（水利水电工程专业论文）大变幅水位水源泵站取水方式及优化运行研究.pdf

摘要 本文在广泛阅读国内外有关研究文献的基础上，归纳总结了国内外已有的 大变幅水位的水源泵站的取水方式，分析了不同泵站取水方式的优缺点和适用 范围。并结合决策树原理，创建了大变幅水位的水源泵站取水方案的经济比较 模型，该模型可方便、简明、有效、快捷的对取水方案进行比较，得出最优的 取水方案。 本文还对泵站优化运行的基本理论进行了探讨。根据可调速泵站的基本特 点，结合常用的几种泵站经济运行的优化方法，建立了优化模型，并以重庆市 忠县白公祠水厂一级泵站为例编制了优化程序。通过优化效果的比较，分析了 几种方法的可行性和适用性，找出了适合调速泵站优化运行的、基于遗传算法 思想的优化运行方法。 作者还利用v i s u a lb a s i c 语言、f o r t r a n 语言对基于遗传算法思想的优化运行 方法开发了优化运行系统，将计算机技术成功地应用到可调速泵站优化运行之 中，实现了优化运行的可视化，同时也方便了泵站运行管理人员对该系统的使 用。该优化运行系统是一个开放式系统，可根据不同可调速泵站的装置情况对 系统进行数据初始化，还可随泵站装置的更换及时修改、添加和删除数据，保 证了优化运行的有效性和准确性。 论文最后，还指出了本次研究的不足以及软件的局限性，并讨论了今后需 要继续研究和探讨的问题，以明确下一步研究的目标。 关键词：水源泵站大变幅水位取水方式优化运行 a b s t r a c t b a s e do nt h ea b r o a d r e a d i n g o f r e l a t i n ga r t i c l e sa th o m e a n da b r o a d , t h ea u t h o r s u m m a r i z e st h e e x i s t i n g s u c t i o nt y p e so fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lp u m p i n gs t a t i o n s n e a rr i v e rw i t hb r o a dw a t e rl e v e lv a r i a t i o ni nt h er i v e r ，a n a l y z e st h e a d v a n t a g e s ， d i s a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o ns c o p eo f d i f f e r e n ts u c t i o nt y p e s a n da s s o c i a t i n gw i t h t h et h e o r yo fd e c i s i o n - m a k i n gt r e e ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h ee c o n o m i cc o m p a r a t i v e m o d e lo fs u c t i o nt y p eo fp u m p i n gs t a t i o n sw i t hb r o a dw a t e rl e v e lv a r i a t i o ni nt h e f i v e r w i t ht h em o d e l ，w ec a nc o m p a r ed i f f e r e n ts u c t i o nt y p e sc o n v e n i e n t l y , s i m p l y a n de x p l i c i t l y , m o r ee f f e c t i v e ，a n dm o r e p r o m p t l y , a n d t h e n g e tt h eb e s ts u c t i o nt y p e t h i sd i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo no p t i m a lo p e r a t i o no f p u m p i n g s t a t i o n b a s e do nt h eb a s i ct r a i t so fp u m p i n gs t a t i o n sw i t ht h ep u m pc a n c h a n g e t h es p e e do f i t s r o t o r s ，c o m b i n i n g w i t hs o m ek i n d so fo p t i m a la l g o r i t h m s ，t h e a u t h o rb u i l d so p t i m a lm o d e l s ，a n dw r i t e sc o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sw i t ht h ec a s eo fa f i r s t - g