（环境工程专业论文）供水泵站优化及其应用研究.pdf

中文摘要 摘要 供水泵站工程主要用于城市供水、农田灌溉以及跨流域调水等领域。而目前， 泵站系统普遍存在效率偏低、能耗大的问题，泵站节能优化的前景十分可观。另 外，在泵站安全防护问题中，水锤事故给人民的正常生活和生产带来了严重的影 响和损失。因此，为实现供水系统的安全经济运行，对供水泵站进行优化研究意 义重大。 本文以供水泵站的安全与节能优化为目的，系统的研究了供水泵站水泵的优 化选型和优化运行调节方法，以实现供水工程的节能降耗目标；研究压力管路泵 站系统的停泵水锤工况，模拟水锤发生规律，为供水泵站的安全运行提供依据； 最终，将该安全经济优化方法应用于工程中。具体内容有： 1 ) 以泵站年费用最小为目标函数建立整数规划数学模型，采用分支定界法对 模型进行求解，确定泵站优化选型方案。 2 ) 借助有着强大数值计算、绘图功能的交互式m a t l a b 计算软件建立离心泵样 本及价格数据库，实现水泵的计算机快速优化选型研究。 3 ) 根据水锤计算基本原理及方法，采用特征线法进行停泵水锤模拟，分别探 讨不同边界条件下( 无阀、普通止回阀、缓闭止回阀) 停泵水锤发生规律，进行 相应压力管路安全防护措施研究。同时，还对停泵水锤两阶段关闭阀调节进行了 研究，提出一种确定两阶段关闭阀最佳关闭程序的模拟方法。 4 ) 以最小轴功率或系统效率最高为目标函数，分别建立不同调节运行方法( 变 速调节、变径调节) 下的数学模型，优化调节泵站供水工程的运行，并利用遗传 算法对变速调节优化模型进行了求解。 5 ) 结合供水工程的实例，分析了水泵选型优化及优化运行的一般步骤，得出 泵站节能优化方案；结合工程实例，给出了工程应用中含水柱分离管路的水锤分 析方法，并根据m a t l a b 模拟结果分析了液控蝶阀及空气阀两种常用防护方案下水 锤参数的变化，设计了液控蝶阀最佳关闭程序，最终使得压力管路安全防护得以 实现。 6 ) 编程实现本文节能优化数学模型的求解及泵站水锤模拟计算数据的可视化 研究，编制出泵站优化模块化程序。 关键词：泵站优化，安全经济运行，停泵水锤，数值模拟，可视化 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w a t e rs u p p l yp u m p i n gs t a t i o np r o j e c ti s m a i n l yu s e df o ru r b a nw a t e rs u p p l y , i r r i g a t i o n ，a sw e l la si 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 a tp r e s e n t ，t h e r ei sa p r e v a l e n tp r o b l e mo fl o we f f i c i e n c y , e n e r g yc o n s u m p t i o ni np u m ps y s t e m ，s ot h ep u m p s t a t i o ne n e r g yo p t i m i z a t i o nh a sa p r o m i s i n gf u t u r e i na d d i t i o n ，t h es e c u r i t yp r o b l e m si n t h ep u m p i n gs t a t i o n ，w a t e rh a m m e ra c c i d e n th a sb r o u g h tp e o p l e sn o r m a ll i f e a n d p r o d u c t i o ni n t oas e r i o u si m p a c ta n dl o s s t h e r e f o r e ，i no r d e rt oa c h i e v et h es a f ea n d e c o n o m i co p e r a t i o no ft h ew a t e r s u p p l ys y s t e m ，w a t e rs u p p l yp u m p i n gs t a t i o n o p t i m i z a t i o ns t u d yi ss i g n i f i c a n t t h i ss t u d yi sf o rt h ep u r p o s eo fs a f e t ya n de n e r g yo p t i m i z a t i o ni nw a t e rs u p p l y p u m p i n gs t a t i o n i no r d e rt oa c h i e v et h ee n e r g ys a v i n gg o a l so fw a t e rs u p p l yp r o j e c t s ， t h ea r t i c l eh a sas y s t e m a t i cs t u d yt oo p t i m i z et h