CN106503313A - 串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法及系统；包括：将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，空间维度上，将并联系统分为若干串联系统，将串联系统分为泵站子系统和输水子系统；时间维度上，将调度过程划分为若干相对平衡时段，泵站水位、流量等参数在平衡时段内恒定；计算串并联梯级泵站输水系统影响因素；建立泵站子系统运行效率表达式；根据是否计入级间水力、水量损失和是否有分水，建立三种工况类型下的输水子系统运行效率表达式；进而建立三种不同工况类型下的串联和并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型。本发明解决了串并联梯级泵站输水系统调度运行存在复杂性和动态性，难以对其运行效率进行定量计算的难题。

Description

串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法及系统

技术领域

本发明涉及复杂调水工程运行评估领域，尤其涉及串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法及系统。

背景技术

串并联梯级泵站输水工程一般通过泵站提水，泵站之间由渠道刚性、半刚性串联或并联，调蓄能力较小，是由泵站(拦污栅、水泵装置、电机、其他辅助装置等)、节制闸和渠道等设备、设施组成的复杂的刚性连接串并联梯级泵站输水系统，以下简称串并联梯级泵站输水系统。

该系统组成较为复杂，并联梯级泵站输水系统包含多个串联线路，每个串联梯级泵站输水系统又包括泵站、渠道、拦污栅等多种设备、设施。各站之间的流量、水位互相影响。系统运行过程中，受制于输水工况动态变化和未知的外界扰动，系统内部往往处于动态变化中。串并联梯级泵站输水系统的通常以整体运行效率最优为目标，需要对系统中各部分进行统一协调，避免系统局部运行效率高，顾此失彼的现象。

综上，由于系统本身的复杂性和运行动态性，对串并联梯级泵站输水系统的效率计算是该领域的难题之一，也是急需解决的难题之一。

串并联梯级泵站输水系统运行效率代表系统中各设备、设施的整体运行状态，是决定输水能耗及费用的主要因素，也是衡量调水工程是否成功的标准之一。因此，有必要建立一套完善的串并联梯级泵站输水系统运行效率指标体系和理论表达式，全面反映系统实时运行状态，分析各部分对系统运行效率的影响，同时可为系统的运行优化建立理论基础。

目前针对串并联梯级泵站输水系统效率关注多集中于单级泵站效率，重于单级泵站内各水泵装置效率研究。较少提出系统整体运行效率理念。在研究中，往往忽略梯级间水力、水量损失等因素。事实上，长距离梯级泵站输水系统的水力水量损失较大，往往对系统运行效率影响巨大。近年来，部分学者开始注重渗漏、蒸发、水力损失等因素对系统整体效率的影响，提出了大型调水系统整体运行效率研究的内容、途径和方法，但尚未形成严密的理论体系。此外，现有的研究的系统运行效率计算多属于完成效率、平均效率范畴，并不能反映实时或时段内的系统运行状态。即，尚未形成一整套能够全面反映梯级泵站输水系统整体实时运行状态的指标体系和表达式，并在此基础开展运行效率影响因素定量分析。

现有技术存在如下技术问题需要解决：

①目前对串并联梯级泵站输水系统运行效率研究多属于完成效率，评价效率，即对某年或某次输水任务进行简单评价，不涉及各部分效率，无法根据评价结果确定系统运行中存在的薄弱环节，探索影响运行效率的主要因素。

②提出的运行效率表达式考虑因素较少，往往忽略渗漏、蒸发等损失，运行效率式往往适用于较少的输水工况，适用性不强。

③目前尚未有针对梯级泵站输水系统水量损失(渗漏、蒸发)的定量计算方法。

④目前研究多集中于对单级泵站和串联梯级泵站输水系统运行效率进行计算，尚未有此类针对并联梯级泵站输水系统运行效率研究。

⑤缺少一套严密串、并联梯级泵站输水系统运行效率理论体系，没有从时间和空间上对串并联梯级泵站输水系统进行解析。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法及系统，它解决了串并联梯级泵站输水系统调度运行存在复杂性和动态性，难以对其运行效率进行定量计算的难题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，包括：

步骤(1)：将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，空间维度上，将并联梯级泵站输水系统分为若干串联梯级泵站输水系统，将串联梯级泵站输水系统分为泵站子系统和输水子系统；时间维度上，将串并联梯级泵站输水系统整个调度过程划分为若干个相对平衡时段，泵站水位、流量和抽水装置的运行效率在平衡时段内恒定；

步骤(2)：在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算串并联梯级泵站输水系统影响因素：梯级间各渠段水量损失、水力损失和抽水装置效率；

步骤(3)：建立泵站子系统运行效率表达式；同时根据是否计入级间水力、水量损失或级间是否有分水任务，建立三种不同工况下的输水子系统运行效率表达式；

步骤(4)：根据步骤(3)的泵站子系统运行效率表达式和输水子系统运行效率表达式，建立三种不同的工况类型下的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型；

步骤(5)：根据步骤(4)得到的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型，建立三种不同的工况类型下的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型。

所述步骤(1)的将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解：在空间维度上将并联梯级泵站输水系统划分为若干串联梯级泵站输水系统，将每个串联梯级泵站输水系统中各泵站、渠段和拦污栅作为统一的整体，将串联梯级泵站输水系统划分为泵站和输水子系统；从时间维度上将串并联梯级泵站输水系统整个调度过程进行分段，在每个时段内串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，泵站水位、流量和抽水装置运行效率在时段内恒定。