r a d ep u m p i n gs t a t i o no fb a i g o n g c iw a t e rp l a n ti nt h ec o u n t yo fz h o n g x i a n ， c h o n g q i n g w i t ht h ec o m p a r i n go ft h er e s u l t s ，t h ef e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo f d i f f e r e n ta l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d a n dt h em o s tu s e f u la n de f f i c i e n ta l g o r i t h m st ot h i s p r o b l e ma r ef o u n da n di m p r o v e d ，t h a ti s t h eg e n e t i ca l g o r i t h md e s i g n e db yt h e 1 w r i t e r w h a t sm o r e ，u s i n gt h el a n g u a g eo fv i s u a lb a s i c ，f o r t r a n ，t h ea u t h o re x p l o i t sa n d d e s i g n st h eo p t i m a lo p e r a t i o ns o f t w a r es y s t e mo fp u m p i n g s t a t i o n sw i t ht h eg e n e t i c a l g o f i t h md e s i g n e db e f o r ei ns u c c e s s w i t ht h es o f t w a r es y s t e m ，t h em a n a g e r sc a n a l w a y sm a k et h ep u m p i n gs t a t i o nr u nw i t hh i g he f f i c i e n t ，a n di ti sv e r yc o n v e n i e n t m o r e o v e r ，t h eo p t i m a lo p e r a t i o ns o f t w a r es y s t e mi sa no p e n i n gs y s t e m ，i t sd a t ac a n b ei n i t i a l i z e db a s e do nd i f f e r e n tp u m p i n gs t a t i o n s ，a n da l s oc a nb em o d i f i e d ，a d d e d a n dd e l e t e d a c c o r d i n g t ot h ea l t e r i n go ft h es e t so fp u m p i n g s t a t i o n ，s ot or e a s s u r et h e v a l i d i t ya n dv e r a c i t y o ft h eo p t i m a l o p e r a t i o n i nt h e e n d ，t h e a u t h o rs u n m a a r i z e st h er e s e a r c hr e s u l t sa n d a n a l y z e s t h e d e f i c i e n c yo f t h i sd i s s e r t a t i o na n dt h es o f t w a r es y s t e m s o m e t o p i c sa n dp r o b l e m sa r e d i s c u s s e d ，w h i c hn e e dt os t u d yf a r t h e r , t oe s t a b l i s ht h ef a r t h e rr e s e a r c ht a r g e t k e yw o r d s ：p u m p i n g s t a t i o nn e a rr i v e r , b r o a dw a t e rl e v e lv a r i a t i o ni nt h er i v e r , s u c t i o n t y p e o fp u m p i n g s t a t i o n ，o p t i m a lo p e r a t i o n o fp u m p i n g s t a t i o n ， 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿 意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) ：宇知寓 2 0 0 4 年5 月1 5 号 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的与意义 建国5 0 多年来，我国泵站工程的建设取得了举世瞩目的成绩。