es e l e c t i o no ft h ep u m p s ，a n do p t i m i z e t h eo p e r a t i n ga d j u s t m e n tm e t h o do fw a t e rs u p p l yp u m p i n gs t a t i o n ，t h a ti s ，t oa c h i e v e e c o n o m i c ；a n ds t u d yp r e s s u r ep i p i n gw a t e rh a m m e rc o n d i t i o n so ft h ep u m ps y s t e m ，t o s i m u l a t ew a t e rh a m m e ro c c u r r e n c e ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sf o rt h es a f eo p e r a t i o no f t h ew a t e rs u p p l yp u m p i n gs t a t i o n ，t h a ti s s e c u r i t y ；u l t i m a t e l y , t h es a f ea n de c o n o m i c o p t i m i z i n gm e t h o d sa r eu s e di ne n g i n e e r i n g t h es p e c i f i cc o n t e n t sa r ea sf l o w s ： 1 ) t h em i n i m u ma n n u a lc o s to fp u m p i n gs t a t i o na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h e i n t e g e rp r o g r a m m i n gm o d e l i sb u i l t ，a n dt h eb r a n c ha n db o u n dm e t h o di su s e dt os o l v e t h em o d e lt od e t e r m i n et h eo p t i m a ls e l e c t i o ns c h e m ei nt h ep u m p i n gs t a t i o n 2 ) w i t ht h ep o w e r f u ln u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，g r a p h i c sc a p a b i l i t i e so ft h e i n t e r a c t i v ec a l c u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b ，c e n t r i f u g a lp u m ps a m p l e sa n dp r i c ed a t a b a s eo f p u m pa r eb u i l tt oa c h i e v et h er e s e a r c ho fc o m p u t e rq u i c k l yo p t i m i z i n gt h es e l e c t i o n 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 dc a l c u l a t i o nm e t h o d so fw a t e rh a m m e r , c h a r a c t e r i s t i cm e t h o di su s e dt os i m u l a t ew a t e rh a m m e rc a u s e db yp u m ps t o p p i n g ， r e s p e c t i v e l y , w a t e rh a m m e ro c c u r r e n c ei nt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ( n ov a l v e c h e c kv a l v e s ，s l o wc l o s i n gc h e c kv a l v e ) i s e x p l o r e d ，a n ds e c u r i t ym e a s u r e so ft h e c o r r e s p o n d i n gp r e s s u r ep i p e l i n ep r o t e c t i o ni sa l s or e s e a r c h e d s i m u l t a n e o u s l y , w a t e r h a m m e ri nt w os t a g ec l o s u r ev a l v e sa d j u s t m e n ti sa