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太原理工大学硕士研究生学位论文 供水工程优化选型及安全经济运行策略研究 摘要 供水工程是利用机电提水设备及其配套建筑物，给水流增加能量，使 其满足兴利除害要求的综合性系统工程。供水工程主要用于农田排灌、城 市给排水以及跨流域调水等领域。我国供水工程每年的耗电量约占全国总 用电量的2 0 0 旷2 5 。根据部颁要求，离心泵系统的装置效率必须不低于5 4 4 ，而我国泵站由于水泵选型不合理等原因，其运行效率一般为3 0 左右， 有的甚至更低，造成了能源的大量浪费，究其主要原因，水泵的选型不合 理是其中的主要原因之一。另外，泵站的安全问题( 主要指压力管路的水 锤问题) ，给供水工程的安全运行构成很大威胁，水锤事故的发生也屡次给 人民的生产和生活带来巨大损失。因此水泵实现优化快速选型，供水系统 进行必要的安全防护措施研究，以及研究供水工程的经济运行策略措施， 从整体上提高供水工程的运行效率，对实现供水工程的安全经济运行和节 约能源都有十分重要的意义。 本论文以系统工程的理论和方法为原则，以系统效率最高或能耗最小 为目标函数，进行离心泵的优化选型研究和不同防护措施下的压力管路安 全防护措施研究，并对供水工程内部机组运行进行优化调节，以保证整个 供水工程的安全经济运行。具体内容有： 1 ) 借助s q ls e r v e r 数据库强大的数据存储和处理功能，以目前市场 上常见的离心泵种类为基础建立离心泵数据库，该数据库共包括8 0 5 种不 同型号的离心泵，2 1 4 9 组水泵主要特性参数。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) 以系统效率最高或者系统功率最小为目标函数，采用整数规划( 分 枝定界法) 及常规寻优方法建立相应数学模型，确保水泵的选型满足整数 解并确定水泵台数的前提下，实现离心泵的快速选型研究，确定水泵的型 号( 所选水泵可能型号不同) 。为不同运行目标下供水工程提供不同的水 泵优化选型模型和方法，并结合实际工程进行了检验，结果合理，说明 该软件有一定的实用性。 3 ) 根据水锤基本原理及方法，采用特征线法结合实际工程，分别采 用三种不同水锤防护措施( 水锤消除器、液控蝶阀、液控蝶阀和进排气阀) 进行相应压力管路安全防护措施研究，以对压力管路的安全运行提出必要 的防护措施，在此基础上，结合山西省禹门口供水工程的实际，以液控蝶 阀为防护措施，进行压力管路安全防护优化方式的研究。 4 ) 采用变速调节和变径调节方法，分别建立相应数学模型，优化调 节供水工程( 离心泵机组) 的运行，以达到供水工程经济运行的目的。 5 ) 采用界面性强、面向对象的可视化编程软件_ v i s u a lb a s i c 语 言，结合s q ls e r v e r 数据库的强大功能，开发界面友善、交互性强、性能 可靠、操作方便的供水工程计算机系统软件。 本研究着重对离心泵的优化选型、泵站压力管路安全防护措施研究及 站内机组优化调节进行了研究。而混流泵、轴流泵的优化选型及梯级供水 工程的优化调度等问题则有待进一步探讨。 关键词：供水工程，水泵选型，水锤计算，优化调节，经济运行 本研究项目得到山西省2 0 0 6 年自然科学摹金( 编号2 0 0 6 0 1 1 0 5 9 ) 的资助 太原理工大学硕士研究生学位论文 p u m po p t i m a ls e l e c t i o no fv 凼l t e r s u p p l yw o r k sa n di t ss e c u r ea n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o ns t r a t e g y a b s t r a c t p u m p i n gs t a t i o np r o j e c ti si n t e g r a t e ds y s t e me n g i n e e r i n gt h a ti st h eu s eo f e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le q u i p m e n ta n di t sa s s o c i a t e ds t r u c t u r e st oi n c r e a s et h e e n e r g yo ft h el i q u i d ，e n a b l ei tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ea g r i c u l t u r ea n d i n d u s t r y w a t e rs u p p l yw o r k sa sa w a t e rs u p p l yo rd r a i n a g e ，m a i n l yf o rf a r m l a n d i r r i g a t i o n ，u r b a nd r a i n a g ea n di n t e r - b a s i nw a t e rt r a n s f e ra n do t h e rf i e l d s 2 0 - 2 5 o ft h ec o u n t r y st o t a la n n u a le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o ni su s e db yp u m p s t a t i o n a c c o r d i n gt oa u t h o r i t i e s ，t h ed e v i c ee f f i c i e n c yo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p s y s t e mm u s tn o tb el e s st h a n5 4 4 b u tb e c a u s eo fu n r e a s o n a b l ep u m p s e l e c t i o no ru n i te n e r g yc o n s u m p t i o na n do t h e rf a c t o r s ，g e n e r a l l yp u m ps t a t i o n s s y s t e me f f i c i e n c yo n l y3 0 ，a n ds o m ea r ee v e nl o w e r , r e s u l t i n gi nah u g ew a s t e o fe n e r g y i na d d i t i o n ，t h es e c u r i t yp r o b l e mo fp u m ps t a t i o n s ( m a i n l yb ew a t e r h a m m e ra c c i d e n t s ) h a v er e p e a t e d l yb r o u g h tt ot h ep e o p l e sl i f ea n dp r o d u c t i o n l o s s e s s or e s e a r c ho p t i m a ls e l e c t i o no fp u m p , s e c u r i t yc a l c u l a t i o no fp u m p s t a t i o n ，r e s e a r c ht h ee n e r g y s a v i n gt e c h n i q u eo fw a t e rs u p p l yw o r k s ，i m p r o v i n g t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fp u m ps t a t i o na n dr e a l i z es e c u r ea n dh i g h l ya c t i v e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 o p e r a t i o no f w a t e rs u p p l yw o r k s ，w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oe a s eu pw a t e r r e s o u r c e ss h o r t a g ea n dc o n s e r v a t i o ne n e r g y i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r ya n dm e t h o d so fs y s t e m se n g i n e e r i n ga sp r i n c i p l e s ， s y s t e mm a x i m u me f f i c i e n c y o rs y s t e mm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e s y s t e ma sa no b j e c t i v ef u n c t i o n ，r e s e a r c hc e n t r i f u g a lp u m ps e l e c t i o na n dw a t e r h a m m e rc a l c u l a t i o nw i t hd i f f e r e n tm e a s u r e so fp r o t e c t i o n ，t h e nd i s p a t c hp u m p s t a t i o ni n t e r n a lu n i t o p t i m a lo p e r a t i o n t oe n s u r et h es e c u r e o p e r a t i o na n d e c o n o m i co p e r a t i o no f t h ee n t i r ew a t e rs u p p l yw o r k s 1 ) b yd i n to f p o w e r f u ld a t as t o r a g ea n dp r o c e s s i n gf u n c