并且在国民经济 各部门中起着举足轻重的作用。随着经济和科技的发展，人们对水泵的应用越来越广 泛，对其性能范围和使用的安全性要求也越来越高。例如，受空化等安全条件的约束， 水泵的取水高程受到很大限制。对水位变幅较大的库区水源泵站，水泵的取水安全与 泵站的经济运行成了一对突出矛盾，尤其是我国三峡工程启动后，库区水位变幅一般 在三十米以上，高的达四五十米。随着我国三峡和南水北调工程以及其他一大批调水 工程的陆续兴建，大变幅水位水源泵站的取水问题已成为目前急需研究和亟待解决的 重大课题之一。 泵站工程在机电排灌、火电厂或核电站的循环供水、跨流域调水、城乡给排水、 油田供水、矿井排水以及长距离运送石油和水煤浆等流体输送工程中，已被广泛应用。 然而，泵站工程的建成和效益发挥，是以大量的投资和能源消耗，以及人们的辛勤劳 动为代价换取来的。近年来，我国水利部门对各地泵站的运行状态进行的调研和普查 表明：由于种种原因，全国大部分泵站都处于低效区运行。有关资料显示，装置效率 低于5 0 的泵站约占全国泵站总数的一半以上，不少泵站的装置效率只有2 0 3 0 。也就是说，在目前的情况下，我国泵站所消耗的能源，有一半以上做了无用功。 由此可见，我国泵站所取得的效益是付出了沉重的代价的，因此提高效率，降低泵站 的能源消耗，对泵站的经济运行是至关重要的。 对大变幅水位的水源泵站，除取水安全问题外，由于水源水位变化较大，而机组 设计安装后其高效区已经固定，如果不进行运行优化，其机组将长期处在低效区工作， 以至造成能源不必要的浪费。在科技高速发展的今天，调速技术日趋完善，在机组允 许的范围内，改变机组运行转速，使机组在满足供水要求的条件下，以最小输入功率 运行，从而提高运行效率、减少运行费用。对长年运行的一级取水泵站( 水源泵站) ， 采用这种调节措施，其经济效益是相当可观的。 当然，需要说明，泵站效益低、能源消耗大的原因是多方面的。其中有规划设计 和设备制造问题，也有安全检修和运行管理问题。要提高泵站效率，降低能源消耗， 必须从泵站工程的规划设计、设备制造、安全检修和运行管理等多方面着手。但是， 从运行管理的角度看，应深入研究和普遍推广经济运行的科学技术，特别是对大变幅 水位的水源泵站，研究其安全与经济运行的模式，其意义是非常重大的。对于后者， 将是本文研究的重点。 一 茎堡奎堂堡主堂垒丝壅 1 2 国内外研究现状 目前，国内外对于解决大变幅水位水源泵站的取水问题的专题研究不多，国内因 三峡、南水北调中线和西线工程的陆续上马，对于解决其库区安全取水和经济运行问 题也才逐渐得到重视。 当前，国内外在解决大变幅水位水源泵站的取水问题，大致有以下几种取水方式： ( 1 ) 采用传统的井筒式干室型泵房；( 2 ) 潜水式，包括采用潜水泵和潜水式泵房； ( 3 ) 浮船式，包括浮船或浮体；( 4 ) 缆车式；( 5 ) 用射流泵增加吸程；( 6 ) 塔吊式 等等。由于其采用的理论技术不同，故各种取水方式有其不同的适用范围和优缺点。 如潜水电泵，可直接将其置于水中，不需要兴建泵房，节约了土建工程量和投资。但 是，由于潜水电泵一般为单机运行，对于扬程或水位变幅超大范围时，它因不能组合 调节，如串、并联，因而无法用在超扬程范围或水源水位变幅特殊的场合。浮船式和 缆车式虽然可随水位的涨落而改变泵站的位置，但该方式给运行维护工作人员带来了 诸多不便，同时浮船的稳定性、缆车随水位涨落时进水1 5 1 的及时调换等方面还需进一 步完善。射流式对解决高扬程大变幅水位取水的问题十分有效，但当泵站扬程较低时， 由于射流泵效率很低，必然会造成整个取水系统的效率较低。井筒式干室型泵房虽然 可以根据水源水位的变幅改变其井筒的设计高度，但当水位变幅很大时井筒就需要做 的很高很高，这样不仅增n 2 1 2 程量和施工难度，而且运行、管理极为复杂。塔吊式泵 房在国外尚有一例，但是这种泵站的传动装置复杂，管路放缩问题较难解决。 在水力机组运行优化方面，随着我国水电事业的飞速发展，以及大批大、中型 水电站的陆续兴建，水电站的经济运行倍受人们关注。水电站经济运行的内容主要有： 水电厂厂内的经济运行，水电站短期最优运行及长期最优运行。其中，厂内经济运行 主要是研究出力平衡、流量平衡和水头平衡，水电站的运行动力特性，机组的最优启 停次序及投入运行的机组台数，机组间有功负荷和无功负荷的最优分配方式，机组间 备用容量的分配方式，水力机组的最合理调节程序及电能生产的质量控制等等；短期 最优运行主要是研究电力系统在短期内的电力和电量平衡，各水电站间、水火电站间 的负荷分配，抽水蓄能电站及潮汐电站的合理运行方式，水电站进行日调节时上下游 不稳定流对运行方式的影响和水资源综合利用对水电站运行方式的影响等等；长期最 优运行主要研究季度、年度和多年的最优运行方式，具体有：电力系统各电厂之间长。 期的电力电量平衡方式，备用容量的分配，检修安排方式，单一水电站的长期最优运 行方式等。另外，还有梯级水电站和水电站群的最优运行方式等等。 