一种多机组泵站机组最优运行方案的计算方法与流程

1.本发明涉及水利、市政工程技术领域，具体涉及一种多机组泵站机组最优运行方案的计算方法。


背景技术：

2.随着极端天气的频发，区域排涝标准逐年提高，大流量泵站的建设越来越多，对于布置多台机组的大流量泵站，往往都是根据管理人员的直观经验对泵站不同孔位机组开机关机进行调度运行，很难使泵站在各种流量及各种水位工况下泵站进水流态效果最优、运行效果最好。


技术实现要素：

3.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多机组泵站机组最优运行方案的计算方法，通过研究多机组泵站进水流道入口处的流速分布均匀度及速度加权平均角度的最优组合方案，获得不同流量及不同水位工况下的最利于水泵稳定高效运行的调度方案。
4.技术方案：本发明提供了一种多机组泵站机组最优运行方案的计算方法，包括如下步骤：
5.步骤1：计算运行组合方式：泵站设计总流量为q，泵站机组数量为n，单机流量为q/n，由此确定泵站流量梯级为q/n，2q/n，3q/n...nq/n...q，即开1台机组、2台机组、3台机组...n...n台机组，n台机组运行的组合方式为种；
6.步骤2：建立泵站最优组合方案的计算模型，泵站最优组合方案的计算模型以各种组合下的每台机组进水流道入口处的流速分布均匀度及速度加权平均角度的离散度最小为目标，以流速分布均匀度允许最小值、速度加权平均角度允许最小值为约束建立模型；
7.步骤3：最优运行方案判别方法，计算在泵站某一排水需求流量下，机组各组合方案的σ1、σ2值，推荐最优组合方案。
8.进一步地，所述步骤2的模型具体为：
[0009][0010]
[0011][0012]
其中，σ1为不同机组运行方案任一组合方案的所有开机机组进水流道口处的流速分布均匀度的离散值；σ2为不同机组运行方案任一组合方案的所有开机机组进水流道口处的水平向速度加权平均角度的离散值；v
ui
为不同机组运行方案下任一开机机组进水流道口处的流速分布均匀度值；为不同机组运行方案下任一开机机组进水流道口处的水平向速度加权平均角度值；vu为机组进水流道口处的流速分布均匀度值；为开机机组进水流道口处的水平向速度加权平均角度值；u
aj
为开机机组进水流道口处任一节点的法向速度值；为开机机组进水流道口处的法向速度平均值；u
tj
为开机机组进水流道口处任一节点的水平向速度值；m为开机机组进水流道口处断面节点数量；θ
ymin
为水平向速度加权平均角度值允许最小值；v
umin
为流速分布均匀度值允许最小值；n为泵站实际开机台数；q为泵站设计总流量；qn为上级下达的泵站排水需求流量。
[0013]
进一步地，所述步骤3中推荐最优组合方案具体为：
[0014]
如果某组合方案的σ1、σ2值均为最小值，此组合方案即为此运行流量下的最优开机方案；如果组合方案的σ1、σ2值不均为最小值，则以σ1作为判别标准，即取σ1值为最小值的方案为推荐方案。
[0015]
有益效果：
[0016]
1、泵站前池应为泵站进水流道提供均匀的流速分布和压力分布进水条件。泵站前池出口就是泵站进水流道的进口，前池出口的流速分布均匀度vu越接近100％，表明泵站前池出口水流的流速分布均匀度越好，越有利于水泵高效稳定运行。采用本计算方法，可以保证泵站在各工况下的开机孔位组合的流速分布均匀度均优于其他组合方案，获得最利于水泵稳定高效运行的调度方案。
[0017]
2、若泵站前池出口即泵站进水流道进口有横向速度存在，将会改变水泵进水条件，进而影响水泵叶轮的进水条件，为此引入速度加权平均角来衡量。越接近90
°
，水流越接近垂直于出口断面，水泵的进水条件越好。采用本计算方法，可以保证泵站在各工况下的开机孔位组合的速度加权平均角均优于其他组合方案，获得不同流量及不同水位工况下的最利于水泵稳定高效运行的调度方案。
附图说明
[0018]
图1为本发明流程图；
[0019]
图2为本发明实施例的计算模型；
[0020]