t i o n o fs q ls e r v e r d a t a b a s e ，t h ep a p e rb a s e do nc o m m o nt y p e so fc e n t r i f u g a lp u m po nm a r k e ta n d f o u n dc e n t r i f u g a lp u m pd a t a b a s e t h e r ea r e8 0 5d i f f e r e n tk i n d so fc e n t r i f u g a l p u m p sa n d2 1 4 9g r o u p so fm a i nd e s i g n c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s i nt h e d a t a b a s e 2 ) i nt h ep a p e r ，s y s t e mm a x i m u me f f i c i e n c yo rs y s t e mm i n i m u mc a p a c i t y f a c t o ro ft h es y s t e ma sa l lo b j e c t i v ef u n c t i o n u s i n gi n t e g e rp r o g r a m m i n g ( b r a n c ha n db o u n dm e t h o d ) a n dc o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dt oe s t a b l i s h t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，d e t e r m i n i n gt h et y p ea n dn u m b e ro f p u m p ( p u m pt y p em a y b ed i f f e r e n t ) ，t h es e l e c t i o nr e s u l tm e e tt h en u m b e ro ft h e p u m pm u s tb ei n t e g e r t h em e t h o dm a y o f f e rd i f f e r e n tm o d e l sa n dm e t h o d sf o r d i f f e r e n to p e r a t i n go b j e c t so fp u m p s t a t i o n ，t h es o f t w a r et e s t e db yp r a c t i c a l e n g i n e e r , t h er e s u l ti sr e a s o n a b l e ，s ot h es o f t w a r e s h o w sac e r t a i nd e g r e eo f p r a c t i c a l i t y i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d s ，u s i n gc h a r a c t e r i s t i cl i n e m e t h o da n dp r a c t i c a le n g i n e e r , t h r e ed i f f e r e n tw a t e rh a m m e rm e a s u r e s ( w a t e r h a m m e ra r r e s t e r , l i q u i d - c o n t r o l l e db u t t e r f l yv a l v e s ，a i ri n l e ta n dv e n tv a l v e ) a r e u s e df o rc a l c u l a t ew a t e rh a m m e r t h es o f t w a r ei st e s t e db ya c t u a lm e a s u r e m e n t d a t ao f p r a c t i c a le n g i n e e r , t h er e s u l ti sr e a s o n a b l e 4 ) i nt h ep a p e r ，s y s t e mm a x i m u me f f i c i e n c yo rs y s t e mm i n i m u mc a p a c i t y f a c t o ra sa no b j e c t i v ef u n c t i o n e s t a b l i s ht h e c o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s ， a n du s ev a r y i n gs p e e dr e g u l a t i o no rr e d u c i n gr e g u l a t i o nt oo p t i m i z ep u m