泵站的优化运行问题与水电站的优化运行问题有许多相似之处，都是担负着某种 “负荷”，虽然水电站以“发电”为主，泵站以“抽水”为主，一个是“以水换电”， 一个是“以电换水”，但它们在运行时具有相似性，即在满足安全运行的前提下，都 武汉犬学硕士学位论文 要考虑“负荷”在机组间的分配，同时要考虑机组的投入顺序以及机组的投入台数等。 泵站优化运行主要包括泵站运行方式的优化和水泵工况的调节，这两方面在国内 外者5 有了一定的理论基础。但是，它必须与优化调节的理论有机地结合起来，并将其 应用于实际的泵站工程才有意义。对泵站系统、泵站群系统的优化运行，更是如此。 国外在泵站系统优化方面起步较早，如荷兰、加拿大、美国等发达国家都已初步 形成自己比较完善的系统调度模型。 关于泵站的优化运行，国内也进行过不少研究。在大型轴流泵站方面，马文正、 丘传忻、贺贵明在1 9 9 3 年第三期的水利学报上发表了“泵站运行的优化调度”， 从提高水泵、动力机、供电系统和管理机构的综合效率出发，针对多台泵、多座泵站 的运行系统，在其工作条件变更的情况下及时做出运行决策，即决定未来一定时间内 各座泵站的最优开机台数及各类水泵在不同时间的最优叶片开度，以达到运行费用最 小的目的。汪安南在1 9 9 3 年第1 l 期的农田水利与小水电上发表了“大型轴流泵站 最忧运行方式探讨”，提出了以大型全调节轴流泵站运行费用最小为目标的数学模型， 并采用动态规划法进行了求解。刘家春在1 9 9 8 年第二期的水泵技术上发表了“泵 站经济运行方案的确定”，根据轴流泵站的运行情况，给出了用系统分析的方法确定 泵站经济运行方案的数学模型及其求解方法；周龙才等在2 0 0 1 年第二期的农村水利 水电上发表了“泵站变速节能的优化计算”一文，文中针对水泵机组可以无级调速 的泵站，以约束于一定流量要求下单位水量能耗最小为目标建立了站内多台机组同时 变速运行的优化计算模型，并根据目标函数取极值后所形成的方程中的一个常量为平 均泵站效率的倒数这一特殊意义来研究数值求解方法：余方斌等在2 0 0 2 年第3 期泵 站技术上发表“大型泵站水泵最佳运行方式研究”一文，文中采用系统工程最优化 方法，建立以泵站能耗最小准则下通过调整开机台数和叶片角度为目标的动态规划数 学模型；陈芳等在河海大学学报( 自然科学版) 第3 l 卷第2 期发表“泵站优化调 度的分解协调模型”一文，引进大系统分解协调理论来研究泵站优化调度问题，并且 建立了泰州泵站两层谱系结构的泵站优化调度模型，得到了较好的计算结果；杨鹏等 在( d r a i n g e a n d i r r i g a t i o nm a c h i n e r y ) ) 第1 9 卷第6 期发表“基于模拟退火算法的泵站的 优化调度”一文，引进新近发展的算法模拟退火( s a ) 算法用于泵站的优化调度， 认为模拟退火算法对象泵站这样既有离散量又有连续量的非线性模型很有效，且算法 简单、计算量小、能得到全局最优解。还有许多专家学者在泵站优化运行上进行了研 究，但总的来说，它与水电站优化运行的研究和应用相比，泵站优化运行的研究和应 用尚不足。 尽管目前有的部门因投入不足使泵站优化运行的研究和应用比较缓慢，但随着我 国市场经济的建立和不断完善，这种情况将会得到逐步改善。目前，国内外在泵站优 化运行的理论研究与软件开发方面都有其共同的弱点，这就是他们的优化模式比较单 武汉大学硕士学位论文 一，针对性太强，即研究成果只能适用于单座泵站或某个泵站群，而不具有普遍适用 性和再开发性。所以，在这方面研发空间还很大。 1 3 主要研究目标和内容 本文用归纳、总结、分析、比较、完善、提高的方法对大变幅水位的水源泵站的 取水难和效率低等问题进行系统的研究，总结国内外已有大变幅水位水源泵站各种取 水方式的优缺点及其适用范围。同时，以重庆市忠县三峡库区移民补偿工程西山水厂 的取水泵站为例，对大变幅水位水源泵站的取水与优化运行理论进行研究和探讨。以 达到大变幅水位的水源泵站安全、稳定、经济运行的目的，并对优化运行部分进行计 算机系统开发，为将来“无人值班，少人值守”的泵站自动化奠定基础。 为达到上述目标，本文主要研究内容包括以下几个部分： l 、取水方式研究 由于不同的地形、地貌以及不同的水文、地质条件，泵站的取水方式各不相同， 本文将以目前收集到的资料为基础，考虑不同的水位变幅，结合地形、地质等条件， 系统地分析和归纳出国内外较为成熟或已有具体工程实例的取水方式，并就其自身的 特点和使用情况进行客观的分析，总结出他们的优缺点和适应范围。 2 、优化运行研究 该部分将以国内外已有的几种典型的泵站优化运行理论为基础，结合泵站运行的 基本原理和系统分析优化方法，对泵站优化运行的基本理论进行深入探讨。本文将主 要从运行方式和变频调节两个方面入手，将两者结合起来，对泵站的优化运行进行优 化方法的探讨和计算机系统优化运行的开发。 3 、实例应用 本文将以三峡库区水位变幅达3 0 m 的重庆忠县西山水厂取水泵站的设计为例， 利用决策树的方法对几种设计方案从技术上的可行性、经济性、施工的难易程度以及 从工程的维护管理等角度进行系统的分析和比较，并对最优设计方案进行运行方式 ( 主要指单机运行、并联运行、串联运行等) 和变频调节相结合的混合优化。使该系 统可以在水源水位变化后，能迅速地得出满足该水位条件的单位质量提水耗能最少的 泵站运行方式及各台泵的转速。 