图3为利用本发明计算方法n＝2时，前池出口流速分布云图，其中(a)为4#、5#工况下；(b)为2#、7#工况下；(c)为1#、8#工况下；
[0021]
图4为利用本发明计算方法n＝4时，前池出口流速分布云图，其中(a)为1#、2#、7#、8#工况下；(b)为3#、4#、5#、6#工况下；(c)为2#、3#、6#、7#工况下；
[0022]
图5为利用本发明计算方法n＝6时，前池出口流速分布云图，其中(a)为2#、3#、4#、5#、6#、7#工况下；(b)为1#、2#、4#、5#、7#、8#工况下；
[0023]
图6为利用本发明计算方法n＝8时，前池出口流速分布云图；
[0024]
图7为本发明物理模型实验n＝2时，不同工况下的泵站进出口面流速分布云图；其中(a)为4#、5#工况下的泵站进出口面流速分布云图；(b)为2#、7#工况下的泵站进出口面流速分布云图；(c)1#、8#工况下的泵站进出口面流速分布云图；
[0025]
图8为本发明物理模型实验n＝4时，不同工况下的泵站进出口面流速分布云图；其中(a)为1#、2#、7#、8#工况下的泵站进出口面流速分布云图；(b)3#、4#、5#、6#工况下的泵站进出口面流速分布云图；c为2#、3#、6#、7#工况下的泵站进出口面流速分布云图；
[0026]
图9为本发明物理模型实验n＝6时，不同工况下的泵站进出口面流速分布云图；其中，(a)2#、3#、4#、5#、6#、7#工况下的泵站进出口面流速分布云图；(b)1#、2#、4#、5#、7#、8#工况下的泵站进出口面流速分布云图；
[0027]
图10为本发明物理模型实验n＝8时，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#工况下的泵站进出口面流速分布云图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0029]
本发明公开了一种多机组泵站机组最优运行方案的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0030]
步骤1：计算运行组合方式：泵站设计总流量为q，泵站机组数量为n，单机流量为q/n，由此确定泵站流量梯级为q/n，2q/n，3q/n...nq/n...q，即开1台机组、2台机组、3台机组...n...n台机组，n台机组运行的组合方式为种。
[0031]
步骤2：建立泵站最优组合方案的计算模型，泵站最优组合方案的计算模型以各种组合下的每台机组进水流道入口处的流速分布均匀度及速度加权平均角度的离散度最小为目标，以流速分布均匀度允许最小值、速度加权平均角度允许最小值为约束建立计算模型。
[0032]
模型具体为：
[0033][0034][0035][0036]
其中，σ1为不同机组运行方案任一组合方案的所有开机机组进水流道口处的流速分布均匀度的离散值；σ2为不同机组运行方案任一组合方案的所有开机机组进水流道口处的水平向速度加权平均角度的离散值；v
ui
为不同机组运行方案下任一开机机组进水流道口处的流速分布均匀度值；为不同机组运行方案下任一开机机组进水流道口处的水平向速度加权平均角度值；vu为机组进水流道口处的流速分布均匀度值；为开机机组进水流道口处的水平向速度加权平均角度值；u
aj
为开机机组进水流道口处任一节点的法向速度值；为开机机组进水流道口处的法向速度平均值；u
ij
为开机机组进水流道口处任一节点的水平向速度值；m为开机机组进水流道口处断面节点数量；θ
ymin
为水平向速度加权平均角度值允许最小值；v
umin
为流速分布均匀度值允许最小值；n为泵站实际开机台数；q为泵站设计总流量；qn为上级下达的泵站排水需求流量。
[0037]
步骤3：最优运行方案判别方法，计算在泵站某一排水需求流量下，机组各组合方案的σ1、σ2值，推荐最优组合方案。
[0038]
如果某组合方案的σ1、σ2值均为最小值，此组合方案即为此运行流量下的最优开机方案；如果组合方案的σ1、σ2值不均为最小值，则以σ1作为判别标准，即取σ1值为最小值的方案为推荐方案。