所述步骤(1)的泵站子系统，是整个串联梯级泵站输水系统的能量转化的核心，由多级泵站组成，泵站内部包括抽水装置和辅助装置，辅助装置包括供排水、输变电、压力油气、照明和励磁设备；泵站内各机组本身性能及运行状态决定能量转化的效率，即泵站子系统的效率。

所述步骤(1)的输水子系统，是整个串联梯级泵站输水系统能量传输纽带，由级间的渠道、管道和拦污栅组成，输水子系统的水流水力状态决定传输过程中的能量损耗，即输水子系统运行效率。

泵站子系统与输水子系统通过级间水位和流量水力要素相互关联。

所述步骤(2)的梯级间各渠段水量损失计算：

梯级间水量损失包括渗漏、蒸发、支流流出等，由于其难以用公式表示，可根据设定调水时段内的损失总量(根据时段内渠段蓄量变化反推)，换算为单位时段、单位输水长度上的瞬时损失流量。时段的选取需要根据渠段的渗漏、蒸发特性划分，根据输水阶段划分为调水初期、调水中期和调水后期时段。

所述步骤(2)的梯级间各渠段水量损失计算：

式中(1)、(2)、(3)、(4)，Δt为输水时段时长；j为泵站级数；为第j和j-1级泵站间渠道在Δt内的蓄量变化值；V为渠道蓄量值；分别为第j和j-1级泵站间渠道在t+Δt和t时刻的蓄量值；为由于第j和j-1级泵站间的流量差导致的渠道蓄量变化值；为Δt时段内，由于第j和j-1级泵站间渠道蒸发、渗漏水量损失导致的渠道蓄量变化值；L_j,j-1为第j和j-1级泵站间渠道长度；q_j,j-1为单位时段内，单位渠道长度的流量损失值。

所述步骤(2)的水力损失计算过程：

S_j,j+1(Q_j,h_j+1')＝h_j-h′_j+1 (5)

式(5)中，第h_j为第j泵站的出水池水位；h′_j+1为第j+1级泵站进水池水位；S_j,j+1(Q_j,h_j+1')为当流量为Q_j时，第j和第j+1级泵站间的水力损失，在设计阶段无实测的h_j、h′_j+1时，采用水力学方法对S_j,j+1(Q_j,h_j+1')进行预测。

所述步骤(2)的抽水装置效率计算

式(6)中，i为泵站内抽水装置号码，i为正整数，Q_j为第j泵站流量；H_j为第j级泵站的扬程，P′(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的输入功率；P(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的有效输出功率；η_set,_i为第i个抽水装置的效率。

所述步骤(3)的泵站子系统运行效率为：水体经多级泵站提升后，所获得的能量之和与各级泵站所消耗能量之和的比值。

所述步骤(3)的泵站子系统运行效率表达式为：

式(7)中，Q_j为各泵站流量；η_ps为泵站子系统效率；TP_j为水体经过第j级泵站提升所获得的能量；TP′_j为第j级泵站提水所需消耗的能量，泵站内各抽水装置输入功率；h′_j为第j级泵站进水池水位、h_j为第j级泵站出水池水位；H_j为第j级泵站的扬程，H_j＝h_j-h′_j；η_pump(Q,H_j)为泵站流量为Q，扬程为H_j工况下，第j级泵站内各抽水装置联合运行的效率值，即单级泵站效率。

式(8)中，i为抽水装置编号；Q_i(θ_i，n_i)为泵站内第i个抽水装置的流量，当扬程H_j已知时，Q_i(θ_i，n_i)为水泵叶片安放角θ_i，机组转速n_i的函数，其中，Q_i(θ_i，n_i)＝0表示不开机；P(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的有效输出功率；P′(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的输入功率；η_set,i为第i个抽水装置的效率，见公式(6)。

式(9)中，为水泵装置效率；为传动效率；为电机效率。

其中抽水装置的效率并不包括泵站进水池和出水池效率，将泵站进水池和出水池的效率并入输水子系统效率中。

所述步骤(3)的输水子系统运行效率：水体经多级泵站提升后，经过级间渠道、拦污栅和闸门输送到目的地，最终获得的净能量与水体经过各级泵站提水获得的总能量的比值。

所述步骤(3)的输水子系统运行效率表达式，根据是否计入级间水力、水量损失，级间是否有分水任务，分为A、B和C三种工况。

所述步骤(3)的输水子系统运行效率表达式：

A工况：计入级间水力损失，级间无分水情况

不考虑输水水量损失，仅计入输水水力损失，且级间无分水任务情况下，末级泵站输出水体的净能量为串联梯级泵站输水系统最终获得的净能量，输水子系统效率表达式为：

式(10)、(11)中，η_cs为输水系统效率；TP^*为水体经过泵站、渠道输送到目的地最终获得的净能量；TP_j为水体经过第j级泵站提水获得的能量；H^*为最末级泵站输出水体获得的有效扬程：梯级间净扬程；S_j,j+1(Q_j,h_j+1')为第j和j+1级泵站间渠道的水力损失。