4 、计算机程序编制 采用f o r t r a n 语言编制泵站优化运行程序；选取v i s u a lb a s i c 语言建立泵站工程优 化运行的友好人机界面，以进一步简化操作。这样，可以使整个数字计算过程都在计 算机上实现，从而达到方便快捷的目的。 - - 4 - - 武汉大学硕士学位论文 第二章大变幅水位水源泵站的取水方式 随着国民经济的高速发展，作为国民经济重要基础产业和设施的水利，已不仅仅 是农业的命脉，而已经成为整个国民经济的命脉和制约因素。取水枢纽工程在我国水 利发展史上占有重要的地位。从早在2 0 0 0 多年前的古代水利专家李冰父子主持修建 的都江堰引水工程，到近代水利科学家李仪祉先生主持修建的泾惠渠、渭惠渠等取水 工程，再到现在遍布全国大中小河流上成千上万的引水枢纽工程，这些工程都曾造福 一方，并曾经或正在产生巨大的社会效益和经济效益。 2 1 取水建筑物概述 取水工程涉及到水力学、水文学、河流泥沙、水工建筑、给水工程、模型试验等 多个学科。取水建筑物的结构类型取决于泵站性质、水泵类型、水源水位变幅以及地 形、地质条件等因素。取水建筑物的位置和形式是否合理，不仅影响泵站工程的投资 和安全运行，而且对水泵的性能、泵站效率及运行费用等都有很大的影响，因而在进 行泵站的规划设计时，应该给予足够的重视。 2 1 1 取水建筑物的位置 受天然河流泥沙的淤积、水质的好坏、河床的变迁以及河水中的漂浮物和悬浮物 等诸多因素的影响，般取水建筑物的布置要满足下述工作条件： ( 1 ) 应能不间断地按规划所得的用水过程线的要求取水； ( 2 ) 防止过多的泥沙进入取水建筑物，尤其是底沙的进入会引起进水口和输水 建筑物的淤塞，底沙淤积在渠首，会使河流的深泓线远离渠首等严重后果。为防止过 多的泥沙进入取水口，应合理地布置取水建筑物，以取得较优的引水流速，并采取合 理的河床整治等措施； ( 3 ) 进水部分在平面上的布置，应要求水流能平稳地进入建筑物，水头损失值 最小； ( 4 ) 防止漂浮物( 如大块的杂物、冰块等) 进入建筑物； ( 5 ) 建筑物在结构上，应能满足运行上的方便和检修上的便利； ( 6 ) 如河流有冰冻情况，则应安排冬季的防冻措旌； ( 7 ) 取水口附近应有较好的地形和地质条件，同时还应考虑尽量缩短引渠长度， 以节约工程投资； ( 8 ) 当河道上有人工建筑物时，应考虑它们的相互干扰和影响。 武汉大学硕士学位论文 2 1 2 取水建筑物的分类及型式 江河取水建筑物，按构造形式大致可分成三类：固定式取水建筑物、移动式取水 建筑物和山区浅水河流取水建筑物等。 1 、固定式取水建筑物一般可以分成以下几种情况 ( 1 ) 按位置分：有岸边式，河床式和斗槽式； ( 2 ) 按结构类型分：有合建式、分建式和直接吸水式： ( 3 ) 按水源水位分：有淹没式和非淹没式； ( 4 ) 按泵房所用的泵型分：有干式和湿式。 2 、移动式取水建筑物一般可以分为浮船式、缆车式、浮吸式等。 3 、山区浅水河流取水建筑物的取水型式，分低坝式、底拦栅式和综合式三种。 其中，低坝式又分固定式低坝取水和活动式低坝取水。 取水建筑物的型式应和取水河段选定位置的水文特征、河岸和河床的地形地质条 件、水源、水质、施工方法及基建费用等因素相适应，并应通过项目经济评价后确定。 所谓大变幅水位的水源泵站就是泵站所取水的水源( 河流、湖泊、水库等) 由于 某些外界因素影响，水位变幅较大，一般在6 米3 0 米左右，有些甚至更大。由于 水泵受到吸上真空高度的影响，吸水高程受到限制。当水源最低水位与最高水位相差 一定范围时，按照传统的泵站设计方法设计泵站，将无法同时满足泵站建筑物的安全 和正常的取水要求。若泵站站址高程较高，水源的水位较低，运行肘有可能产生汽蚀、 振动和噪音，影响机组的效率和寿命，甚至取不到水，机组无法正常运行；若泵站站 址高程较低，水源水位较高，将危及泵站建筑物安全，或增大工程造价。 2 2 移动式取水装置 2 2 1 浮船式取水 1 、浮船式取水建筑物的特点 浮船式取水建筑物是靠近岸边取河流上层水的移动式取水建筑物。如图2 一l 所示。 截止2 0 0 1 年6 月份，浮船泵站累计运行3 5 0 0 台时，累计提水1 2 6 0 万，比未建 浮船泵站前增加灌溉面积1 0 万亩次，盐化工业用水增加2 4 0 0 万，有力的支援了工农 业的生产。 浮船取水装置是沿黄两岸人民经过多年实践，共同努力，独辟捷径，探索出的一 个针对黄河主流游移不定，解决取水困难的较好方案。浮船取水是航运与水利灌溉两 个行业的有机结合，利用浮船的机动灵活、适用性强等特点，立足主流，抽水输水， 因而取水有保证，尤其是在抗旱用水高峰期，能够最大限度地挖掘黄河过流水资源， 武汉大学硕士学位论文 达到抗旱的目的。浮船取水是一个短平快项目，费用低，成效显著，及早发挥工程效 益。若建匿【定泵站，要考虑防洪防凌、河床液化砂质地基等因素，因而设计标准很高， 费用很高，更为严重的是建成固定泵站后，若主流改变，建成的泵站又得废弃，造成 极大的浪费。而浮船泵站就克j i l t 这些缺点。如尊村浮船取水装置的建成最大限度地 满足了尊村一级站抽水的需要。 图2 1 浮船式取水建筑物示意图 相对于其他取水方式，泵船方案有如下三方面优点： ( 1 ) 取水保证率高。