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南水北调梯级泵站调节方式与系统优化运行研究

冯晓莉  
【摘要】:本文得到全国优秀博士学位论文作者专项基金(编号:2007B41)和江苏省水利科技重点项目(编号:2008048)的资助。 南水北调东线工程为大型复杂梯级泵站系统。由于装机容量大,运行时间长,工程的优化运行对降低调水成本至关重要。目前,泵站优化运行研究考虑的因素和优化的范围不够全面,优化效果还有提高的空间。我国大部分泵站未实现优化运行,运行费用高,能源浪费严重。本文通过分析大型泵站系统的组成与能量损失,研究大型泵站工况调节方式的定量优化选择方法,对考虑多因素的南水北调东线单座泵站系统、并联泵站系统以及首段梯级泵站系统分别进行优化计算,确定最优运行方案,节省运行费用。主要研究工作和创造性成果有: (1)提出了泵站系统的概念,泵站系统由输变电设施、泵站以及输水设施组成。分析了梯级泵站系统各部分能量损失,对典型泵站系统的能量损失与系统效率进行了计算,首次揭示了泵站系统效率特性。结果表明,泵站系统效率符合随泵装置扬程的升高先升高后下降的规律。泵装置扬程一定情况下,随着开机台数的增加,宝应站和江都四站系统效率先升高后下降,江都二站和大套三站系统效率持续升高,所有机组全部开启时系统效率达到最高。 (2)在大型泵站工况调节方式技术分析的基础上,综合考虑泵站运行扬程变化、运行时间、设备投资和运行费用等因素,首次提出了水泵机组工况调节方式定量优化选择方法。对6种典型泵型采用不同工况调节方式优化运行进行分析计算。结果表明,当泵站平均扬程位于高效区内且扬程变幅较小时,在保证正常起动的前提下,泵站最优工况调节方式为半调节。当泵站平均扬程偏离高效区较多或扬程变幅较大时,泵站需要采用变角或变频变速调节运行工况。由于变频装置本身耗费功率、设备费用高等原因,其适用的范围很小。泵站年运行扬程时间密度分布情况对工况调节方式的选择稍有影响。随着设备费用的降低,泵站系统变工况优化运行的效果愈加显著。 (3)应用本文提出的工况调节方式定量优化选择方法,对已建的南水北调蔺家坝站、淮阴三站泵装置的工况调节方式进行了选择。结果表明,两座泵站的最优工况调节方式均为变频变速调节,这是由于这两座泵站的扬程相对变幅较大。针对待建的金湖站,筛选出3种可行泵型,进行应用不同工况调节方式优化运行计算分析,结果表明,金湖站采用变角调节较为合适。 (4)分别采用遗传算法(GA)、基本粒子群算法(PSO)、模拟退火粒子群算法(SA-PSO)对南水北调江都站系统进行运行优化计算。结果表明,泵站实施变角优化运行,运行费用较在常规设计角度的运行费用节省0.99%-4.22%。三种算法中,SA-PSO算法更适合于泵站运行优化问题求解。 (5)在源头江都四站日抽水量一定的情况下,考虑泵装置扬程随时间连续变化、分时电价和变角调节频度等因素,以系统日运行费用最少为目标,求解确定系统最优运行方案,首次研究优化运行的变角调节频度对运行费用的影响。结果表明,变角调节频度越高,每天划分的时段数越多,则优化效果越好,泵站系统运行费用越低,并趋向一恒定值。考虑到频繁调节对调节机构可靠性的影响,泵站每天变角以6-8次为宜。与不变角相比,优化运行一天变角8次可节省运行费用5.76%-17.63%。考虑分时电价泵站系统变角优化运行方案较不考虑分时电价的泵站系统设计角度运行方案节省运行费用5.64%-12.13%。 (6)在源头邻近并联泵站——江都一至四站系统日抽水量一定的情况下,考虑泵装置扬程随时间连续变化、分时电价和变角调节,以系统日运行费用最少为目标,求解确定系统最优运行方案。该优化运行方案与不考虑分时电价的泵站系统设计角度优化运行方案相比,节省运行费用5.79%~18.64%。 (7)首次研究了从长江三江营引水经江都站至淮安站下的包括输水河道和输变电设施在内的单线输水的泵站系统运行优化。在调水目的地淮安站下水位及流量一定的情况下,与在设计角度下运行相比,三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差三种典型日分别实施变角优化运行,泵站系统运行费用分别减少0.62%-2.26%、0.33%-3.26%和0.22%-0.83%。 (8)研究了从长江三江营引水经江都站、宝应站两条线路至淮安站下的双线输水的泵站系统优化运行。首次建立模型,分别采用逐次逼近法和两层直接迭代法求解两条线路的流量最优分配比及其系统优化运行方案。结果表明,最优流量分配方案系统输入功率较设计流量分配方案节省0.2%-2%。 (9)首次研究了南水北调东线长江至洪泽湖段首段3级复杂梯级泵站系统运行优化,建立优化模型,通过四层迭代计算,求解在长江三江营水源水位2.19 m,洪泽湖水位13.5 m,入湖流量分别为450 m3/s、300 m3/s的情况下,首段梯级泵站系统的优化运行方案(包括梯级之间的最优扬程分配、并联输水线路最优流量分配、各泵站抽水流量、开机台数及运行工况)。结果表明:入湖流量分别为450 m3/s、300 m3/s时,系统最优运行方案输入功率较原设计方案可分别节省6.83%和2.27%。


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