pu n i t o p e r a t i o n o fp u m ps t a t i o n ，r e a l i z i n gt h e g o a lt h a tp u m ps t a t i o n e c o n o m i c o p e r a t i o n 5 1 u s i n gi n t e r f a c ec l e a ra n df a c et oo b j e c tv i s u a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r e 一 - s u a lb a s i c a n da d o p tp o w e r f u ld a t as t o r a g ea n dp r o c e s s i n gf u n c t i o no fs q l s e r v e rd a t a b a s et o e x p l o i tg o o di n t e r f a c e ，h i g hi n t e r a c t i v e ，c r e d i b i l i t y p e r f o r m a n c ea n ds i m p l eo p e r a t i n gc o m p u t e rs y s t e ms o f t w a r eo f p u m ps t a t i o n t h ee m p h a s i so fr e s e a r c ha r eo p t i m a ls e l e c t i o no f c e n t r i f u g a lp u m p ，w a t e r h a m m e rc a l c u l a t i o na n do p t i m i z ep u m pu n i to p e r a t i o no fp u m ps t a t i o n ，b u tt h e q u e s t i o n sn e e dp r o f o u n d e rr e s e a r c ht h a tm i x e d f l o wp u m pa n da x i a lp u m p o p t i m u ms e l e c t i o na n dm u l t i s t a g ep u m ps t a t i o no p t i m a ld i s p a t c h k e yw o r d s ：w a t e r s u p p l yw o r k s ，p u m ps e l e c t i o n ，w a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o n ， o p t i m a ld i s p a t c h ，e c o n o m i c a lo p e r a t i o n v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 左錾 日期： 逸：z ：生：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定l o 签名： 导师签名： 蕴皇苤3日期：趔! 竺：丝 牛 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 国内外供水工程发展概况 第一章综述 供水工程是利用机电提水设备及其配套建筑物，给水流增加能量，使其满足兴利除 害要求的综合性系统工程。供水工程作为一种提水排水或补给水源的水利工程，成为调 节区域水资源分配不均衡问题的重要工程措施，它在水资源的合理调度和管理中起着不 可替代的作用。同时，泵站在防洪、排涝、抗旱减灾、工农业用水、城乡居民生活供水 以及跨区域调水等方面发挥着重要作用。另外，泵站作为耗能大户，其每年的耗电量约 占全国总用电量的2 0 - - - 2 5 。根据部颁要求，离心泵系统的装置效率必须不低于5 4 4 ”，而我国泵站由于水泵选型不合理等原因，其运行效率一般为3 0 左右，有的甚至 更低，造成了能源的大量浪费“1 。另外，水锤对供水工程的安全运行影响非常大，水锤 事故的发生也屡次给人民的生活和生产带来巨大损失。本论文将着重探讨离心泵的优化 选型，供水工程压力管路的安全防护措旄以及泵站内部机组的优化调节问题等。 1 1 1 国外供水工程概况 供水工程承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任，主要用于农田排 灌、城市给排水以及跨流域调水等领域。泵站与其它水利建筑物不同，它无需修建挡水 和引水建筑物，对资源和环境无影响，受水源、地形、地质等条件的影响较小，且具有 投资省、成本低、工期短、见效快，灵活机动等优点，是解决水资源分布地域差异的有 效工程措施。随着人类对水资源认识的不断深入和全球面临的水资源紧缺问题，世界各 国在供水工程建设方面都有了很大发展。但由于自然条件的不同，各国供水工程也各有 特点。有的侧重围海造田，有的侧重农田灌溉及洪涝排水，有的侧重长距离的调水、输 水等。