所述步骤(3)的输水子系统运行效率表达式：

B工况：计入级间水力及水量损失，级间无分水情况

计入级间水力及水量损失，无沿线分水情况下：扣除级间水力、流量损失，渠道末级泵站输出水体的净能量即为串联梯级泵站输水系统最终获得的净能量，输水子系统效率表达式为：

式(12)、(13)、(14)中，Q₁为首级泵站的输出流量；L_(j-1,j)为第j和j-1泵站间渠道长度；q_(j-1,j)为第j和j-1泵站间渠道单位距离的流量损失值；Q^*为最末级泵站所输出的流量，等于首级泵站的流量减去级间的水量损失；Q_j为经过第j级泵站输出流量，数值上等于首级泵站流量减去第1级至j级间渠道的流量损失。

所述步骤(3)的输水子系统运行效率表达式：

C工况：计入级间水力、水量损失，级间分水流量

计入级间水力、水量损失，级间有分水情况下，串联梯级泵站输水系统最终输出水体的净能量包括两部分：一部分为末级泵站输出水体获得的净能量；另一部分为沿线分水口输出水体获得的净能量。输水子系统效率表达式为：

式(15)、(16)、(17)、(18)，H^*为最末级泵站输出水体获得的有效扬程；k_j为第j-1和j泵站间的分水口序号，k_j＝1,2…m_j；m_j为第j-1和j泵站间的分水口总个数，m_j为正整数；分别为j-1和j泵站间第k_j个分水口门分水获得的净扬程；为j-1和j泵站间第k_j个分水口门高程；Q^*最末级泵站所输出的流量，等于首级泵站流量减去沿线水量损失和分水流量；Q_j为经过第j级泵站的输出流量，数值上等于首级泵站减去第1级至j级间的全部流量损失和分水口流量；为第j-1和j泵站间第k_j个分水口的分水流量；为j-1和j泵站间所有分水口流量之和；为系统j级泵站上游沿途所有分水口的分水总流量之和。

所述步骤(4)的串联梯级泵站输水系统运行效率定义为：水体经过泵站子系统提升和输水子系统传输，到达目的地后所获得的净能量与各级泵站消耗总能量的比值，等于泵站子系统效率与输水子系统效率的乘积。

所述步骤(4)的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

A工况：计入级间水力损失，沿线无分水情况

式(19)中，η_pcs为串联梯级泵站输水系统运行效率。

所述步骤(4)的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

B工况：计入级间水力及水量损失，级间无分水情况

式(20)中，η_pcs为串联梯级泵站输水系统运行效率。

所述步骤(4)的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

C工况计入级间水力、水量损失，级间有分水情况

式(21)中，η_pcs为串联梯级泵站输水系统运行效率。

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率是指：水体经过各串联梯级泵站输水系统，到达目的地后获得的净能量与各串联梯级泵站输水系统内各级泵站消耗总能量的比值。

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

A工况：计入级间水力损失，沿线无分水情况

式(22)～(23)中，η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r为串联线路序号，r＝1,2,…z；z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率。

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

B工况：计入级间水力及水量损失，级间无分水情况

式(24)～(25)中，η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r为串联线路序号，r＝1,2…z，z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率。

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

C工况计入级间水力、水量损失，级间有分水情况

式(26)～(27)中，η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r为串联线路序号；r＝1,2,…z；z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率。

建立串并联梯级泵站输水系统运行效率计算系统，包括：

时空分解单元：将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，空间维度上，将并联梯级泵站输水系统分为若干串联梯级泵站输水系统，将串联梯级泵站输水系统分为泵站子系统和输水子系统；时间维度上，将串并联梯级泵站输水系统整个调度过程划分为若干个相对平衡时段，泵站水位、流量和抽水装置的运行效率在平衡时段内恒定；

影响因素计算单元：在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算串并联梯级泵站输水系统影响因素：梯级间各渠段水量损失、水力损失和抽水装置效率；

泵站子系统运行效率和输水子系统运行效率计算单元：建立泵站子系统运行效率表达式；同时根据是否计入级间水力、水量损失或级间是否有分水任务，建立三种不同工况下的输水子系统运行效率表达式；

串联梯级泵站输水系统运行效率计算单元：根据泵站子系统运行效率表达式和输水子系统运行效率表达式，建立三种不同的工况类型下的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型；

并联梯级泵站输水系统运行效率计算单元：根据串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型，建立三种不同的工况类型下的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型。

本发明的有益效果：

(1)本发明针对串并联梯级泵站输水系统运行复杂性和动态性的难题，提出了基于时空分解的梯级泵站输水系统运行效率理论体系。一方面，在空间维度将并联梯级泵站输水系统划分为若干串联梯级泵站输水系统，将系统中各泵站、渠段、拦污栅等设备、设施作为统一的整体，将串联系统划分为泵站和输水子系统；另一方面，从时间维度将调度过程进行分段，提出每个时段内动态平衡的理念。在以上两个理论基础上，分别定量计算水力、水量损失和分水等影响因素，提出泵站子系统、输水子系统运行效率概念和表达式，进而依次提出串联和并联梯级泵站输水系统运行效率概念和表达式，形成了一套严密的理论和方法体系；

(2)本发明考虑了输水水力损失，渗漏水量损失，分水工况等众多影响因素，给出了影响因素定量计算方法，提高了传统运行效率计算方法的适用性和准确性，由于计算成果中包含子系统运行效率和系统运行效率两个层次，能够更准确反映子系统和整体系统运行状态，有利于寻求影响运行效率的因素；

