梯级泵站系统中稳压塔高程确定及系统运行方式确定方法与流程

本发明涉及供水控制系统领域，尤其涉及一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定及其所在系统运行方式确定的方法，适用于长距离有压供水工程。

背景技术：

为了缓解我国水资源的地域分布严重不均状态，一大批大型的供水工程已经建成或正处于建设中。在长距离供水工程中，很大一部分采用有压管道的方式进行输水，由于长距离有压供水工程的管道较长，往往需要设置多种防护措施以防止水锤事故的发生，从而保证系统的安全稳定运行。

稳压塔是一种常用的水锤防护措施，为了区别于单向塔，又称为双向塔，其自由水面可以有效地反射停泵或起泵产生的水锤波。此外，塔中储存的大量水体可以及时补充到管道中以缓解负压，所以稳压塔的设置还有利于整个输水系统的稳定运行。目前有很多工程中采用稳压塔作为水锤防护措施的工程。

实际工程中，为了防止稳压塔发生溢流，常在稳压塔之前的管道中设置一个调流阀，以削减水头，降低稳压塔水位。若稳压塔高程过低，在取水口最高水位-系统最小流量时，输水系统可以重力自流，不需要开启水泵，可能会发生稳压塔溢流且塔后水头不能满足下游的自流要求，在取水口最低水位-系统最大流量时，输水系统必须依靠水泵加压供水，可能会发生既需要开泵又需要调流的情况，这将浪费大量的电能。若稳压塔高程过高，将显著增加工程投资，且稳压塔高程过高会给设计带来很大的难度。而且稳压塔底部调流阀以及水泵的运行方式也和稳压塔高程紧密相关，因此选择合适的调压室高程尤为重要。但是目前的研究都比较集中于稳压塔作为水锤防护措施的有效性、防护措施的对比等问题上，而对于稳压塔高程设置原则、稳压塔和泵站运行策略这一重要问题，则缺少相关的指导。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中的稳压塔高程选择无统一的方法，稳压塔与泵站运行方式确定复杂等问题，提出了一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定及系统运行方式确定方法，能够准确根据实际工况确定适应流量和取水口水位的稳压塔高程同时基于此确定梯级泵站和稳压塔调流阀控制运行方式。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例公开一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法，所述方法包括以下步骤：

根据稳压塔上游泵站前的水头和上游泵站后需要的水头确定各流量和上游取水口水位的组合工况中上游泵站后的实际水头

根据上游本站后的实际水头确定各流量和上游取水口水位的组合工况中稳压塔的水头h稳压塔；

根据下游泵站站是否需要加压满足二级水厂的受水水位，将稳压塔处的水头h稳压塔数据划分为重力自流工况部分h稳压塔重力自流和下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压；所述重力自流工况部分h稳压塔重力自流为下游泵站不需要开启单靠重力自流就能够满足二级水厂受水水位工况下的稳压塔处水头，所述下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压为下游泵站必须要开启加压才能满足二级水厂的受水水位的工况下的稳压塔处水头，所述二级水厂为稳压塔通过下游泵站连接的水厂；

重力自流工况部分h稳压塔重力自流中，最大流量对应的稳压塔处的水头下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压中的最高水头确定稳压塔高程z稳压塔最低取值为所述h安全超高为预设的稳压塔高程安全余量。

作为优选，所述根据稳压塔上游泵站前的水头和上游泵站后需要的水头确定上游泵站后的实际水头的步骤进一步包括：

根据取水口水位高程h取水口、取水口至上游泵站之间的管道水头损失之差确定上游泵站前的水头所述

根据上游泵站至一级水厂之间的关键管线的水头损失加上所述一级水厂受水水位之和确定上游泵站后需要的水头所述一级水厂为上游泵站通过稳压塔连接供水的水厂。

根据所述上游泵站前的水头和上游泵站后需要的水头确定上游泵站后的实际水头

作为优选，所述根据上游本站后的实际水头确定各流量和上游取水口水位的组合工况中稳压塔的水头h稳压塔的步骤进一步包括：

将上游泵站后的实际水头减去上游泵站稳压塔之间的水头损失稳压塔处的水头

作为优选，所述取水口至上游泵站之间的管道水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周。

作为优选，所述上游泵站至一级水厂之间的关键管线的水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周，在含有多个一级水厂的供水工程中，所述关键管线是取水口到某一一级水厂之间的水头损失加上水厂受水水位之和最大的那条管线。