l s oa n a l y z e da n das i m u l a t i o n m e t h o di sp r o p o s e dt od e t e r m i n et h eb e s tc l o s i n gp r o g r a mo ft h et w os t a g ec l o s u r e v a l v e s 4 ) w i t ham i n i m u ms h a f tp o w e ro rm a x i m u me f f i c i e n c yo ft h es y s t e mt ot h e l j i 一一里垂奎堂堡主兰篁堡塞 o b j e c t i v ef u n c t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l su n d e rt h ed i f f e r e n t a d j u s t m e n tn m n i n g m e t h o d s ( v a r i a b l e s p e e dc o n t r o l ，a d j u s t a b l er e g u l a t o r ) a r ee s t a b l i s h e dt o o p t i m i z et h e o p e r a t i o no ft h ep u m p i n gs t a t i o no fw a t e rs u p p l yp r o j e c t s ，a n dg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e d t os o l v et h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo f v a r i a b l e s p e e dc o n t r 0 1 5 ) t h ec o m b i n a t i o no fw a t e rs u p p l yp r o j e c t sf o ri n s t a n c e ，t h eg e n e r a ls t e p so ft h e o p t i m i z a t i o no fp u m ps e l e c t i o na n do p t i m a lo p e r a t i o na rea n a l y z e dt od r a wp u m p i n g s t a t i o ne n e r g yo p t i m i z a t i o np r o g r a m ；s i m u l t a n e o u s l y , h o wt oa n a l y s i sw a t e rh a m m e r i n p 1 p es y s t e mw i t hw a t e rc o l u m ns e p a r a t i o ni s g o tw i t ht h ec o m p l i c a t i o no fa n e n g m e e n n ge x a m p l ea n dt h ep a r a m e t e ro fw a t e rh a m m e ri s a n a l y z e du n d e ru s e d p r o t e c t i o no fh y d r a u l i cc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v ea n da i rv a l v e ，t h e nt h eb e s tp r o g r a m sf o r h y d r a u l i cc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v ei sd e s i g n e d ，a n du l t i m a t e l yt h es a f e t yp r o t e c t i o no f p r e s s u r ep i p e l i n ec a nb ea c h i e v e d 6 ) m a k ep r o g r a m st os o l v et h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f e n e r g ys a v i n go p t i m i z a t i o n a n dd r a wt h es i m u l a t i o nd a t ao fw a t e rh a m m e ro ft h ep u m p i n gs t a t i o nv i s u a l i z a t i o ni n t h i sa r t i c l e ，a n dt h em o d u l a rp r o g r a m so f p u m p i n gs t a t i o no p t i m i z a t i o na