据不完全统计，世界已建、在建和拟建跨流域调水工程已达1 6 0 多项，分布在2 4 个国家，其经济效益和社会效益明显，其中已建的调水工程中调水量较大的是巴基斯坦 西水东调工程，年调水量达1 4 8 亿m 3 。大规模、长距离、跨流域的调水作为人类重新 分配水资源，缓解缺水地区供需矛盾的主要途径，已经引起国际社会的广泛重视。 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 早在2 0 世纪4 0 年代末，美国就兴建了大古力提水泵站，其一级泵站扬程9 4 m ，装 机1 2 台，总抽水流量4 6 0 m 3 s ，灌溉面积达4 1 6 7 万h a 。用于引水系统的两座水库中， 其有效库容分别为o 2 7 亿m 3 和5 8 亿i 一。因此可以在用电低谷时采用抽水蓄能方法降 低泵站运行成本。目前美国已建的跨流域调水工程有l o 多项，主要为灌溉和供水服务， 兼顾防洪与发电，年调水总量达2 0 0 多亿m 3 ，距离较长的是美国加利福尼亚北水南调 工程，输水线路长9 0 0 k m ，抽水泵站1 9 座，电动机总功率1 7 8 万k w ，其中干线抽水泵 站7 座，抽水总扬程l1 5 4 m ，年调水量5 2 亿m 3 。其他较重要的调水工程还有：科罗拉 多一大汤普森工程、阿肯色河工程、中央河谷工程、中部亚利桑那工程等。其中中央河 谷工程渠道开始于胡桃沟，进入斯诺特格拉司，经8 0k m 而引入特拉西泵站，流量1 0 0 1 3 0m 3 s ，1 9 5 1 年起由6 台1 6 8 万k w 大泵扬高6 0 m ，进入三角洲门杜太渠道，流向东 南，经1 8 8 k m 而于弗雷颠诺以西4 8k m 处注入门杜太塘，由此调水到圣华金河，流量减 为9 lm 3 s 。中央河谷工程的特拉西泵站，流量1 0 0 1 3 0m 3 s ，扬高6 0 m ；康脱拉柯司 太渠，流量1 0 0 m 3 s ，分4 级泵站扬商共3 9 m 。加州调水工程由圣路易斯水库起，主流 为4 级泵站，扬程达3 2 5 m ；埃德蒙斯顿大泵的扬程高达5 8 7 m 。水流扬高后在下落时可 利用落差水头发电，并较多采用可逆机组，兼有扬水、发电功能。 日本根据本国的实际情况，采取了围海造田、开垦沼泽地等措施扩大耕地面积，早 在1 9 7 1 年就开始建设新川河口供水工程，其排水流量为2 4 0m 3 s ，扬程2 6 m ，安装6 台机组，总装机容量7 8 0 0 k w 。1 9 7 5 年建成了日本最大的混流泵站三乡泵站，其单 泵流量为5 0m 3 s ，排水能力达2 0 0m 3 s “1 。该泵站选用了3 台1 ：3 径为4 6 0 0 n u n 、一台口 径为3 6 0 0 m m 、一台口径为3 0 0 0 m m 的立式蜗壳式混流泵。日本的大型离心泵主要用于 供水工程，如东京都水道局练马给水泵站选用了3 台进出口口径分别为1 5 0 0 n u n 和 1 0 0 0 m m ( 配套功率为5 6 0 0 k w ) 、3 台进出口i = 1 径分别为1 2 0 0 m m 和9 0 0 r n m ( 配套功率 为1 9 0 0 k w ) 的双吸卧式离心泵。 荷兰全国约4 5 的国土在海水位以下，因此从1 3 世纪荷兰就开始围海造田，到目 前已增加土地面积6 0 多万i i a 。由于地形条件的限制，荷兰不缛不大力发展排水设备， 以解决农田排水问题。从而也使其成为世界上水泵技术先进的国家之一“1 。并于1 9 7 3 年建成了荷兰目前最大的泵站爱莫顿泵站，其排水能力达1 5 0r l l 3 s ，将来可能扩大 至3 5 0 , - 4 0 0m 3 s “1 。在水泵设计及装置配套方面，荷兰有世界著名的水力机械专家，可 对水泵装置进行性能测试、水锤计算、模型试验等；在机械方面，可进行振动计算和测 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 量、性能和噪音的监测等。他们还广泛利用计算机，从计算机辅助选型( c a s ) 、计算机 辅助设计( c a d ) 到计算机辅助制造( c a m ) ；从水力、结构优化设计到叶片、导叶加工 的严格控制，全程使用计算机，使产品在高度先进的设计和工艺基础上制造出来。荷兰 比较注重科研的投入，科研力量很强，研究机构齐全，设施非常完善，对水泵及其进、 出水流道均有比较系统的研究。完美的设计和制造，提高了机组的性能指标，增加了泵 站运行的安全性和稳定性。 前苏联时代，建有许多大型供水工程用于灌溉和跨流域调水。已建的大型调水工程 达1 5 项之多，年调水量达4 8 0 多亿m 3 。如己建成的莫斯科运河上的梯级泵站及从北方 河流调水2 0 0 2 5 0 亿n f 的水量输送到伏尔加河流域的北水南调工程。乌兹别克的卡尔 申提水灌溉工程从阿姆河取水的流量为2 0 0m 3 s ，灌溉3 5 万l l a 农田，总功率达4 5 万 k w ，6 级提水。总扬程1 5 6 m ，单泵流量4 0m 3 s 。其水泵技术性能指标水平比较高，但 泵型式过于单一，大多采用泵与电动机直联，电动机比较笨重，供水工程投资偏大。 以色列的北水南调工程是以色列最大的工程项目，将以色列北方较为丰富的水资源 输送到干旱缺水的南方。工程1 9 5 3 年开工建设，1 9 6 4 年建成投入运行，前后历时1 1 年，投资1 4 7 亿美元。