梯级调水系统瞬变流分析及优化调度研究

【摘要】：随着水资源供需矛盾的日益突出,大型梯级泵站调水工程的兴建越来越多。这类工程不仅线路长,流量大,扬程高,而且管线沿地形起伏铺设,水工建筑物型式及其相应的流动状态多样,水力机械及各类控制装置与输水系统构成了十分复杂的流体输送系统。对于这类系统,亟待解决的问题主要有两个方面,其一是安全问题,即需要对系统中可能出现的瞬变流过程进行正确地预测,并在此基础上,采取合理的工程措施进行防护,以确保梯级调水工程的安全;其二,由于梯级调水泵站工程是以消耗电能为代价,将水流经多级泵站提升并输送至目的区的,因而如何在采用先进节能机电设备的基础上,通过合理的运行调度,使调水成本降低,以实现调水工程的经济运行,也是大型调水工程运行管理中必须解决的问题。 泵系统中的瞬变流,是指抽水装置中的水流与机组运行状态从一种稳定状态变为另一种稳定状态的过渡状态,也称为泵系统的过渡过程。引起瞬变流状态的原因可以是人为调节产生的扰动,如泵系统中的阀调节、全调节叶片泵的叶片安装角度的调节、水泵的转速调节、明渠中的闸门调节等等,也可以是其它偶然因素产生的系统扰动,如电力中断导致的事故停泵等。由于事故停泵引起的水力过渡过程往往是造成管道破裂或其它工程事故的最主要原因,同时也是瞬变流控制的主要研究课题,因此,本文以此为重点,对复杂泵系统中的瞬变流进行了探讨,从而进一步揭示了水力过渡过程的物理本质并为瞬变流过程的控制奠定了基础。 在瞬变流研究过程中,正确地分析与研究泵系统在瞬变过程中的水流特性,对于系统设备和输水道的设计与运行都具有重要的意义。按照泵系统的真实结构及组成元件的真实特性进行泵系统的瞬变流计算研究,可以预测一些重要参数的极值,预估系统的过流能力,预测工况变换过程的调节控制方案和可能发生的事故对系统的影响,并进行最佳应急措施的选择;对调水工程而言,还可以进行流量平衡调节控制方案的可行性研究,从而给出系统设计的最优结构方案和设计参数,给出工程运行的最佳控制系统设计方案等,并在此基础上建立优化的调度控制系统。这样,不但能够在设计中选择最佳方案,降低工程造价,还能提高系统运行中的安全可靠性与运行稳定性。 论文首先针对大型梯级泵站调水工程的特点,运用瞬变流的基本理论和数值计算方法,建立了复杂抽水系统水力过渡过程计算的数学模型,包括长管道输水系统中的两相瞬变流计算模型、泵管渠池复杂抽水系统瞬变流计算模型及梯级泵站调水