r ep r e p a r e d k e yw o r d s ：p u m p i n gs t a t i o no p t i m i z a t i o n ，s a f ea n de c o n o m i c o p e r a t i o n ， p u m p i n g o f fw a t e rh a m m e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v i s u a l i z a t i o n i v 1 绪论 1绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 泵站能耗及节能状况 泵站为我国国民经济的发展做出了巨大贡献，与此同时也耗掉了大量能量。 在供水系统中9 0 以上的电能消耗于水泵运行，因而水泵的运转效率直接决定了 整个供水行业之能耗水平。根据水利部颁发泵站技术规范( s d 2 0 4 ) 要求，离 心泵系统的装置效率必须不低于5 4 4 ，而目前我国供水工程实际运行效率一般为 3 0 左右，普遍比较低，有的甚至比这个水平还要低【1 1 。究其原因，水泵选型及水 泵调度运行不合理为主要原因。包含中国农机院在内的等9 家单位对众多泵站装 置效率进行了调研分析，就收集到的数据资料齐备的4 8 座泵站来说，占调查总数 的2 9 2 ( 约1 4 座) 的泵站低于国营机电排灌站实行按八项技术经济指标考核 的暂行规定的泵站综合装置效率至少为5 4 4 t 2 1 ，其装置效率最低竟然只有 2 6 5 ；其中，实测到的石梁河泵站的装置效率为2 5 3 5 ，而通常发达国家的 泵站效率均较高，因此相比之下，我国泵站浪费的电能巨大。据我国城市供水 行业2 0 1 0 年技术发展规划及2 0 2 0 年远景目标 3 1 要求：到2 0 1 0 年供水企业单位 供水电耗达到3 8 0 k w h ( k m 3 m p a ) ，2 0 2 0 年需达到3 5 0 k w h ( k m 3 m p a ) 的目标。 可以看出，目前我们国家的供水企业的能耗水平与这一要求暂相差甚远。 1 1 2 泵站安全防护状况 在泵站安全防护中，水锤是影响供水泵站及供水系统安全运行的首要因素， 因水锤致使泵站遭受严重的破坏事件国内外均屡见不鲜。1 9 8 5 年1 1 月，在美国加 利福尼亚州的圣俄罗费尔核电厂1 群机组发生了巨大水锤事故，造成5 0 余米的输水 管严重扭曲变形，1 0 多个支墩受到破坏，位移长达3 0 厘米，一处爆裂的管道还出 现了2 厘米长的鱼嘴裂缝，该次事故使得核电厂被迫停堆 4 1 。2 0 世纪8 0 年代， 北京市政工程设计院对中南、华东等4 个地区就进行过调查，3 0 多个较大泵站均 发生过水锤现象，有记录的较大损失的事故就达到2 0 0 次以上【引。例如，北京某座 水厂在1 9 8 3 年，由于维修疏忽，某个泵出口止回阀的阀轴被磨断，阀瓣突然掉落， 被水流冲到阀体的出口的收缩处，出口突然被堵塞，流量发生截断，致使发生了 很大的水锤，阀顶盖被击穿，巨大的水流柱混着被炸成碎片的盖子冲破高2 0 余米 的厂房屋项，水厂被迫停止生产，造成北京西区当天停水长达1 0 小时余久，对生 产和人民生活的损失及影响巨大。再比如，1 9 9 5 年7 月8 日，当长沙市自来水五 厂2 、3 、4 群水泵机组同时工作时，突然发生了停电，因3 台机组的液控蝶阀同时 发生了关闭，产生了水锤现象，3 拌机组的阀门和液控蝶阀阀体遭受到巨大破坏， 重庆大学硕士学位论文 产生了泵房被淹没的特大事故，从而使得3 0 万河东部分地区的人民在炎热的夏季 被停水3 天，此次事故造成的直接经济损失就达5 0 万元【6 】。由此看出，众多水锤 事故中，有的致使压力管道爆管；有的致使泵房被淹没；有的致使设备被损坏， 造成灾难，伤及无辜人员；还有的甚至还会引起次生灾害的发生，如冲坏桥梁、 铁路，中断交通运输等，给人们的正常生产及生活造成了严重的损失和影响，因 而人们特别地将水锤的危害列为泵站三害( 水锤、泥沙、汽蚀) 之首【7 j 。 1 1 3 泵站节能及安全优化研究的意义 建设部颁布的我国城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划中提出了“二 提高、三降低”的供水目标，将“降低能耗”置于“三降低”之首，并在我国城市供 水行业2 0 1 0 年技术进步发展规划中再一次明确提出：供水企业的技术进步的重 点应放在积极采取实用的先进技术和经验，尽量降低投资与运行成本，较好的实 现保证水量和提高水质的要求。 此外，通过对供水工程泵站水锤的模拟研究，分析供水泵站水锤的发生和延 续规律，科学地评估其可能产生的危害，并及时地采取有效防护措施，尽量避免 或减少水锤造成的损失，对于保证供水泵站及供水系统的安全运行，制定科学合 理的运行规程都具有极为重要的意义。 对城市供水系统进行节能和优化的研究，降低能耗作为我国供水行业的目标 之一，是增加供水企业经济效益的重要手段，是解决我国如今拉闸限定的供电紧 张局面有力之举，能够促进我国供水事业的健康、快速发展，具有重要的经济和 社会意义。 