工程首部安装三台水泵，每台泵抽水流量6 7 5m 3 s ，总抽水能 力2 0 2 5m 3 ，s 。工程设两级泵站，第一级提升2 5 0 m ，第二级提升1 5 0 m ，至2 0 世纪8 0 年代末，北水南调工程输水管线南北已延长到约3 0 0k m ，沿途设多座泵站加压，并吸纳 全国主要地表水和地下水源。 哈萨克斯坦从西伯利亚的鄂毕河和叶尼塞河调节部分径流，以保证中亚和哈萨克斯 坦地区用水，额尔齐斯一卡拉干达运河1 9 6 2 年开工建设，1 9 7 4 年1 2 月正式投入运行。 运河横跨巴浦洛达尔和卡拉干达两个州，其首部取水枢纽位于额尔齐斯河支流别洛伊河 上，途经埃基巴斯图兹市，到卡拉干达市区结束，全长4 5 8k m 。提水高度为4 1 8 m ，沿 线需建2 2 座提水泵站和4 座汲送渗流水的泵站，最大提水高度2 2 m 。 加拿大己建调水工程的8 0 主要用于水电。1 9 7 4 年动工兴建的魁北克调水工程， 引水流量1 5 9 0m 3 s ，总装机容量达1 0 1 9 万k w ，年发电量6 7 8 亿k w h ，工程还用于灌 溉或为城市供水服务。 法国为了满足灌溉、发电和供水需要，于1 9 6 4 年动工兴建了迪朗斯一凡尔顿调水 工程。工程于1 9 8 3 年建成，设计灌溉面积6 万h a ，供1 5 0 万人饮水。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 2 国内供水工程概况 供水工程在我国有悠久的历史，早在5 0 0 0 - - 6 0 0 0 年以前的仰韶文化时代，我国就出 现了尖底带耳陶罐，据考证是当时人们用来从井中、河中提水的器具，大约隋唐时代 我们的祖先就开始利用类似水泵的提水装置筒车灌溉小块农田0 1 。从上世纪初我国 开始利用现代水利机械服务于农田灌溉和洪涝排水，1 9 2 4 年江苏常州郊区安装了一台直 径为1 5 0 m m 的离心泵，是我国电力提灌的先例。到1 9 4 9 年，现代机械灌溉面积只有 2 5 2 万h a ，占当时总灌溉面积的1 6 。 建国后，我国的供水工程更是有了很大发展。供水工程被广泛的应用于国民经济的 各个部门。截止1 9 9 6 年底，全国拥有大、中、小型固定泵站4 9 8 万处，配套机电井3 3 2 5 多万眼，排灌动力总装机容量达7 0 1 9 6 万k w ，全国机电排灌面积达3 4 0 0 万l l a 。其中 大型泵站有2 8 3 处( 截止1 9 9 7 年) ，装机容量约2 5 9 ，3 万k w ，排灌效益面积为5 3 8 0 3 万h a 嘲。其中已经建成并投入商业运行的有东深供水工程、引滦工程、引大入秦工程、 引松入长供水与环境工程、引碧入连工程、京密供水工程、山话省万家寨引黄工程等特 大型供水工程项目，其中引滦入津工程全线4 座大型泵站，共装大型水泵2 7 台，总装 机容量2 0 0 0 0 k w ；甘肃省的景泰川提水工程于1 9 7 4 年建成的一期工程，设计流量l o 5 6 m 3 ，s ，共分1 1 级，累计扬程4 4 5 m ，总装机容量6 4 0 0 0 k w ，最大单机容量为2 0 0 0 k w 。第 二期工程于1 9 8 4 年开始兴建，设计灌溉面积3 3 3 万1 1 a ，共分1 8 级，累计净扬程4 4 5 m ， 总扬程7 0 8 m 。陕西东雷提灌工程设计流量6 0m 3 s ，共分8 级，累计净扬程3 1 1 m ，总 装机容量为1 2 0 0 0 0 k w 。其中二级泵站的水泵额定扬程为2 1 5 m ，单泵容量为8 0 0 0 k w 。 我国大型低扬程排灌泵站主要分布在湖北、湖南、广东、安徽、江苏和浙江等省的低洼 地区。仅湖北省江汉平原，近年来就建成大型泵站6 0 多座。其中樊口泵站的水泵口径 为4 o m ，单泵流量为5 3 5m 3 ，s ，水泵额定扬程9 5 m 配套功率6 0 0 0 k w ，是目前我国单 泵容量最大的轴流泵站。作为长距离跨流域供水工程的典型实例，我国南水北调工程也 已经开工建设，以上供水工程的建设对于抗御旱涝灾害，保证城乡的工农业用水，确保 国民经济的持续稳步发展，发挥了十分重要的作用，这个体系捍卫着8 亿人口的生活用 水、7 5 的工业用水和近6 0 0 万h a 耕地的灌溉用水。 南水北调工程是解决中国北方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目，建设的 目的是通过跨流域的水资源合理配置，保障经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。 在规划的5 0 年间，南水北调工程总体规划分三个阶段实施，总投资将达4 8 6 0 亿元人民 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 币。2 0 0 2 年至2 0 1 0 年为实施南水北调工程近期阶段，总调水规模约2 0 0 亿m 3 ；2 0 1 1 年至2 0 3 0 年为中期阶段，调水规模约增加1 6 8 亿m 3 ，累计达到3 6 8 亿m 3 左右；2 0 3 1 年至2 0 5 0 年为远期阶段，年总调水规模约增加8 0 亿m 3 ，累计达到4 4 8 亿m 3 左右。 南水北调东线工程，从长江下游引水，基本沿京杭运河逐级提水北送，向黄淮海平 原东部供水，到达终点天津。