作为优选，根据下游泵站站是否需要加压满足二级水厂的受水水位，将稳压塔处的水头h稳压塔数据划分为重力自流工况部分h稳压塔重力自流和下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压的步骤进一步包括：

获取各流量和上游取水口水位的水位的组合工况中满足二级水厂的受水水位所需的下游泵站站扬程的

若一工况中下游泵站站扬程的等于或小于零，则将该工况对应的稳压塔处的水头h稳压塔划分为重力自流工况部分h稳压塔重力自流；

若一工况中下游泵站站扬程的大于零，则将该工况对应的稳压塔处的水头h稳压塔划分为下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压。

作为优选，所述满足二级水厂的受水水位所需的下游泵站站扬程的的确定步骤进一步包括：

根据上游泵站后的实际水头和上游泵站和下游泵站之间的水头损失确定下游泵站前的水头所述下游泵站前的水头

根据下游泵站至二级水厂之间的关键管线的水头损失加上所述二级水厂受水水位之和确定下游泵站后需要的水头所述二级水厂为下游泵站连接供水的水厂；

各流量和上游取水口水位的水位的组合工况中满足二级水厂的受水水位所需的下游泵站之后所需要的所述的和下游泵站前的水头确定各流量和上游取水口水位的水位的组合工况中满足二级水厂的受水水位所需的下流泵站扬程所述下流泵站扬程

作为优选，所述上游泵站和下游泵站之间的水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周，所述下游泵站至二级水厂之间的关键管线的水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周，在含有多个二级水厂的供水工程中，所述关键管线是下流泵站到某一二级水厂之间的水头损失加上二级水厂受水水位之和最大的那条管线。

本发明实施例同时一种梯级泵站系统中稳压塔系统运行方式确定方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

稳压塔处的水头h稳压塔、权利要求1-8任一一种方法确定的稳压塔高程z稳压塔和预设的稳压塔高程安全余量h安全超高获得稳压塔前的调流阀调流损失所述调流损失hf调流阀＝h稳压塔–z稳压塔+h安全超高；

若所述调流损失为正且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则系统运行方式为关闭上游泵站和下游泵站，开启调流阀调流至调流损失

若所述调流损失为负且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则开启上游泵站和下游泵站，并全开调流阀；

若所述调流损失绝对值小于或等于稳压塔高程安全余量h安全超高；则关闭上游泵站和下游泵站并全开调流阀。

作为优选，所述若所述调流损失hf调流阀为负且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则开启上游泵站和下游泵站，并全开调流阀的步骤，进一步包括：

若所述调流损失hf调流阀为负且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则将上游泵站的扬程调至下游泵站的扬程调至

本发明所提出了稳压塔高程选择和系统运行方式确定方法有效的解决了在梯级泵站供水系统中，稳压塔高程难以确定的问题。通过选择合适的稳压塔高程，避免了系统中出现既需要开启水泵，稳压塔处也会溢流这一问题的发生，同时也避免了稳压塔过高造成的浪费，能够大幅节约工程投资，具有较高的可靠性及实用性。

附图说明

图1为本发明的一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法的第一流程图。

图2为本发明的一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法的第二流程图。

图3为本发明的一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法的第三流程图。

图4为本发明的一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法的第四流程图。

图5为本发明的一种梯级泵站系统中稳压塔系统运行方式确定方法的流程图。

图6为本发明具体示例的梯级泵站系统布置简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法所述方法包括以下步骤：

s101根据稳压塔上游泵站前的水头和上游泵站后需要的水头确定各流量和上游取水口水位的组合工况中上游泵站后的实际水头

s102根据上游本站后的实际水头确定各流量和上游取水口水位的组合工况中稳压塔的水头h稳压塔。

s103根据下游泵站站是否需要加压满足二级水厂的受水水位，将稳压塔处的水头h稳压塔数据划分为重力自流工况部分h稳压塔重力自流和下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压。