所以，需对水泵进行节能研究，以确保供水工程中水泵能长期运行在其高效 段内，并对供水工程进行必要的安全计算，模拟水锤发生规律，提出合理的防护 措施。因此，研究供水泵站节能技术及水锤安全防护，对提高供水工程的运行效 率，达到节能降耗目的，实现供水工程高效、安全、经济运行具有十分重要的意 义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 泵站节能优化 泵站的节能优化主要包括水泵的优选和泵站的优化运行。 在泵站的优选方面，国外严谨的优化选择水泵数学方法有：图解法、枚举算 法和动态规划算法。在图解法方面，t i m o t h yd h i r r e l ( 1 9 8 9 ) 认为：为了使得所选 取水泵的流量和扬程均合理，在进行优化选泵的第一步需绘制出给水系统用水量 曲线，其水泵的扬程由用水曲线对应扬程来确定，再参照用水曲线对应的最小流 量和最大流量来确定所选水泵的型号及台数【8 l 。用这种方法选取的水泵虽然与供水 1绪论 系统的某一个时期实际运行情况比较切合，但此方法显然不适合于复杂的泵站， 特别是当供水系统中既有定速泵又有调速泵。在枚举算法方面，j p r a n c e 与 b u l a n i c k i ( 1 9 9 3 ) 等人采用多个约束条件来实现水泵选型，对待选水泵进行逐一 约束条件逐一筛选，最终仅有符合全部约束条件的水泵才能作为优选结果【9 1 。该算 法能够求出全域最优解，但所耗时间太久。动态规划算法d g ( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 【ju j 方面，c h e n ( 1 9 8 8 ) 认为在没有水塔的供水系统中，d g 算法非 常适合用于选出能供给连续流量的最优水泵，而m c c r o f d d e n 与l i t t l e ( 1 9 8 9 ) 则 提出一种d g 算法用于确定水泵的最优组合。此算法的目标函数同时包含了高峰 流量与能耗项。 国内的学者则主要采用图解法和整数规划法来选泵。图解法是根据水泵的特 性曲线和管道系统特性曲线，确定在高效段内同时满足系统水量与水压要求的泵。 这种方法计算较简便、易理解，但仅适用于不是很复杂水泵站的水泵选型。整数 规划法根据用户流量时间曲线将泵站的统一供水划分成几个不同的供水阶段，采 用枚举法给各阶段均选择出适宜的泵，然后将每一阶段可能的水泵型号及其组合 方式全部列出，再逐一比较这些备选方案的年费用值，年费用值最小的即为最优 解】。该法所有方案均须计算年费用值，计算量过大。 在泵站的优化运行方面【1 2 j ，国外对水泵优化运行方法研究的较多。自1 9 7 1 年d r e i z i n 等人提出了d g 算法，后人提出的泵站实时运行算法基本上均是该法的 应用。d e m o y e r 和h o r w i t z ( 1 9 7 5 ) 、s t e r l i n g 和c o u l b e e k ( 1 9 7 5 ) ，s a b e r 和 h e l w e g ( 1 9 8 5 ) 都曾用d g 法构造算法并将其应用于简单的系统；c a r p e n t i e r 和 c o h e n ( 1 9 8 4 ) 、z e s s l e r ( 1 9 8 4 ) 则将实时控制策略应用于较复杂的系统。 h o l l a n d ( 1 9 7 5 ) 、g o l d b e r g ( 1 9 8 9 ) 、w a n g ( 1 9 9 1 ) 等人( 1 9 9 4 ) 采用的基因算法( g a ) ； d o u g h e r t y 和m a r r y o t t ( 1 9 9 1 、1 9 9 3 ) 等人( 1 9 9 2 ) 贝, u 采用的煺火算法。这些离散的优化 算法来降低水泵的运行费用，其中a b a s a k a r y a ( 2 0 0 2 ) 在水泵优化运行中还兼 顾了水质的影响。虽然这些算法适用范围较广，由于耗时太久，而不适宜在实际 中实时线控制。p a u lw j o w i t t 等人( 1 9 8 9 ) 采用线性规划法来确定水泵在一天2 4 小时内的最佳运行时间的筹划，将水泵的电耗表示为各台水泵的流量、扬程及运 行时间的线性函数，将每台水泵的边界流量、扬程及系统的特性参数作为约束条 件，求出该模型的最小值。b r i a nj m c c r o d d e n 与k e i t hw l i t t l e 则在该法的基础上 提出了混合整数线性规划法m i l p ( m i x e d i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，建立出了 对应于时间使用安排t o u ( t i m eo f u s e ) 的优化数学模型。模型在每种泵或泵组 合的运行小时数已定情况下，采用总的能量消耗( 包括需要性消耗、商业能源及 发电机运行消耗) 最小为目标函数，该模型以实现供水系统的最小、平均、最大 需水量以及对应的扬程要求为约束条件。s p e z e s h k 等人( 1 9 9 6 ) 提出了一种适用 重庆大学硕士学位论文 在线控制的优化方法，即适应性搜索最优化方法a s a ( a d a p t i v es e a r c h a l g o r i t h m ) 。 