泵船方案在总体思路上突破在岸边寻找永久性着流点的局 限，立足主流取水，随主流的摆动而迁移，随水位的涨落而升降，不存在脱流的风险。 ( 2 ) 投资小。相对于建固定站而言，泵船方案基本没有永久性工程，建设投资 小、工期短、见效快、经济合理。像夹马1 ：3 、小樊等l o r e 3 s 流量以下的泵站，建一 艘1 0 0t 左右的泵船即可解决问题，加上输水渠道、输配电设施等整个系统投资约7 0 0 万元，半年即可建成运用。尊村4 6 5 m 3 s 流量，单船规模大一些，有2 3 艘亦可满 足要求，投资约2 0 0 0 万元左右，而建同样规模的固定泵站，投资约l 亿元左右。 ( 3 ) 运行成本低。泵船提水，河滩引渠由全部挖深变为半挖半填( 近水段填， 原泵站取水口处挖) ，停泵后，枯水季节不会淤废，洪水漫滩时，可以事先挖开缺口 泄洪，大部分渠段还可保存，可以减少重复挖渠的费用和时间，从而降低水费成本， 同时可以及时上水，不误农时。 综上所述，浮船取水具有投资少、风险小、建设快、易于旌工( 无复杂的水下施 工) ，运行成本低，有较大的适用性和灵活性能经常取得含泥沙较少的表层水等优点。 中南和西南地区的河流如长江中上游及其支流上应用广泛。缺点是河流水位涨落时， 需要移动船位，阶梯式连接时需要拆换接头以致暂时停止供水，操作管理较麻烦；浮 船还要受到水位、风浪、航运等影响，安全可靠性差。 2 、浮船式取水适用条件 武汉大学硕士学位论文 由浮船式取水的自身特点，其适用条件如下： ( 1 ) 河流水位涨落幅度在1 0 3 5 m 或者更大范围，涨落速度不大于2 m h ，枯水 期水深不小于1 5 2 o m 。 ( 2 ) 河床比较稳定，岸坡有较适宜倾角的河段。当联络管采用阶梯式接头时， 岸坡角度以2 0 。3 0 。为宜；当联络管采用摇臂式接头时，岸坡角度宜陡些，可达 6 0 。以上，以减少联络管长度和便于洪水期于岸之间的交通联络。 ( 3 ) 宜设在河中漂浮物少，无冰凌，不易受漂木、浮筏和船只撞击的河段。在 通航及放筏的河流上，船位与航道或水流中心应保持一定距离。 ( 4 ) 浮船位置宜选在河面较宽阔、水流平稳、风浪较小、停泊条件较好的河段， 应避开河漫滩和浅滩地段，在水流湍急的河流上，浮船位置应避开急流和大回流区。 ( 5 ) 避开分支流的汇合处，以免两条河流水位有变化时造成泥沙淤积或冲刷而 影响取水水质及船体的稳定性。 ( 6 ) 为便于浮船的定期检修，应考虑附近有可用作检修场地的平坦河岸。 2 2 2 缆车式取水 1 、缆车式取水建筑物的特点 缆车式取水建筑物式建筑在岸坡上取河流上层水的移动式取水建筑物，由泵车、 联络管、输水管道、坡道、出水池、牵引设备、供电设施等组成。其布置如图2 2 所示。 图2 - 2 缆车式取水建筑物不慈幽 1 9 2 1 年首次在九江市长江岸边修建缆车式泵站，用于工业供水。解放前缆车式 泵站仅用于个别城市供水，解放后随着建设需要，在长江中上游许多城市修建了该型 泵站。7 0 年代，在黄河上修建了几座该型泵站，用于农田灌溉。据不完全统计，全 国约有3 0 余座较大的缆车式泵站。目前最大的缆车式泵站是大禹渡一级站，装有7 台泵车，取水总流量达8 m 3 s 。而中条山供水工程的缆车设备是目前国内升降幅度最 大、移动距离最远的缆车设备。 缆车式泵站的工作原理是随着河水位的涨落，通过卷扬机绞动钢丝绳牵引设有水 武汉大学硕士学位论文 泵机组的泵车，使其沿着斜坡上的轨道上下移动。这种取水建筑物具有供水可靠、控 制方便，且在岸上超作较安全等特点。但因岸坡易淤积而妨碍泵车上下移动，影响正 常取水，水下工程量和基建投资较浮船式大，且取岸边表层水，水质较差。由于泵车 坡度位置固定，在水文情况( 洪、枯水位) 变化较大的情况下没有浮船取水机动灵活。 2 、缆车式取水适用条件 由缆车式取水的自身特点，其适用条件如下： ( 1 ) 河流水位涨落幅度较大，一般在1 0 3 5 m 之间，涨落速度不应大于2 r n h ， 以防水位涨落速度大于移车速度，影响泵车供水的连续性与安全性： ( 2 ) 该型泵站需要在岸边设置坡道，不但要求主流近岸，水流平稳，且有一定 水深，河床比较稳定，河岸工程地质条件好，还要求有适宜的岸坡。岸坡有适宜的倾 角( 一般在1 0 。3 0 。之间比较好) ，若岸坡太陡，则造成泵车轨道坡陡，所需牵引 力过大，移车困难，若河岸坡太缓，则轨道坡缓，则不易取水，同时吸水管架延伸太 长，容易发生事故汛期移车频繁，运行困难。如铜陵水厂泵站坡道缓( 1 ：1 4 ) ，既易 淤积、接头叉管又多，汛期移车频繁又困难，已于1 9 7 0 年停止运行： ( 3 ) 河中漂浮物少，无冰凌，不易受漂木、浮筏和船只撞击； ( 4 ) 缆车位置应避开回水区和淤积区，以防止轨道上淤积，造成移车困难，甚 至发生事故； 一( 5 ) 由于受牵引设备、缆车面积及空间的制约，泵车不能过大，取水量受到限 制，加之工作条件差等原因，因此缆车式取水在推广使用上受到很大限制。 3 、缆车式泵站取水位置的选择 缆车式泵站的取水口与泵站是合一的，所以站址选择也是取水口的选择。在选择 站址时既考虑河道水流特性，又考虑该型泵站要求地形适宜的特点，所以应注意以下 几点； ( 1 ) 河流弯道的凹岸圆弧下游切点附近，水流能经常靠岸，再加弯道横向水流 作用，表层水含沙量小，取水又有保证，应优先选择此处。 ( 2 ) 洪、枯水流均能经常靠岸，而不产生回流的河岸处，也宜选择。 ( 3 ) 对于水库的库区，可选择在枯水期亦有水的岸边处。 缆车式泵站在国内发展历史较短，工程规模由小型发展为中型，由长江沿岸发展 到黄河沿岸，有关技术问题也在不断发展提高。 2 2 3 浮吸式取水 浮吸式取水设计思想是取水1 2 1 随着水位的涨落而上升或下降。这种取水方式适应 于水位变幅较大、河床动荡频繁、机组较小或者短期暂时取水工程中。浮吸式取水建 筑物简单，不需要人工移动船位、拆换接头等工作。与浮船式、缆车式移动取水建筑 武汉大学硕士学位论文 物相比，具有施工简单、操作管理方便等优点，同时它取表层水，含沙量少。但该类 取水稳定性、抗风浪性差。 在黄河的干流河段上，由于河床动荡，固定泵站的取水保证率不高，故采用这种 简易、分散的浮吸式取水。每台机组用两个浮箱浮托于水面，用钢框连接。将几台机 组结合在一起，以抵御风浪，增加稳定性。泵出口用大波纹橡胶管与钢管引水至岸上， 以适应浮箱随水位变化的移动。 2 3 固定式取水建筑物 2 3 1 常规建筑物取水 对大变幅水位的水源泵站，常规取水建筑物阻圆筒形深井泵房居多，这种取水泵 房历史悠久，在我国水位涨落幅度较大的东南和西北地区沿江、沿河两岸比较普遍， 它是传统型的一种取水方式，但是投资巨大。 对于流速较大、河道水位变幅大、水位变化快的河流，如果主流近岸，且主流位 置相对稳定，常采用圆筒形深井式泵房( 如图2 3 所示) 。 图2 - 3 圆筒形深井泵房不总图 这种泵房采用圆筒形建筑物将水隔离，或者直接将水引进泵房采用潜水泵或长轴 泵提水。其主要特点是取水保证率高，但是设计复杂，防渗和抗浮要求较高，运行条 件恶劣，工程维护不便。另外，施工时需根据当地条件，一般需建围堰，施工排水工 程量大。 武汉大学硕士学位论文 2 3 2 淹没式建筑物取水 淹没式泵房( 如图2 - 4 ) ，是集水井、泵房位于常年洪水水位以下，洪水期处于淹 没状态的泵房，它是为节省工程投资近十年来出现的一种新的泵房形式，目前使用并 不普遍。 最 图2 - 4 淹没式泵房示意图 1 、淹没式泵房的特点 ( 1 ) 建造泵房开挖深度浅、高度低，土建投资省； ( 2 ) 建筑物隐蔽，对航道影响较小； ( 3 ) 泵房通风条件差，噪音大，操作、管理及设备检修不方便。 2 、淹没式泵房适用条件 ( 1 ) 河岸平缓、岸坡稳定； ( 2 ) 水位变幅大，但洪水期历时较短，长期为平枯水期水位的河流； ( 3 ) 对航道影响不大，河流漂浮物和含沙量较少。 在建造淹没式泵房的时候，需要围堰排水，将大大增加工程量，故通常选在枯水 期或水位较低的时候施工。 2 4 其它方式取水 2 4 1 潜水泵取水 潜水泵站具有适应水源水位变幅大、土建投资省、泵站效率高、运行可靠、维修 费用低、易实现自动化等一系列优点。国外在机泵一体化，高效率潜水泵的设计、研 究、制造和应用研究方面发展很快，且有逐步取代传统泵型的趋势。研究和总结潜水 武汉大学硕士学位论文 泵站的设计、建设和运行管理方面的经验，必将有助于提高我国潜水泵站的设计、建 设和管理水平。 潜水电泵是一种泵与电机合二为一的特殊的输送液体的机械，顾明思义，机电一 体潜入水中工作。它结构简单，使用方便。随着材料科学、密封技术、控制和保护技 术的发展，潜水电泵得到了飞速发展。由于潜水电泵结构紧凑，只需要很小的空间， 故安装时不需要太多地考虑地形情况，只需要少量的建筑工程即可。 由于潜水电泵新的结构型式和安装型式的出现，国内外已经出现了一批选用潜水 电泵的泵站工程，总的来说，这些泵站工程具有如下特点： ( 1 ) 工程投资大幅度下降。泵站工程投资包括土建投资和设备投资。潜水电泵 是机电一体化产品，由于结构紧凑，轴向尺寸小，所以不仅消耗材料少，制造成本低， 而且水泵机组的起吊高度小。因水泵机组在水下运行，所以占地少，还可省去大部分 地面建筑物，设计施工简单。据统计表明，潜水电泵的泵站工程投资一般可以节省 4 0 6 0 ，工期可缩短1 2 2 3 。尤其适合于老泵站改造。 ( 2 ) 安装维护方便。由于水泵机组是同轴连接，所以泵站现场不需机泵轴对中 的安装。同时，由于潜水电泵具有快速安装和拆卸的特点，在区域内可建立潜水电泵 管理中心，实行有站无泵，当需要排涝或灌溉时，可临时安装潜水电泵，实行一泵多 站，不仅节省设备投资，而且有利于设备的维修和保养。 ( 3 ) 运行安全可靠。由于潜水电泵所需的辅助设备少，所以出现故障的可能性 小，从而大大提高了设备的可靠性。同时，在较大口径的潜水电泵内一般都设置有多 种自动保护装置，使得潜水电泵的运行安全、可靠。 ( 4 ) 运行条件大为改善。潜水电泵可以实现泵房和控制室分离，还可不需泵房， 露天安装。因此，可以大大改善控制室的通风和采光条件。另外，由于潜水电泵在水 下工作，因此机组的振动、噪音小，日常维护、保养工作量少，改善了操作管理人员 的作业环境，减轻了劳动强度。从而也使泵站的运行条件大为改善。 ( 5 ) 机电运行不受环境气温变化影响，负荷稳定，节省了高温季节电机散热降 温设备，电机运行条件改善。同时还解决了在水位落差较大的沿江、河、湖泊和库区 建泵站的问题。 ( 6 ) 自动化程度高。对于潜水电泵机组，启动过程非常简单，水泵开机和停机 的可操作程序也大为简化，这对自动化无疑是非常有利的。