具体的，所述重力自流工况部分h稳压塔重力自流为下游泵站不需要开启单靠重力自流就能够满足二级水厂受水水位工况下的稳压塔处水头，所述下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压为下游泵站必须要开启加压才能满足二级水厂的受水水位的工况下的稳压塔处水头，所述二级水厂为稳压塔通过下游泵站连接的水厂；

s104重力自流工况部分h稳压塔重力自流中，最大流量对应的稳压塔处的水头下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压中的最高水头确定稳压塔高程z稳压塔最低取值为所述h安全超高为预设的稳压塔高程安全余量。

如图2所示，优选的，所述步骤s101具体包括：

s201根据取水口水位高程h取水口、取水口至上游泵站之间的管道水头损失之差确定上游泵站前的水头所述

所述取水口至上游泵站之间的管道水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周。

s202根据上游泵站至一级水厂之间的关键管线的水头损失加上所述一级水厂受水水位之和确定上游泵站后需要的水头

所述上游泵站至一级水厂之间的关键管线的水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周，在含有多个一级水厂的供水工程中，所述关键管线是取水口到某一一级水厂之间的水头损失加上水厂受水水位之和最大的那条管线。所述一级水厂为上游泵站通过稳压塔连接供水的水厂。

s203根据所述上游泵站前的水头和上游泵站后需要的水头确定上游泵站后的实际水头

如图3所示，优选的，所述步骤s102具体包括：

s301获取各流量和上游取水口水位的水位的组合工况中满足二级水厂的受水水位所需的下游泵站站扬程的

s302若一工况中下游泵站站扬程的等于或小于零，则将该工况对应的稳压塔处的水头h稳压塔划分为重力自流工况部分h稳压塔重力自流；

s303若一工况中下游泵站站扬程的大于零，则将该工况对应的稳压塔处的水头h稳压塔划分为下游泵站加压工况部分h稳压塔-泵站加压。

如图4所示，优选的，所述满足二级水厂的受水水位所需的下游泵站站扬程的的步骤进一步包括：

s401根据上游泵站后的实际水头和上游泵站和下游泵站之间的水头损失确定下游泵站前的水头所述下游泵站前的水头

s402根据下游泵站至二级水厂之间的关键管线的水头损失加上所述二级水厂受水水位之和确定下游泵站后需要的水头所述二级水厂为下游泵站连接供水的水厂；

s403各流量和上游取水口水位的水位的组合工况中满足二级水厂的受水水位所需的下游泵站之后所需要的所述的和下游泵站前的水头确定各流量和上游取水口水位的水位的组合工况中满足二级水厂的受水水位所需的下流泵站扬程所述下流泵站扬程

具体的，所述上游泵站和下游泵站之间的水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周，所述下游泵站至二级水厂之间的关键管线的水头损失其中n为管道糙率，l为管道长度，q为管道流量，a为管道面积，r为管道湿周，在含有多个二级水厂的供水工程中，所述关键管线是下流泵站到某一二级水厂之间的水头损失加上二级水厂受水水位之和最大的那条管线。

如图5所示，本发明实施例同时提供一种梯级泵站系统中稳压塔系统运行方式确定方法，所述方法包括以下步骤：

s501稳压塔处的水头h稳压塔、稳压塔高程z稳压塔和预设的稳压塔高程安全余量h安全超高获得稳压塔前的调流阀调流损失所述调流损失hf调流阀＝h稳压塔–z稳压塔+h安全超高。