a s a 是采用系统特性系数来搜寻全域的最优解而获得次优的起始状态的方法，从 而可大大地缩短求解的时间。该法每进行一次循环都将泵与管道特性系数重新赋 值一次，此外还添加了一系列新的最优泵，所以能得出一个新的更高效形式的泵 组合，该法的主要优点是可以处理大型的、较繁琐的系统，而且便于使用，一切 均由程序自动来完成，但该方法由于目标函数是非凸结构的，因而是无法产生全 域最优解的i l 引。 国内泵站优化运行的方法主要有线性规划法、非线性规划法与动态规划法， 动态规划法依赖于状态变量的离散化，其离散点越多，精度也越高，但是所需要 的计算时间也越长。由于水泵的特性曲线是线性化的，所以用非线性规划发也较 难实现，况且较难得到全局的最优解。 1 2 2 停泵水锤暂态过程研究状况 国外水力过渡过程( 瞬变流) 的研究从水锤计算开始，距今已有1 5 0 余年的 历史，而我国对瞬变流方面的研究起步较晚。 早在1 8 5 8 年，m e n a b r e a 就对压力管道中的水力冲击问题进行了研究。1 8 9 8 年j o u k o w s k y 研究了m o s c o w 供水系统中的非恒定流现象，发表了题为“o nt h e h y d r a u l i ch a m m e ri nw a t e rs u p p l yp i p e s ”的著名论文，奠定了刚性水柱( 锤) 理论的 研究基础。1 9 0 2 年l e r e u z od r i v e 提出了瞬变流基本微分方程，奠定了弹性水柱( 锤) 理论的基础。瞬变流基本微分方程的提出，为建立瞬变流动的数学模型并进行精 确求解提供了可能性。2 0 世纪中叶g r a y 和s t r e e t e r 等人提出特征线法( m e t h o do f c h a r a c t e r i s t i c ，m o c ) 。特征线法具有严密的理论性、较强的实用性和最高的精度， 特别是非常容易实现电算，从而成为瞬变流分析应用最普遍的方法。 关于水锤领域的研究方面，美国一直处于国际领先的地位。美国密执安州立 大学的两位教授e b e n j a m i nw y l i e 和v i c t o rl s t r e e t e r 1 9 - 2 1 】于1 9 6 7 年出版了 ( ( h y d r a u f i ct r a n s i e n t s ) ) 一书，此书涵盖了非恒定流动系统计算理论的重要内容， 系统地提出了水锤计算特征线法，从而奠定了水锤电算理论的基础，由此在非恒 定流动方面的研究，w y l i e 和s t r e e t e r 领导的研究小组逐渐成为权威。于1 9 8 3 年及 1 9 9 3 年该书先后了两次修订，分别更名为( f l u i dt r a n s i e n t s ) ) 与( f l u i dt r a n s i e n t si n s y s t e m s ) ) ，之后逐渐深入到瞬变流反问题领的域研究。 在国内，瞬变流研究开始于8 0 年代初，第一本专著为清华大学流动传动与控 制教研组翻译的( f l u i dt r a n s i e n t s ) ) 一书，至今己取得很大的进步，但在水力验证、 理论分析、实际应用等方面同国外相比之下，差距仍然甚大。国内管网瞬变流分 析软件的研究和开发尚处于起步阶段，仅有少量报道。1 9 8 8 年后国内刘光临、刘 竹溪等人在泵站水锤计算中采用计算机电算技术，他们发表的论文还涉及到关于 1绪论 水泵全特性曲线的研究，其出版的专著泵站水锤及其防护是国内第一本较系 统地阐述泵站水锤及防护的专著。刘光临等人将特征线法应用于实际工程，分析 研究后，对事故停泵时两阶段关闭的缓闭蝶阀的关闭过程进行了优化【2 2 2 3 】。1 9 9 3 年金锥、姜乃昌等人e 2 4 2 5 出版了停泵水锤及其防护第一版，该书系统地总结 了水锤及停泵水锤方面的内容，包含水锤的基本概念和理论、各种水锤的计算方 法：停泵水锤的计算原理、计算方法、以及停泵水锤的安全防护等。该书第二版 于2 0 0 3 年面世，系统地介绍了一些新的实验研究成果，如伴有多处水柱分离的泵 站管路系统方面的成果。 国内科技人员于2 0 世纪9 0 年代开发出一种新型水锤防护设备液控缓闭 蝶阀，该阀门通过调节阀门的关闭角度和时间( 分为快关与慢关) 来有效控制水 锤的发生1 26 。李继珊、赵红芳、蒋劲根据水锤基本理论和特征线法计算原理，对 管路系统中无任何防护措施和设有水锤防护措施的事故停泵水力暂态过程分别进 行了计算机模拟，还对管道中有负压时的单向调压塔与空气阀两种防护措施进行 了对比分析。结果分析表明，在管路局部凸起点附近安装单向调压塔能较好的防 止管路水柱分离的发生【27 1 。谢水波、樊希葆、陈泽昂等依据水锤数值计算特征线 方程和边界条件方程，设计一种简单实用的直接迭代格式，编写了相应的计算软 件，对计算的边界条件方程及管道的分段、阀参数的设置进行了简化计算，并对 水锤中水柱发生断流及阀门关闭动作的设计进行了讨论，提供了水锤计算的理论 基础【2 引。