。为节约能源将可变速调节的变速器安装于每个泵站的2台水泵上，采用单管输水作为2级泵站的输水方式，所以最多只考虑2台泵的变速运行情况进行计算分析。在设计扬程时1#、2#泵站，其相应的工作参数及变速调节水泵工作点在各种不同组合情况下的参量。见表1-2。其中，扬程、效率、功率单位分别为m、%、kW；流量、转速单位为m3/s、r/min。

表1 定速泵和变速泵A运行工况计算

续表1 定速泵和变速泵A运行工况计算

续表1 定速泵和变速泵A运行工况计算

表2 变速泵B运行工况和泵站运行参量

续表2 变速泵B运行工况和泵站运行参量

3.2 泵站稳态运行分析

1)工频运行时泵站效率。开机台数越少则工频运行时1#、2#泵站的泵站效率越高，四台泵同时运行的效率最低而单机运行时效率最高。在工况相同的条件下，1#泵站的运行效率要高于2#。

2)1#泵站稳态运行。转速比调整至0.94情况时，1#泵站的单泵运行效率最高，达到75.60%；转速比同时调至0.94的条件下，2台泵的并联运行的效率达到最高的73.92%；将其中两台泵转速调至0.94的情况下，3台泵并联运行的效率达到最高为71.30%；变速调节方式不宜作为四台泵并联运行的控制方式，该情况下泵站的最大效率仅有68.55%。

3)2#泵站稳态运行。转速比调整至0.92情况时，2#泵站的单泵运行效率最高，达到75.30%；转速比同时调至0.94的条件下，两台泵的并联运行的效率达到最高的73.62%；将其中两台泵转速调至0.94的情况下，3台泵并联运行的效率达到最高为71.54%；变速调节方式不宜作为四台泵并联运行的控制方式，该情况下泵站的最大效率仅有69.42%。

4)1#、2#泵站并联运行工况。在2台泵并联和单台泵运行的工况下，1#、2#泵站的运行效率在符合任意要求的转速比下均能得到大幅度的提升。在某些转速比下，3台和4台泵并联运行效率无法得到提升，由此表明变速调节可在一定程度上提高泵站效率，对供水系统节能效应发挥积极的促进作用。然而，变速调节方式并非适用于所有的工况，应结合具体的情况采取该模式。

3.3 泵站流量平衡计算

1)泵站变速调节流量范围。通过数值模拟计算各种变速组合、1#、2#泵站工频，确定泵站变速调节在不同开机台数下的极限工况。从提水流量和泵站效率的角度，计算分析运行2台水泵的的1、2级站的工况。泵站在不同工况下的最小、最大流量依据计算结果确定，变速调节下1#、2#泵站两台水泵的流量范围计算结果。两泵站流量调节区间，见表2。

表2 两泵站流量调节区间

2) 泵站流量平衡分析。运行状态处于理想条件时，为保证梯级泵站中间不发生弃水，在不同开机组合下必须全部消耗2级站水量，对于1级站提水流量才能保证2级站前池不发生断流或者雍水。约束条件设定为1级站的泵站流量，1级站流量与2级站相匹配，在前池滞留和不考虑流量损失的情况下，平衡匹配的流量计算，见表3。其中，泵转速、泵站力量单位为r/min、m3/s；泵站功率、效率、扬程单位为kW、%、m。

3.4 泵站优化调度方案分析

1)采用变速调节方式达到梯级泵站流量匹配。采用变速调节的方式对该水库复杂通水系统1、2级电站进行数值模拟，由此可达到流量匹配。结果显示，1、2级泵站效率在流量匹配时处于较高水平，且满足相关规范设计要求。

2)最佳工况的变速调节。1级站2台泵变速运行为供水系统在1级站开机台数为2台时的最佳运行工况，变频运行的2台水泵转速均为1405r/min；两台变速泵2级站运行的情况下，其转速分别为1380、1402r/min。在该条件下系统的总流量为1.211m3/s，1级、2级站的运行效率分别达到73.88%和73.85%。

表3 平衡匹配流量计算

4 结 论

1) 采用变速调节的方式可有效解决梯级泵站之间的流量匹配问题，为使泵站的总流量变幅达到最大可采取小幅度调节转速比的方式就可以实现。

2) 变速调节可在一定程度上提升泵站系统的运行效率并满足下游需水量要求，对供水节能效应产生积极的促进作用。在一定的转速比界限内，随变速比的增大泵站效率呈增加趋势。

3) 运用变速调节的方式可实现该水利枢纽复杂的供水系统1、2级站的流量匹配，1、2级泵站效率在流量匹配的情况下处于较高水平，数值模拟结果显示该方式能够满足优化调度的目标要求。