同时，具有现代化水平的 全自动控制柜，可以对同一水池内的若干台潜水电泵实行远距离无人化管理和自动化 运行监测。 ( 7 ) 可以简化泵房结构，改变传统的泵房结构型式，美化泵站环境，使实现环 境幽静的花园式泵站成为可能。 潜水泵站具有造价低，安装、运行、操作方便，电机水流自然冷却，噪声低，可 武汉大学硕士学位论文 改善泵站操作环境，形式多样等诸多优点。但当机组出现故障的时候，需要将机组吊 出水面放在岸上维修，维修好了以后还需安装回去，工作繁琐且工作量大。如能不断 提高其质量、耐久性和它的工作效率，逐步改进它的设计，潜水泵站在垦区具有广阔 的发展前景。 2 4 2 塔吊式取水 塔吊旋转式泵站的设计思路是水泵安装在一个托架上，托架悬挂在塔式吊车的悬 臂上。吊车安装在岸边或浅水区，一般为混凝土基础。悬臂能作3 6 0 。圆周运动，工 作半径由臂长而定，变压器及配电柜等电器设备全部安装在吊车吊臂的另侧，既作 配重，同时也解决了电器设备的防洪问题。通过管线把水输送到远距离的蓄水池，然 后再进行二次调度。一般这种泵站实现自动化控制，不需再建任何泵房和其它附属建 筑物，从而有效地节省了建设和运行管理费用。当水源水位变化时，可以根据需要， 调节水泵的淹没深度和离岸边的距离，以保证水泵的安全正常运行。水泵的检修和保 养，通过塔吊把水泵提升到岸上进行，非常方便。但该技术对传动装置的精度和自动 化控制的程度要求很高，国内尚无使用。对塔吊式取水而然，塔吊基础也是非常重要 的，它涉及到泵站的安全、投资等问题。 国外奥森克泵站采用塔吊式取水，效果不错。奥森克泵站位于纳米比亚共和国奥 兰治河流域下游。奥兰治河为南非共和国和纳米比亚共和国的界河，径流量和水位在 干旱的秋冬季和夏季汛期变化很大，水位暴涨暴落，如】9 9 5 年9 月某河段的水深仅 为3 m 左右，但1 9 7 4 年和1 9 8 8 年的洪峰水位却高达1 3 m 。处于山谷间的河道狭窄， 水流湍急，水面落差大；而在平原地带，河面开阔，水流缓慢。由于上游已建有拦河 坝、水库等水利设施拦蓄径流( 不在纳米比亚共和国境内) ，现有河床的径流量和河 槽中的蓄水量均受上游水利工程的影响和控制。汛期还有大量的河底沉积物和上游漂 浮物冲到下游，给泵站机组选型、建设及运行管理带来了困难。考虑到水源变幅大、 提水扬程高的特点，泵站选用了4 台离心式潜水泵( 3 台工作，1 台备用) ，平行布置。 由于站址地质条件差、河边滩地坡度小等因素，为适应水源水位变化，防洪、防冲刷， 节省投资运行管理方便等要求，采用了塔吊旋转式潜水泵站的结构型式。 2 4 3 射流泵辅助加压取水 该装置由多级离心泵、射流泵、进水管路和闸阀等系统组成( 见图2 5 ) 。它属于 射流泵第二种装置型式，即射流泵与工作泵( 离心泵) 串并联装置。射流泵对离心泵 增压，提高离心泵吸程，其工作原理如下：离心泵从充水池吸水起动，将水加压后， 通过工作管将其( 工作流量q o ) 送到射流泵，射流泵从水库吸水( 流量q s ) ，通过 武汉大学硕士学位论文 出水管将混合流体( 流量q o + q s ) 送到离心泵 的容许吸程( h s ) 范围之内。离心泵吸入流 体( 流量q = q s + q o ) 后，将一部分通过压力 管路输送到出水池( 二级站进水池) ，其流量 为q s ，另一部分( 工作流量q o ) 送回射流泵， 如此不断地循环工作。 对于水位变幅大大超出了水泵的有效吸 程，并且正常蓄水位与最高洪水位之差小于普 通水泵的有效吸程，而一级泵站则将长期在这 段吸程内工作。针对这种情况，应用先进的射 流理论及喷射技术，采用新型离心射流泵 吸水装置配建固定式分基型泵房的取水方案 ( 本文中称之为射流泵辅助加压取水) 。由于 整个吸水装置是固定式的，而且是开敞的，只 需在岸边配建一个最简单的分基型泵房。另一 方面唯一淹没于水下，主要用于给主泵进水加 压，从而增大主泵有效吸程的射流泵无运动部 件，结构简单。 图2 - 5 射流泵压力示意图 该取水方案与传统的滑轨式泵车、浮动式泵船以及淹没式泵房等超吸程取水的工 程措施相比较，具有组成及操作简单、便于管理、工作运行可靠性高，特别是工程及 设备投资小等显著的优点。但由于射流泵的效率较低，又与离心泵串联运行，所以射 流泵加压式机组的效率较低。为了充分利用离心泵的有效吸程及其工作效率高的特 性，克服射流泵工作时耗能较大造成效率偏低的缺点，最大限度地提高整个供水工程 常年运行的经济水平，当水源水位在主泵有效吸程内变化时，离心式主泵机组脱离水 下射流泵单独运行；水源水位下落至主泵有效吸程以下时，才启用射流泵加压取水装 置，以确保用水要求和取水可靠性。 2 5 决策树在泵站取水方案寻优中的应用 2 5 1 决策树基本理论 一、策决( d e c i s i o n ) 决策技术是六十年代以来迅猛发展起来的- - 1 7 年轻的学科，目前己被广泛的应用 于各行各业中，它代表了企业管理的新阶段。决策是人们在政治、经济、技术和日常 武汉大学硕士学位论文 生活中普遍存在的一种选择方案的行为。决策是管理中经常发生的一种活动，管理的 核心是决策。决策是一种选择行为，最简单的选择是回答是与否，较为复杂的决策是 从多种方案中选一，任何决策都有一个过程和程序。一般包括“