陶爱峰、秦淑芳在总结传统水锤防护措施及其适用性的基础上，介绍了 普通止回阀、缓闭液控蝶阀及非完全关闭止回阀的结构及原理，并分析了后两种 防护措施在高扬程供水泵站系统中的应用及其防护效果，并分析了各自的优缺点， 以及使用时应注意的一些问题【2 引。 总而言之，至今由于计算机广泛应用，水锤及其安全防护的理论研究与实际 应用两方面的问题均得到较大程度的解决，水锤研究体系正在走向成熟，研究的 范围也越来越广。而今，由于管道系统水柱分离及弥合水锤事故发生较为频繁， 国内外有关瞬变流的研究已经深入到液气两相瞬变流水锤和管道瞬时固液两相藕 合作用( f s i ) 3 0 3 3 】，而如何更加经济有效地防止水锤事故的发生，并根据实际情 况寻找到最佳的防护措施也是一项长期艰巨的研究难题。 1 3 课题研究目的、内容和技术路线 1 3 1 研究目的 提出城市给水泵站水泵的优化选型( 设计) 和优化运行调节方案，以实现供 水工程的节能降耗目标，即达到经济性；研究管网系统的瞬变流( 停泵水锤) 工 况，为给水泵站( 或管网系统) 的安全运行提供依据，即实现安全性。最终将该 重庆大学硕士学位论文 安全经济优化方法应用于工程，使该技术为供水企业和社会带来效益。 1 3 2 研究内容 以泵站年费用( 包括年耗电费和年生产费) 最小为目标函数建立整数规划 数学模型，采用适当的优化方法寻优求解，在得到水泵台数的整数解前提下，实 现水泵型号的快速选型，并结合实际工程进行检验。 根据水锤计算基本原理及方法，采用特征线法进行停泵水锤模拟，分别探 讨多种不同边界条件下( 无阀、止回阀、液控蝶阀、进排气阀等及其组合形式) 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，结合供水工程的实际，对于复杂条件( 如多种水锤防护措施 同时采用、存在水柱分离的管路等) ，进行压力管路安全防护措施的优化研究。 以最小轴功率或系统效率最高为目标函数，分别建立不同调节运行方法 ( 变速调节、变径调节) 下的数学模型，优化调节泵站给水工程的运行，以达到 经济运行的目的。 采用有着强大数值计算、绘图功能的交互式m a t l a b 计算软件，编程实现本 文所有数学模型的求解及计算数据的可视化研究，力求编制泵站优化的一套计算 机程序。 1 3 3 技术路线 为较清楚的表述论文框架结构及实现技术路线，现用框图将各个部分及相互 关系简要表述如下。 水泵优化选型技术路线 6 1绪论 收集流量、静扬程【3 种水位下( q ，h ) 】及管i 引 l l j 初选水泵 泵站安全防护技术路线 l 建立叶片泵全特 l 性曲线模型 i 水 泵 优 化 选 型 7 1 h 1 h 1h己、 重庆大学硕士学位论文 泵站优化运行技术路线 、 r 8 2 水泵优化选型 2 水泵优化选型 供水泵站的优化配置是泵站设计的重要课题，在保证管网流量、压力的前提 下，泵站水泵选择是否合理，直接关系到泵站的投资，更影响以后泵站运行的效 率，实际中很多泵站运行效率偏低，优化运行时无法找到最优解，水泵选型不当 是主要原因。因此，为了降低泵站的能耗，提高供水企业的经济效益，在泵站设 计和改扩建过程中，对水泵进行优化选型，对以后泵站的优化运行与降低泵站的 能耗都具有重要的意义。 2 1 优化选泵方法简述 合理选择水泵是泵站节能的第一步，合理选择水泵包含合理选择水泵的型号 和数量两方面。传统二泵站的设计方法，是以最高日最高时流量均分4 6 份后作 为单泵额定流量和以计算扬程作为额定扬程进行选泵。这样选泵虽然能满足最高 时供水，但不利于流量的调节，容易导致水泵运行效率偏低。改进的选泵方法是 在原均分流量选泵的基础上，增加一台或两台约为原大泵流量一半的小泵，大小 水泵扬程基本相同，这样不同型号的大小水泵相互搭配，并可增设调速泵调速运 行。 水泵在实际运行中一般都是定速泵和调速泵多台水泵并联运行，如完全采用 调速泵，从节能角度来考虑肯定是最优的，但调速设备价格昂贵，完全采用调速 泵不经济。对泵站进行优化选型首先对满足要求的水泵进行分析，找出所有可行 的水泵搭配方案，然后对这些方案进行比较。 2 2 优化选泵数学模型 合理选择的水泵具有以下要求：机组大小和台数应使泵站投资最省，运行费 用最少；符合供水系统设计扬程和设计流量的要求；每一台水泵各阶段均能够在 高效段内运行；便于维修和管理。 2 2 1 选泵优化模型的建立 对于水泵站优化方案，只有通过相互比较各方案间的经济效益才能确定，因 此可通过直接比较其年综合费用来评判各方案的优劣。本文通过采用标准补偿年 限内的动态计算费用法得到泵站年综合费用公式，以泵站年综合费用最小作为各 泵组的优化选型的目标函数，从而建立选泵优化模型【3 4 】，其目标函数为： 纠私嘻蹦器器峒+ 善n - kc 错胁酊4 眩， 重庆大学硕士学位论文 z 一泵站年综合费用，万元年； 卜所选的含备用水泵的数目，台； k 作为备用水泵台数，台； l 作为变频调速器的台数，台； m i 第i 台水泵机组的投资，万元； p i 第i 台水泵配套调速器的投资，万元台： r 投资回收期标准年限，a ； f 一一设备修费用百分比( ) ； 卜所输送液体的密度，k g m 3 ； q i 第i 台水泵的工作流量，m h ； h i 第i 台水泵工作扬程，m ： r l i 第i 台水泵装置的效率( ) ； t _ 各水泵的年运行时间，h ； c 电价，元l ( w h ； i 一一银行利率； g 一一重力加速度，取为9 8 1m s 2 。 