(3)本发明的建立可有助于寻求串并联梯级泵站输水系统运行效率优化的关键因素，为系统运行效率优化提供了理论基础；

(4)本发明应用于南水北调东线等类似梯级泵站输水系统效率评价和分析中，为此类工程运行评价和调度决策提供直接依据，具有较强的理论和现实意义。

附图说明

图1串并梯级泵站输水系统组成示意图；

图2串并梯级泵站输水系统时空分解原理图；

图3串并梯级泵站输水系统计算流程图；

图4南水北调东线典型串联梯级泵站输水系统平面布置图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，串并联梯级泵站输水工程一般通过泵站提水，泵站之间由渠道刚性、半刚性串联或并联，调蓄能力较小，是由调蓄节点、泵站(拦污栅、水泵装置、电机、其他辅助装置等)、节制闸和渠道等设备、设施组成的复杂的刚性连接串并联梯级泵站输水系统，以下简称串并联梯级泵站输水系统。该系统组成较为复杂，并联梯级泵站输水系统包含多个串联线路，每个串联梯级泵站输水系统又包括泵站、渠道、拦污栅等多种设备、设施，系统结构见图1。系统运行过程中，受制于输水工况动态变化和未知的外界扰动，系统内部往往处于动态变化中。

(1)串并联梯级泵站输水系统时空分解

首先对串并联梯级泵站输水系统进行系统时空分解，一方面，在空间上将并联梯级泵站输水系统划分为若干串联梯级泵站输水系统，将系统中各泵站、渠段、拦污栅等设备、设施作为统一的整体，考虑水力、水量损失和分水等影响因素，将系统划分为泵站和输水子系统，另一方面从时间上，提出每个时段内相对平衡的理念，将调度过程进行分段，为串并联梯级泵站输水系统运行效率计算建立理论基础，见图2。

(2)串、并联梯级泵站输水系统影响因素定量计算

在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算梯级间各渠段水量、水力损失、抽水装置效率。

(3)建立串联泵站梯级泵站输水系统运行效率计算模型

建立串联梯级泵站输水系统运行效率体系，分别提出泵站子系统和输水子系统效率的定义和表达式，泵站子系统综合考虑各级泵站水泵装置效率、电机效率、传动效率等；输水子系统运行效率综合考虑了拦污栅、闸门、各渠段渠道等水力损失，各渠段蒸发、渗漏等水量损失，以及考虑分水对运行效率影响因素。在此基础上将两者关联，提出梯级泵站输水系统运行效率的概念及相应计算表达式。

(4)建立并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型

提出了并联梯级泵站输水系统运行效率体系和定义，基于串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型，综合并联梯级泵站输水系统中各串联系统运行效率，提出并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型。

(5)串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法应用流程及要点

首先对串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，空间维度将并联系统划分为若干串联系统，将串联系统划分为泵站子系统和输水子系统，时间维度上对调度时段进行划分，选择相对平衡时段进行计算；根据串并联梯级泵站输水系统运行特征选择工况类型(A,B,C),从而选用不同计算公式；结合实测调度数据(泵站站上站下水位、流量、机组输出输入功率等)，定量计算泵站机组效率、流量损失、水力损失、渗漏损失参数；在此基础上依次计算泵站子系统运行效率、输水子系统运行效率、串联梯级泵站输水系统运行效率和并联梯级泵站输水系统运行效率，应用流程见图3。

对详细方案介绍如下：

1.串并联梯级泵站输水系统时空分解理论

空间维度上，将并联梯级泵站输水系统划分为若干串联梯级泵站输水系统，将串联梯级泵站输水系统划分为泵站、输水两个相互关联的子系统。其中，泵站子系统是整个系统的能量转化(电能转化为位能)的核心，由多级泵站组成，泵站内部又包括抽水装置和辅助装置。泵站内各机组本身性能及运行状态决定了能量转化的效率，即泵站子系统的效率。输水子系统是整个系统能量传输纽带，由级间的渠道、管道、拦污栅等水工控制建筑物等设施组成，其水流水力状态决定了传输过程中的能量损耗，即输水子系统运行效率。泵站、输水两个子系统通过级间水位、流量水力要素相互关联。两个子系统共同决定了系统运行效率。

空间维度上，将串并联梯级泵站输水系统的运行过程可划分为若干个不同的平衡状态以及过渡状态，系统在不同平衡状态之间转化，即处于动态平衡中。基于该理念，在不同调度时段内，系统内部的处于相对平衡状态，其中的泵站性能参数、水位流量等水力学变量可认为是恒定值，为梯级泵站输水系统运行效率理论建立提供了前提条件。

在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算梯级间各渠段水力、水量损失和分水情况，首先分别建立泵站子系统、输水子系统运行效率表达式，进而依次建立串联和并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法。

2、串并联梯级泵站输水系统影响因素定量计算

在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算梯级间各渠段水量、水力损失、抽水装置效率。

(1)梯级各渠段水量损失计算

梯级间水量损失包括渗漏、蒸发、支流流出等，由于其难以用公式表示，因此可根据调水时段内的损失总量，换算为单位输水长度上的瞬时的损失流量。时段的划分需要根据渠段的渗漏特性划分，一般可划分为输水初期，输水中期和输水后期。