[0039]
步骤4：对各种工况进行实际物理模型实验，采用表面流场测量系统用于测量泵站
前池流场，采用光电流速仪提取前池出口断面流速，进行最优调度方案验证。
[0040]
本实施例主要以西河泵站为例，来诠释多机组泵站机组最优运行方案的计算方法。西河泵站工程泵站设计总流量q＝400m3/s，泵站机组数量n＝8，机组编号为1#～8#，单机流量为q/n＝400/8＝50m3/s。上级下达的泵站排水需求流量为100m3/s、200m3/s、300m3/s、400m3/s，对应的实际开机数n＝2、4、6、8。n＝2时，实际开机组合数为n＝4时，实际开机组合数为n＝6时，实际开机组合数为n＝8时，实际开机组合数为
[0041]
采用三维cfd计算软件建立计算模型，整个模型计算域进口设置为流量进口(流量q＝50m3/s
×
机组开启台数n)，出口设置为压力出口(压力设置为0)，顶部与空气接触部分采用对称壁面，其余边壁设为无因次距离壁面(y+)，y+值为65。计算各种开机组合情况下，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#孔的流速分布均匀度及速度加权平均角度，计算模型如图2。
[0042]
各实际开机数对应的组合方式及流速分布均匀度离散值σ1、加权平均角度离散值σ2汇总表如下表1：
[0043]
表1为各实际开机数对应的组合方式及流速分布均匀度离散值σ1、加权平均角度离散值σ2汇总表
[0044][0045]
备注：受篇幅所限，实际开机数n＝2、4、6时的各种组合的σ1、σ2未详尽列出。
[0046]
由上表1及图3至图6云图可知，实际开机数n＝2，根据minσ1推荐组合方案为2#、7#，根据minσ2推荐的组合方案为2#、7#，因此最优组合方案为2#、7#。实际开机数n＝4，根据minσ1推荐的组合方案为2#、3#、6#、7#，根据minσ2推荐的组合方案为1#、2#、7#、8#，因此最优组合方案为2#、3#、6#、7#。实际开机数n＝6，根据minσ1推荐的组合方案为1#、2#、4#、5#、7#、8#，根据minσ2推荐的组合方案为2#、3#、4#、5#、6#、7#，因此最优组合方案为1#、2#、4#、5#、7#、8#。
[0047]
综上，n＝2时最优开机组合方案为2#、7#，n＝4时最优开机组合方案为2#、3#、6#、7#，n＝6时最优开机组合方案为1#、2#、4#、5#、7#、8#，n＝8时最优开机组合方案为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。
[0048]
对各种工况进行物理模型实验，水位测量采用高精度的水位测针。流速测量采用
xkvms-02表面流场测量系统(主)和ls-8c八点光电流速仪(辅)，表面流场测量系统用于测量泵站前池表面流场分布，光电流速仪用于补充测量泵站进、出口断面的底流流速，计算进口断面底流均匀度，验证调度方案合理性。
[0049]
表2 物理模型实验成果
[0050]
开机组合进口流态特征进口断面底流均匀度4#、5#平稳，两侧存在旋流22.0％2#、7#平稳，无明显旋流49.2％1#、8#平稳，无明显旋流30.3％1#、2#、7#、8#平稳，中间有弱旋流33.9％3#、4#、5#、6#平稳，两侧有弱旋流62.8％2#、3#、6#、7#平稳，两侧有弱旋流67.0％2#、3#、4#、5#、6#、7#平稳，两侧有弱旋流76.3％1#、2#、4#、5#、7#、8#平稳，无明显旋流78.2％
[0051]
参见附图7至附图10，根据物理模型实验成果，2#、7#为开启2台机组排涝的最优组合，2#、3#、6#、7#为开启4台机组排涝的最优组合，1#、2#、4#、5#、7#、8#为开启6台机组排涝的最优组合。综上所述，本发明机组最优运行方案的计算方法与物理模型实验两种方法的最优组合方案一致。
[0052]
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。