东线的地形以黄河为脊背向南北倾斜，引水口比黄河处地 面低4 0 余米。从长江调水到黄河南岸需设1 3 个梯级抽水泵站，总扬程6 5 m ，穿过黄河 可自流到天津。黄河以南除南四湖内上、下级湖之间设一个梯级，其余各河段上设三个 梯级。黄河以南输水干线上设泵站3 0 处；主干线上1 3 处，分干线上1 7 处，设计抽水 能力累计共1 0 2 0 0 矗s ，装机容量1 0 1 7 7 万k w ，其中可利用现有泵站7 处，设计抽水 能力1 1 0 0m 3 s ，装机容量1 1 0 5 万k w 。一期工程仍设1 3 个梯级泵站，装机容量4 5 3 7 万k w 。黄河以北设5 处抽水泵站，设计抽水能力共3 2 6m 3 s ，装机容量l f4 6 万k w 。 东线工程可为苏、皖、鲁、冀、津五省市净增供水量1 4 3 3 亿m 3 ，其中生活、工业及 航运用水6 6 5 6 亿m 3 ，农业7 6 7 6 亿l n 3 。 南水北调东线工程泵站的特点是扬程低( 多在2 6 m ) 、流量大( 单机流量一般为1 5 4 0m j ，s ) ，运行时间长( 黄河以南泵站约5 0 0 0 小时年) ，部分泵站兼有排涝任务，要求 泵站运转灵活、效率高。 综上所述，随着水资源紧缺局势的不断加剧，世界各国都在进行长距离的调水工程 建设，以服务于本国或本地区的工农业生产和人民生活需要。因此随着调水工程规模的 扩大和数量的增加，供水工程也将会有突飞猛进的发展，而供水工程的机组选型、压力 管路安全防护措施研究及优化调节则是制约供水工程能否实现安全经济运行的重要因 素。因此，研究供水工程的机组选型、压力管路安全防护措施研究及机组优化调节对实 现供水工程的安全经济运行意义重大。 1 2 供水工程优化选型及安全经济运行必要性 供水工程在为我国国民经济各部门做出巨大贡献的同时也消耗了大量能源，其每年 的耗电量约占全国总用电量的l 钆l 4 。目前我国供水工程运行效率普遍比较低，一般 为3 0 左右，有的甚至低于这个水平。而根据部颁要求，离心泵系统的装置效率必须不 低于5 4 4 。中国农机院等9 个单位对调查收集到的资料齐全的4 8 座泵站装置效率的 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 分析结果表明，低于国营机电排灌站实行按八项技术经济指标考核的暂行规定电力 站综合装置效率5 4 4 的有1 4 座( 占调查总数的2 9 2 ) ，装置效率最低的仅2 6 5 。 石梁河泵站，实测泵站装置效率仅为2 5 * 0 - - - 3 5 1 ，而发达国家的泵站效率一般比较高， 与此相比我国泵站浪费了大量的电能。 水泵作为供水工程的主要耗能设备，其运行状况的好坏直接关系到整个供水工程的 运行状况。目前我国正在运行的供水工程普遍存在一定的问题，主要有以下几个方面”： 1 ) 水泵选型不够合理，电动设备不配套，主要表现为“大马拉小车”现象严重，使水 泵长期偏离在高效区运行，浪费了大量能源；2 ) 管路及附属设备布置不当，增加了管 路及附件的阻力损失；3 ) 运行管理不当，管理水平不高，人员知识层次太低，缺乏懂 技术、会管理的专业型人才，不能对水泵及其附属设备进行定期检修和合理维护，致使 水泵的性能和效率都有所下降；4 ) 梯级泵站的级问调度不合理，经常出现弃水或水量 不足等不合理现象，造成了一定的经济损失，影响了工程效益的正常发挥。 另外据统计：全国6 6 0 座城市中，有4 0 0 多座缺水，1 1 0 多座严重缺水，此外还有 2 0 0 0 多万农村人口饮水困难。同时由于自然条件复杂，水资源在地区、时空分配上存在 严重的不均衡性，8 0 以上水资源分布在长江流域及其以南地区，而长江流域以北广大 地区水资源仅占全国的1 4 7 。总体而言，我国水资源南方汛期水多成灾，北方水少干 旱，每年因缺水而造成的工业经济损失高达2 3 0 0 多亿元，急需采取有效措施缓解水资源 紧缺的局面，以保证工农业生产和人民生活的用水需求。因此，随着国民经济的不断发 展和水资源紧缺局势的加剧，在将来很长一段时期内我国供水工程的规模和数量势必有 增无减。 水锤是影响供水工程的安全运行的主要因素，因水锤而遭受严重的破坏泵站国内外 均有记录。2 0 世纪8 0 年代，北京市政工程设计院就进行过调查，在华东、中南等4 个 地区有3 0 多个较大泵站都发生过水锤现象，记录到的损失较大的事故达2 0 0 次以上”。 在国外水锤事故也屡见不鲜，1 9 8 5 年1 1 月发生在美国加利福尼亚州圣俄罗费尔核电厂 l # 机组的巨大水锤危害，5 0 多米的给水管道严重扭曲位移，十几个支撑遭到破坏，位 移达3 0 c m 之大，有一处爆裂管道出现2 c m 长的鱼嘴裂缝，使核电厂被迫停堆m 。这些 水锤事故有的造成压力管道的破坏( 即爆管) ，有的造成泵房被淹；有的还引起次生灾 害，如冲坏铁路，中断运输；还有的设备被打坏，伤及操作人员等，给人民的正常生活 和生产带来了严重的影响和损失，所以人们特别将水锤的危害列为泵站三害( 水锤、泥 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 沙、汽蚀) 之首。 总体来说，我国供水供水工程数量大、分布广、应用广泛。