式中(1)、(2)、(3)、(4)，Δt为输水时段；j为泵站级数，j＝1,2,…n；为第j和j-1级泵站间渠道在输水时段Δt内的蓄量变化值；V为渠道蓄量值；分别为第j和j-1级泵站间渠道在t+Δt和t时刻的蓄量值；为由于泵站流量变化导致的第j和j-1级泵站间渠道蓄量变化值；为由于蒸发、渗漏等流量损失导致的蓄量变化值；L_j,j-1为第j和j-1级泵站间渠道长度；q_j,j-1为时段Δt内，单位渠道长度的流量损失值。

(2)水力损失计算

S_j,j+1＝S_j,j+1(Q_j,h_j+1')＝h_j-h′_j+1 (5)

式(5)中，第h_j为第j泵站的出水池水位；h′_j+1为第j+1级泵站进水池水位；S_j,j+1为第j和j+1级泵站间渠道的水力损失，可以写为Q_j、h_j+1'的函数。在设计阶段无实测的h_j、h′_j+1时，可采用水力学方法对S_j,j+1＝S_j,j+1(Q_j,h_j+1')进行预测。

(3)抽水装置效率计算

式(6)中，Q_j为第j泵站流量；H_j为第j级泵站的扬程，P′(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的输入功率；P(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的有效输出功率；η_set,i为第i个抽水装置的效率。

3.建立串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型

基于时空分解的串并联梯级泵站输水系统运行效率理论及影响因素定量计算基础上，建立串联梯级泵站输水系统运行效率体系，分别提出泵站子系统和输水子系统效率的定义和表达式，在此基础上将两者关联，提出串联梯级泵站输水系统运行效率的定义及相应表达式，并给出计算方法。

3.1泵站子系统效率模型

泵站子系统效率是反映各级泵站运行状态的综合指标。泵站子系统效率可定义为水体经各级泵站提升后，所获得的能量之和与各级泵站所消耗能量之和的比值。在单机组、单级泵站效率计算的基础上，综合各泵站的效率，给出泵站子系统效率的定义和表达式：

式(7)中，Q_j为各泵站流量；η_ps为泵站子系统效率；TP_j为水体经过第j级泵站提升所获得的能量,即泵站内各抽水装置输出功率；TP′_j为第j级泵站提水所需消耗的能量，即泵站内各抽水装置输入功率；h′_j、h_j分别为时段内第j级泵站进、出水池水位；H_j为第j级泵站的扬程，H_j＝h_j-h′_j；η_pump(Q_j,H_j)为泵站流量为Q_j，扬程为H_j工况下，第j级泵站内各抽水装置联合运行的效率值，即单级泵站效率，取决于各抽水装置的运行方案。

式(8)中，i为抽水装置编号，i＝1,2…m，m为抽水装置总个数，m为正整数；Q_i(θ_i,n_i)为泵站内第i个抽水装置的流量，当扬程H_j一定时，其为水泵叶片安放角θ_i，机组转速n_i的函数，其中，Q_i(θ_i,n_i)＝0表示不开机；P(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的有效输出功率；P′(Q_i,H_j)为第i个抽水装置的输入功率；η_set,i为第i个抽水装置的效率，其中抽水装置效率并不包括泵站进、出水池效率，本发明将泵站进、出水池的效率并入输水子系统效率中。对于η_set,i的计算，可采用公式(6)计算预测。

式(9)中，为水泵装置效率；为传动效率；为电机效率。

3.2输水子系统效率模型

输水子系统效率是反映梯级间渠道、拦污栅、闸门等水工建筑物整体输水状态的指标。输水子系统效率定义为水体经泵站提升后，经过级间渠道、拦污栅、闸门等设备、设施输送到目的地(包括级间分水口)，最终获得的净能量与水体经过各级泵站提水获得的总能量的比值。根据是否考虑级间水力、水量损失，级间是否有分水任务，可分为A、B、C三种情况。

(1)A工况：计入级间水力损失，级间无分水情况

不考虑输水水量损失，仅考虑输水水力损失，且级间无分水任务情况下，系统末级泵站输出水体的净能量即系统最终获得的净能量，输水子系统效率表达式为：

式(10)、(11)中，η_cs为输水系统效率；TP^*为水体经过泵站、渠道(管道)输送到目的地(末级泵站出口)最终获得的净能量；TP_j为水体经过第j级泵站提水获得的能量；H^*为最末级泵站输出水体获得的有效扬程，即梯级间净扬程；S_j,j+1为第j和j+1级泵站间渠道的水力损失，可以写为Q_j、h_j+1'的函数，S_j,j+1＝S_j,j+1(Q_j,h_j+1')。

(2)B工况：计入级间水力及水量(蒸发、渗漏)损失，级间无分水情况

考虑级间水力及水量损失，无沿线分水情况下，扣除级间流量损失，渠道末级泵站输出水体的净能量即为系统最终获得的净能量，输水子系统效率表达式为：

式(12)、(13)、(14)中，Q₁为首级泵站的输出流量；L_(j-1,j)为第j和j-1泵站间渠道长度；q_(j-1,j)为第j和j-1泵站间渠道单位距离的流量损失值；Q^*为最末级泵站所输出的流量，等于首级泵站的流量减去级间的水量损失；Q_j为经过第j级泵站输出流量，数值上等于首级泵站流量减去第1级至j级间渠道的流量损失。