所述稳压塔高程z稳压塔是本发明实施例中上述一种梯级泵站系统中稳压塔高程确定方法确定的。

s502若所述调流损失为正且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则系统运行方式为关闭上游泵站和下游泵站，开启调流阀调流至调流损失

s503若所述调流损失为负且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则开启上游泵站和下游泵站，并全开调流阀。

具体的，若所述调流损失hf调流阀为负且绝对值大于稳压塔高程安全余量h安全超高，则将上游泵站的扬程调至下游泵站的扬程调至

s504若所述调流损失绝对值小于或等于稳压塔高程安全余量h安全超高；则关闭上游泵站和下游泵站并全开调流阀。

下面已一个具体的示例，对本发明的技术方案做进一步描述。

如图6所示，为某含有梯级泵站的长有压供水工程布置简图。供水工程管线全长160km，采用泵站加压的方式进行供水，共有三座受水厂，沿程设置两座加压泵站，其中1#和2#水厂由1#泵站加压供水，3#水厂由2#泵前加压供水。为了防止水锤破坏，增强系统运行的稳定性，在1#和2#泵站之间的节点处设置一座稳压塔。上游取水口最低水位56m，最高水位70m；各水厂受水水位大于4m，受水流量在0.68～1.00倍设计流量之间。表1为各段管道的参数。

表1各段管道设计参数

具体计算过程如下：首先对于1#泵站：首先根据取水口～泵站之间的管道参数和实际流量，由取水口逐段顺推至1#泵站，计算1#泵的泵前水头计算结果如表2所示：

表2不同水位和流量组合工况1#泵站泵前水头

接下来计算满足供流要求的1#泵站后水头根据1#、2#水厂的受水水位要求以及各管段的水损失系数，选出关键线路：泵站到1#水厂之间的管道为关键线路。计算结果如表3所示：

表3不同水位和流量组合工况1#泵后需要水头

用表3减去表2，也即1#泵站的水泵扬程计算结果如表4所示：

表4不同水位和流量组合工况1#泵站扬程

备注：表中的“/”表示该水位流量下，水泵无需开启，仅靠重力自流就可满足水厂受水水位要求。

1#泵站泵后实际水头计算结果如表5。

表5不同水位和流量组合工况1#泵后水头

首先对于2#泵站：2#泵站前水头计算结果如表6所示：

表6不同水位和流量组合工况2#泵前水头

然后计算2#泵后需要的水位计算结果如表7所示：

表7不同水位和流量组合工况2#泵后需要水头

用表3减去表6，也即2#泵站的水泵扬程计算结果如表8所示：

表8不同水位和流量组合工况2#泵站扬程

接着，稳压塔的塔前水头计算结果如表9所示：

表9不同水位和流量组合工况稳压塔前水头

结合前面一节计算的水泵扬程表，可以将所有的工况分为两个部分，左侧为重力自流工况，右侧为水泵加压工况。

对于水泵加压工况：在表中找出水泵加压工况下塔前最高水头对于重力自流工况：最大流量为0.88qr，此时稳压塔之前水头

又因为所以调压室高程z稳压塔取为26m即可，运行时要求保证1m的安全裕量，即将水位控制在25m之下。

根据设置的25m稳压塔高程以及1m的安全裕量要求，结合表4和8，即可确定每种水位流量工况下水泵的扬程和调流阀的调流损失hf调流阀，也即系统的运行调度方式，如表10所示：

表10不同水位和流量组合工况系统运行方式

在表中，左侧的部分为泵关闭-阀调流的工况区域，数字为调流阀最少调流的水头损失，可以结合阀过流曲线求出阀门相应开度。中间为泵关闭-阀全开的工况区域，在此区域中，2#泵站之前全线均可重力自流，且稳压塔前的水头低于溢流高程，所以调流阀保持全开即可。右侧为泵开启-阀全开的工况区域，此时水厂已经不能依靠重力自流供水，泵站需要开启，数字为2#泵站的最小扬程，可以根据表4相应查出1#泵站的最小扬程。由于稳压塔前的水头低于溢流高程，所以调流阀保持全开即可。