但多为2 0 世纪6 0 年代 左右建设并投入运行，由于当时技术不成熟、规划设计不够合理等方面的原因，使多数 供水工程运行中存在许多问题，尤其是工程运行效率低、能耗大、管理不合理，工程安 全不能保证等现象比较突出。同时，由于水资源紧缺形势所迫，我们必须加大供水工程 的建设规模和数量。因此，对水泵进行优化选型，以保证工程运行期间水泵能在高效区 运行，并对供水工程进行必要的安全计算，以及研究供水工程的节能技术，提高供水工 程的运行效率，降低能源消耗，实现供水工程安全，高效经济运行，对解决水资源紧 张问题和节约能源都有十分重要的意义。 1 3 供水工程优化运行研究现状 1 3 1 水泵优化选型研究概况 水泵优化选型包括水泵型号和水泵台数两方面内容。水泵选型方面，国内外学者都 进行了深入研究，并取得了很大成绩。传统的永泵选型计算多采用图解法进行，对各种 运行条件进行多次作图和方案比较，作图过程麻烦，图解法精度甚差。传统的数解法包 括按照设计年的扬程和流量选泵、按中等年份的流量扬程选泵等，这些方法都存在一定 的弊端，适应性差。进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着科学的发展及新的数学计算方法的 出现，有些学者开始探讨利用新的计算方法来进行水泵选型。孙敏、杨晓东针对单泵单 管联合运行泵站的特点，提出了以经济指标为目标函数，以满足供水流量为约束条件的 整数规划选泵方法，该方法考虑了用水量的变化过程，并可用计算机迸行计算，对于水 泵优化选型具有一定的实用性，但方法需要参数太多，有一定的局限性“。张铁牛提出 了采用f u z z y 综合评价原理，对适合于电排站的几种水泵型号进行排序和优选的探讨， 为泵型选优提供了种决策方法，不过该方法处于尝试阶段，其中有些参数的确定还有 待进一步探讨啪1 。汤方平针对传统的等流量加大扬程的选型方法会导致泵装置效率偏低 的问题，在此基础上提出了等扬程加大流量的选泵方法，该方法可以保证泵装置最高效 率点与设计点接近，有一定的实用性，但对于工程情况复杂的情况，其适应性较差m 。 仇宝云提出了两步选型方法，该方法以己知泵站需水量和净扬程为基础，第一步用产品 样本用包络线法初选若干可行方案，第二步对可行方案进行经济比较，投资运行总费用 最小者为最优方案，经实际工程检验该方法优化结果合理，但该方法存在计算繁琐，影 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 响因素多等缺点。1 。潘玲、徐得潜等提出了采用技术经济分析法、模糊理论和a h p 法进 行供水泵站的优化选型，结果表明第一种方法的效果直观、效果明显，后两种方法简洁 且更科学合理，为水泵优化选型提供了理论参考“1 。刘德祥等提出：利用绘制泵站的扬 程h 和运行时间t 曲线，然后绘制扬程h 和频率p 曲线，采用加权平均的方法求出平均 净扬程，最后利用综合型谱图确定泵型，该方法比较直观，但对于扬程变幅大的泵站有 时选型结果不理想研。钟明荣提出结合v i s u a lb a s i c 语言采用消去法编写水泵选型计算程 序，该程序可以简化水泵选型时繁琐的计算工作，提高了水泵选型效率和质量。但该程 序界面中参数设置过多，水泵选型不够灵活嘲1 。刘家春、付铁链根据具体工程实例提出 将水泵选型分为分级分机组过程，即分为一级单机组提水，一级多机组提水，多级提水 等不同组合，该方法选型经过多方案比较，结果合理，但计算过程过于复杂，通用性不 强”1 。魏育添、吴应德根据传统水泵选型方法的不足，提出同时考虑装置对水泵扬程和 流量损失的影响，加大流量变扬程选泵充分考虑各种扬程范围选泵是的流量和扬程修正 系数，以提高泵装置的运行效率1 。汪治平、朱荣生等提出了一种自动选型的实现方法， 介绍了利用s i l a lc + 十6 0 语言和o b j e c ta r x 开发包。开发出相应自动选型a u t o c a d a r x 应用程序的方法和步骤，以及在具体实现过程中的一些典型问题的解决方案。实 际应用表明，该方法选型结果合理，提高了水泵选型效率，但程序数据库没有扩展功能， 即不能及时将水泵新产品的相关参数存入数据库，使软件的适应性受到限制伸1 。蒋任飞， 白丹等提出以泵站年费用最小为目标函数，以水泵台数为优化变量，并考虑供水流量随 时间的变化过程，建立了水泵优化选型模型，并针对水泵选型的特点，采用遗传算法对 水泵优化选型模型求解。该方法既可以提高计算效率，又可以在较大解空间范围内获得 最优水泵组合方案，使得泵站年费用最小“1 。纪晓华等提出了水泵选型专家系统，该系 统在对水泵选型方法、判断准则、评价模型等分析研究的基础上，建立了泵产品样本和 水力模型数据库，研制开发了水泵选型专家系统，但该系统主要应用于轴流泵，适用于 流量大扬程小的地区，对于北方高扬程地区则有定的局限性”1 。 1 3 2 水力过渡过程研究概况 我国在水力过渡过程方面的研究起步较晚“”。由于水锤事故的发生，在6 0 年代， 王守仁和龙期泰等人做了大量的试验，对后期压力管路安全防护措施研究及防护奠定了 基础。特别是对下开式水锤消除器的研究“”，为其7 0 年代的普及使用起到了很好的 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 指导作用。栾鸿儒等人对利用爆破膜防止泵站水锤进行了试验研究，提出了膜片材料及 厚度选择