(3)C工况：计入级间水力、水量(蒸发、渗漏)损失，级间分水流量

计入级间水力、水量损失，级间有分水情况下，系统最终输出水体的净能量包括两部分：一部分为末级泵站输出水体获得的净能量；另一部分为沿线分水口输出水体获得的净能量。输水子系统效率表达式为：

式(15)、(16)、(17)、(18)中，H^*为最末级泵站输出水体获得的有效扬程；k_j为第j-1和j泵站间的分水口序号，k_j＝1,2…m_j；m_j第j-1和j泵站间的分水口总个数，m_j为正整数；分别为j-1和j泵站间第kj个分水口门分水获得的净扬程；为j-1和j泵站间第k_j个分水口门高程；Q^*最末级泵站所输出的流量，等于首级泵站流量减去沿线水量损失和分水流量；Q_j为经过第j级泵站的输出流量，数值上等于首级泵站减去第1级至j级间的全部流量损失和分水口流量；为第j-1和j泵站间第k_j个分水口的分水流量；为j-1和j泵站间m_j个分水口流量之和；为系统j级泵站上游沿途所有分水口的分水总流量之和。

3.3串联梯级泵站输水系统运行效率模型

串联梯级泵站输水系统运行效率可定义为水体经过多级泵站(泵站子系统)提升和渠道等(输水子系统)传输，到达目的地后所获得的净能量与各级泵站消耗总能量的比值，等于泵站子系统效率与输水子系统效率的乘积，根据输水子系统效率的三种不同表达式，梯级泵站输水系统运行效率的表达式分别为：

(1)A工况：计入级间水力损失，沿线无分水情况

(2)B工况：计入级间水力及水量(蒸发、渗漏)损失，级间无分水情况

(3)C工况计入级间水力、水量(蒸发、渗漏)损失，级间有分水情况

综上所述，式(19)、(20)和式(21)中，η_pcs为串联梯级泵站输水系统运行效率，其他符号含义同前。

4、并联梯级泵站输水系统运行效率计算

并联梯级泵站输水系统运行效率定义为：水体经过各串联梯级泵站输水系统，到达目的地后获得的净能量与各串联梯级泵站输水系统内各级泵站消耗总能量的比值。

假定并联梯级泵站输水系统包含i条线路，根据是否计入考虑级间水力、水量损失，级间是否有分水任务，可分为A、B、C三种情况，并联梯级泵站输水系统运行效率表达式见(22)～(27)。当r＝1时，公式(22)～(27)等同于串联梯级泵站输水系统运行效率公式。

(1)A工况：计入级间水力损失，沿线无分水情况

(2)B工况：计入级间水力及水量损失，级间无分水情况

(3)C工况计入级间水力、水量损失，级间有分水情况

式中(22)～(27)中，η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r＝1,2,…z；z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率；其他参数含义均等串联梯级泵站输水系统中的参数。

5、串并联梯级泵站输水系统运行效率计算流程及应用

首先对串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，将并联系统划分为若干串联系统，将串联系统划分为泵站子系统和输水子系统，选择用于计算的相对平衡时段；根据串并联梯级泵站输水系统运行特征选择工况类型(A,B,C),从而选用不同计算公式；结合实测调度数据，定量计算泵站机组效率、流量损失、水力损失、渗漏损失参数；在此基础上依次计算泵站子系统运行效率、输水子系统运行效率、串联梯级泵站输水系统运行效率和并联梯级泵站输水系统运行效率。

对详细方案介绍如下：

以南水北调东线典型梯级泵站输水系统为实例，介绍本发明基本实现步骤如下

(1)南水北调东线山东段典型梯级泵站输水系统工程概况

以南水北调东线山东段典型梯级泵站输水系统为研究对象，该系统上、下游边界均为调蓄湖泊(R1、R2)，系统包括三座低流量、大扬程的泵站(从上游至下游依次为A、B、C)，以及三段输水河道R1～A、A～B、B～C(R2)，设计输水流量100³m/s，属于刚性连接串联梯级泵站输水系统，见图4。其中R1～A 26.0km，设计底宽为66m，河底高程28.7m，边坡1:3～1:4；A～B 32.26km，设计河底高程30.8m，底宽45m，边坡1:2.5～1:4，B～C 21km，设计河底高程33.2m，底宽45m，边坡1:3。

(2)南水北调东线山东段典型串联梯级泵站输水系统时空分解

2016年1-6月，南水北调东线山东段典型梯级泵站工程进入运行期，调度初期三级泵站自上游到下游逐级顺序开启，上级泵站为下级泵站渠段补水，至站下水位超过设计水位后开启机组；当各个渠段达到设计或指定水位时，调整各个泵站流量基本保持一致，系统处于相对平衡状态；由于工况变化及外界扰动，整个调度过程可划分为n个不同平衡状态组成，从中选取三个处于相对平衡运行状态的典型时段，见表1。时段内泵站水位、流量和有功功率等参数取时段内平均值，在此基础上分别计算泵站、输水系统运行效率和整体运行效率。

表1调度运行过程中相对平衡时段划分

序号	1	2	3
				时段	2016.1.18 8:00～1.21 8:00	2016.5.6 8:00～5.10 8:00	2016.6.14 8:00～6.20 8:00
机组开启情况	1#、3#两台机组运行	1#、1台机组运行	1#、3#、4#三台机组运行