目标函数中水泵扬程的确定 对于一般使用的离心泵，其工况点q 和h 值由水泵及管道系统特性曲线方程 中解出【35 1 ： h = f ( q ) = h x 一曲q ” ( 2 2 ) h = 皿r + 跑2 ( 2 3 ) h 。水泵的虚总扬程( q = o 时) ，m ： s ，水泵摩阻； m 指数，给水管网一般取2 或1 8 4 ： h s 广- 管网最不利点静扬程，m ； s 管道摩阻系数。 参数h x 和s x 由曲线拟合计算，从水泵样本中查得高效区内若干组不同( q ， h ) 值代入式( 2 2 ) 中，得到线性方程组，根据最小二乘法原理，可得出两个参数 的计算公式： h x = 鼍劳器产 4 ， q 撕一( 矿) 2 。 - 号挚 眩5 ， 丢_ 竽 ( 2 5 ) 模型约束条件 1 0 2 水泵优化选型 1 ) 流量约束 t 时刻各台水泵提供的总流量必须不小于供水流量： n - k o t q ( f _ 1 ，2 ，”) ( 2 6 ) i = 1 其中q i 。为第i 台水泵在t 时刻的水量，q 。为t 时刻系统的需水量。 2 ) 扬程约束 t 时刻水泵站提供的扬程必须不小于系统t 时刻所需扬程： - , l ， ( 2 7 ) 3 ) 定速水泵运行时的安全约束 考虑水泵的运行安全，实际中水泵的工作扬程和流量均应处于一定范围内： a i 。i 。o i ，q ，。 ( f = 1 ，2 ，门一七) ( 2 8 ) - , 。i 。h i , h ，。 ( f = l ，2 ，门一k ) ( 2 9 ) 式中q i m 戕、q i m i 。为第i 台水泵的最大和最小允许流量，h i m a x 、h i m i n 为第i 台水泵的最大和最小允许扬程；q i 。、h i 。为在t 时刻第i 台水泵的工作流量与扬程。 4 ) 调速水泵运行时的安全约束 避免水泵的机械性能遭到破坏，调速水泵的转速应在额定转速的5 0 以上。 此外，为防止水泵泵壳内部产生气蚀现象，或因转速过快，水泵产生机械性损坏， 酿成事故，原则上来讲水泵调速只准下调不准上调，则调速泵转速约束为： 0 5 n i ，n i 。( 江1 ，2 ，k ) ( 2 1 0 ) 式中n i 。为第i 台水泵的额定转速，n i 。为第i 台水泵t 时刻实际( 调速后) 转速。 5 ) 水泵效率约束 水泵优化选型的最终目标是能达到泵站总体上最经济，而总体最经济也一定 包括每一台水泵选型的经济性，因此，包括调速水泵调速运行时，每台水泵的各 阶段及各时刻的效率均不能太低，亦即是每台水泵各时刻都在高效区内运行，即： 0 9 0 ，。r n ( f _ 1 ，2 ，”) ( 2 1 1 ) 式中，m 为第i 台水泵t 时刻实际运行( 包括调速后) 效率；r l i m 舣为第i 台水 泵的额定效率。 2 2 2 模型中各参数的确定 投资回收期的年限y 投资回收期包含待建项目的建设期与寿命期两部分，若某项目寿命期较长， 其投资回收期是可以低于寿命期的。根据国家计划委员会建设部于1 9 9 3 年发布的 财务评价参数，供水工程的基准投资期一般为1 0 15 年。并且投资回收期应对应 于项目的设计年限。所以在本模型中，y 取值为1 2 年。 大修费用及设备折旧f 重庆大学硕士学位论文 年大修基金提存率，据近年来全国各行业大修折旧率的年综合平均数据和本 行业的统计资料，设备基本国产时为2 2 。 其他参数 对于水泵年运行时间，应根据实际运行记录，累计得到水泵的年运行时间， 而选择方案时一般取为t = 8 0 0 0 h ；对于输送介质的密度p ，由于输送的是清水，所 以p 取1 o ；银行年利率取3 5 。 2 3 优化选型中应考虑的问题 1 ) 水泵台数 泵站水泵台数应等于满足泵站设计流量所需的水泵与备用水泵台数总和。 当设备总容量一定，水泵台数越少，单机容量越大其运行效率越高，建站投 资( 包括设备费和基建费) 越小，需要的维修费用与运行管理人员等越少，进而 能量消耗和运行费用较省。台数多，能满足不同时期供水流量的要求，运行调度 也较方便，特别当运行中某机组发生故障时对供水的影响也比较小。 一般情况下，当供水流量小于l m 3 s 时，可选用2 台；当供水流量大于1m 3 s 时，所选水泵台数以3 8 台为佳，在供水保证率要求较高的场合，还须考虑设备 用泵，但水泵总台数最多不宜超过1 0 台。当水泵并联布置、泵站出水管较长时， 水泵配置台数应与之相适应；对于高扬程供水的梯级泵站，尤其对于空流段的泵 站，除了按流量要求确定的主水泵的台数之外，还应考虑选出l 3 台小流量的小 型水泵机组，使得在各分段流量下运行时，能与上下级泵站协调一致、相互配合、 避免弃水。 2 ) 水泵安装形式 水泵安装形式一般有立式、卧式和斜式3 种。卧式泵安装高程一般位于进口 水面以上，开挖量小，安装要求比立式泵低，维修方便，工作条件好。但卧式机 组占地面积大，一般启动前还需要抽真空；立式泵占地面积小，叶轮淹没在水面 以下，无进水管路或进水管路短，启动方便，但安装要求高，泵房高度大，一般 来说，造价较高。斜式泵介于二者之间。 3 ) 选用