(3)泵站子系统运行效率计算及分析

根据实测运行数据，根据式(6)、(7)、(8)、(9)，分别计算运行状态1～3的抽水装置效率、泵站子系统效率，见表2。

表2泵站子系统运行效率计算表

(4)输水子系统效率计算及分析

考虑工况B，计入水力及水量损失，级间无分水情况，利用公式(12)、(13)、(14)计算输水子系统效率，见表3。

①水量损失计算

各渠段渗漏、蒸发等水量损失与水位、流量、天气、地下水等多种因素相关。根据泵站流量和梯级渠段蓄量变化，应用公式(1)、(2)、(3)(4)，分时段分别计算R1-A、A-B、B-C渠段水量损失(按百分比计入)，并换算为瞬时损失流量和比率，见表3。

②水力损失主要包括河道沿线输水损失、引水渠道、前池、拦污栅、清污机水力损失，利用公式(5)进行计算，见表3。

表3输水子系统效率计算

(5)南水北调东线典型串联梯级泵站输水系统整体效率计算

考虑工况B，根据公式(20)，可计算南水北调东线典型串联梯级泵站输水系统运行效率，见表4。

表4南水北调东线典型串联梯级泵站输水系统整体效率计算成果

从表中可以看出，部分调度阶段，某级泵站效率较高、其他泵站效率偏低，泵站系统效率偏低55％～60％；当拦污栅堵塞、冰期、水草漂浮工况下，水力明显损失较大，输水子系统运行效率偏低，70％左右，对系统运行效率的影响较大。

(6)并联梯级泵站输水系统效率计算

假定存在三条串联线路，针对工况B，利用公式(24)和公式(25)计算并联梯级泵站输水系统运行效率，计算流程和结果见表5。

表5并联梯级泵站输水系统运行效率计算

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，包括：

步骤(1)：将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，空间维度上，将并联梯级泵站输水系统分为若干串联梯级泵站输水系统，将串联梯级泵站输水系统分为泵站子系统和输水子系统；时间维度上，将串并联梯级泵站输水系统整个调度过程划分为若干个相对平衡时段，泵站水位、流量和抽水装置的运行效率在平衡时段内恒定；

步骤(2)：在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算串并联梯级泵站输水系统影响因素：梯级间各渠段水量损失、水力损失和抽水装置效率；

步骤(3)：建立泵站子系统运行效率表达式；同时根据是否计入级间水力、水量损失或级间是否有分水任务，建立三种不同工况下的输水子系统运行效率表达式；

步骤(4)：根据步骤(3)的泵站子系统运行效率表达式和输水子系统运行效率表达式，建立三种不同的工况类型下的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型；

步骤(5)：根据步骤(4)得到的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型，建立三种不同的工况类型下的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型。

2.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(1)的将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解：在空间上将并联梯级泵站输水系统划分为若干串联梯级泵站输水系统，将每个串联梯级泵站输水系统中各泵站、渠段和拦污栅作为统一的整体，考虑水力、水量损失和分水影响因素，将每个串联梯级泵站输水系统划分为泵站和输水子系统；从时间上将串并联梯级泵站输水系统整个调度过程进行分段，在每个时段内串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，泵站水位、流量和抽水装置运行效率在时段内恒定。

3.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(1)的泵站子系统，是整个串联梯级泵站输水系统的能量转化的核心，由多级泵站组成，泵站内部包括抽水装置和辅助装置，辅助装置包括供排水、输变电、压力油气、照明和励磁设备；泵站内各机组本身性能及运行状态决定能量转化的效率，即泵站子系统的效率。

4.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(1)的输水子系统，是整个串联梯级泵站输水系统能量传输纽带，由级间的渠道、管道和拦污栅组成，输水子系统的水流水力状态决定传输过程中的能量损耗，即输水子系统运行效率。

5.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(2)的梯级间各渠段水量损失计算：

${\mathrm{\ΔV}}_{j-1,j}^{\mathrm{\Δ}t}=V_{j-1,j}^{t+\mathrm{\Δ}t}-V_{j-1,j}^t---\left(1\right)$

$W_{j-1,j}^Q={\∫}_t^{t+\mathrm{\Δ}t}(Q_{j-1}^t-Q_j^t)dt---\left(2\right)$

$W_{j-1,j}^q={\mathrm{\ΔV}}_{j-1,j}^{\mathrm{\Δ}t}-W_{j-1,j}^Q=(V_{j-1,j}^{t+\mathrm{\Δ}t}-V_{j-1,j}^t)-{\∫}_t^{t+\mathrm{\Δ}t}(Q_{j-1}^t-Q_j^t)dt---\left(3\right)$

$q_{j,j-1}=\frac{W_{j-1,j}^q}{\mathrm{\Δ}t*L_{j,j-1}}---\left(4\right)$

式中(1)、(2)、(3)、(4)，Δt为输水时段时长；j为泵站级数；为第j和j-1级泵站间渠道在Δt内的蓄量变化值；V为渠道蓄量值；分别为第j和j-1级泵站间渠道在t+Δt和t时刻的蓄量值；为由于第j和j-1级泵站间的流量差导致的渠道蓄量变化值；为Δt时段内，由于第j和j-1级泵站间渠道蒸发、渗漏水量损失导致的渠道蓄量变化值；L_j,j-1为第j和j-1级泵站间渠道长度；q_j,j-1为单位时段内，单位渠道长度的流量损失值。

6.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(3)的泵站子系统运行效率为：水体经多级泵站提升后，所获得的能量之和与各级泵站所消耗能量之和的比值；

所述步骤(3)的输水子系统运行效率：水体经多级泵站提升后，经过级间渠道、拦污栅和闸门输送到目的地，最终获得的净能量与水体经过各级泵站提水获得的总能量的比值；

所述步骤(3)的输水子系统运行效率表达式，根据是否考虑级间水力、水量损失，级间是否有分水任务，分为A、B和C三种工况；

所述步骤(4)的串联梯级泵站输水系统运行效率定义为：水体经过泵站子系统提升和输水子系统传输，到达目的地后所获得的净能量与各级泵站消耗总能量的比值，等于泵站子系统效率与输水子系统效率的乘积。

7.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率是指：水体经过各串联梯级泵站输水系统，到达目的地后获得的净能量与各串联梯级泵站输水系统内各级泵站消耗总能量的比值；

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

A工况：计入级间水力损失，沿线无分水情况

${\mathrm{\η}}_{bpcs}=\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{rj}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{Q_{rj}}{{\mathrm{\η}}_{r,pcs}}}=\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{rj}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{Q_{rj}}{\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′}\right)-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{r,\left(j,j+1\right)}\left(Q_{rj},{h_{r,j+1}}^{\′}\right)}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′}\right)/{\mathrm{\η}}_{pump}\left(Q_{rj},H_{rj}\right)}}}---\left(22\right)$

${\mathrm{\η}}_{r,pcs}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′})-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{r,(j,j+1)}(Q_{rj},{h_{r,j+1}}^{\′})}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_{rj},H_{rj})}---\left(23\right)$

式(22)～(23)中，η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r＝1,2,…z；z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率。

8.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

B工况：计入级间水力及水量损失，级间无分水情况

${\mathrm{\η}}_{bpcs}=\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{r,1}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{Q_{r,1}}{{\mathrm{\η}}_{r,pcs}}}=\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{r,1}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{Q_{r,1}}{\frac{{H_r}^{*}\left(Q_{r,1}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{r,\left(j-1,j\right)}{L}_{r,\left(j-1,j\right)}\right)}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{rj}\left(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′}\right)/{\mathrm{\η}}_{pump}\left(Q_{rj},H_{rj}\right)}}}---\left(24\right)$

${\mathrm{\η}}_{r,pcs}=\frac{{H_r}^{*}\left(Q_{r1}-\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}{q}_{r,\left(j-1,j\right)}{L}_{r,\left(j-1,j\right)}\right)}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{rj}(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_{rj},H_{rj})}---\left(25\right)$

式(24)～(25)η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r为串联线路序号，r＝1,2…z，z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率。

9.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法，其特征是，

所述步骤(5)的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型：

C工况计入级间水力、水量损失，级间有分水情况

${\mathrm{\η}}_{bpcs}=\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{r,1}}{\underset{i=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{Q_{r,1}}{{\mathrm{\η}}_{r,pcs}}}=\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{r,1}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{Q_{r,1}}{\frac{{Q_r}^{*}{H_r}^{*}+\underset{j=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k_j=1}{\overset{m_j}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{r,\left(j-1~j,k_j\right)}^{\′}{H}_{r,\left(j-1~j,k_j\right)}^{\′})}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{rj}\left(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′}\right)/{\mathrm{\η}}_{pump}\left(Q_{rj},H_{rj}\right)}}}---\left(26\right)$

${\mathrm{\η}}_{r,pcs}=\frac{{Q_r}^{*}{H_r}^{*}+\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}\underset{k_j=1}{\overset{m_j}{\Σ}}{Q}_{r,(j-1~j,k_j)}^{\′}{H}_{r,(j-1~j,k_j)}^{\′})}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{rj}(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_{rj},H_{rj})}---\left(27\right)$

式(26)～(27)中，η_bpcs为并联梯级泵站输水系统运行效率；r为串联线路序号；r＝1,2,…z；z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率。

10.串并联梯级泵站输水系统运行效率计算系统，其特征是，包括：

时空分解单元：将串并联梯级泵站输水系统进行时空分解，空间维度上，将并联梯级泵站输水系统分为若干串联梯级泵站输水系统，将串联梯级泵站输水系统分为泵站子系统和输水子系统；时间维度上，将串并联梯级泵站输水系统整个调度过程划分为若干个相对平衡时段，泵站水位、流量和抽水装置的运行效率在平衡时段内恒定；

影响因素计算单元：在时空分解理论基础上，假定串并联梯级泵站输水系统处于相对平衡状态，定量计算串并联梯级泵站输水系统影响因素：梯级间各渠段水量损失、水力损失和抽水装置效率；

泵站子系统运行效率和输水子系统运行效率计算单元：建立泵站子系统运行效率表达式；同时根据是否计入级间水力、水量损失和级间是否有分水任务，建立三种不同工况下的输水子系统运行效率表达式；

串联梯级泵站输水系统运行效率计算单元：根据泵站子系统运行效率表达式和输水子系统运行效率表达式，建立三种不同的工况类型下的串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型；

并联梯级泵站输水系统运行效率计算单元：根据串联梯级泵站输水系统运行效率计算模型，建立三种不同的工况类型下的并联梯级泵站输水系统运行效率计算模型。