CN107437125A - 一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法 - Google Patents

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CN107437125A CN201710653424.1A CN201710653424A CN107437125A CN 107437125 A CN107437125 A CN 107437125A CN 201710653424 A CN201710653424 A CN 201710653424A CN 107437125 A CN107437125 A CN 107437125A
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邢海仙
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朱强
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Abstract

本发明公开了一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法,结合干河泵站水力系统涉及的各种水力元件以及主要控制元件的特性,利用开发平台定义干河泵站相应的水力和控制元件,创建反映干河泵站水机电控制系统特点和特色的分析模型;对干河泵站水机电控制系统模型在各种可能的运行工况条件下进行系统参数优化和率定,确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数;针对优化选择确定的系统参数,在水机电变频控制下进行各种系统暂态过渡过程分析,确定系统暂态过程及暂态控制参数,在此基础完成对水力系统的优化设计。本发明所确定的系统优化关键技术参数为优化了调压井直径,大大减小了土建工程量。

Description

一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域,尤其涉及一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法。
背景技术
干河泵站使用的主要关键大型离心水泵、调频器及变速立轴同步电机、以及水机电系统控制技术等,均为根据干河泵站的特点自主研发及制造使用的首批大型水力设备。可以这样认为:干河泵站是这批新装备在工程运行中1:1试验项目,不仅关系到为新研发的国家重要水力装备获取工程运行数据,也关系到干河泵站工程自身的成败。干河泵站水泵、电动机、变频器等主要关键设备设计技术先进,国内目前无自主研发和制造水泵的技术和先例,且水泵采用大容量变频调速运行,需要通过变频调速控制同步电机调节水泵转速来适应系统运行工况,尚无工程运行的先例和参数可供系统设计借鉴;泵站水力系统布置及运行条件及其复杂,在接近40m的较大工作扬程变幅及运行工况多变的环境条件下,系统的变频调速调节控制方式运行具有如下技术特点。(1)诸如新型大容量离心水泵、大容量变频器以及变频变速控制系统等键技术装备虽经过先进的科学计算、严格的设计和模型试验验证,获得了相关的技术参数和指标,但原型设备进入工程形成复杂水力系统后的动力学特性、运行参数的匹配性等尚不知晓,需要采用先进的分析理论和方法对泵站水机电系统耦联动力学特性及运行参数进行优化或率定设计。(2)多台高扬程大容量单吸单级离心泵在系统中直接通过大容量变频器相连,通过变频调速控制同步调速电机调节水泵的转速来适应系统运行工况的变化,与传统泵站通过阀动控流的水力控制系统相比,干河泵站的水机电耦控制系统在系统构成和控制策略方面具有显著的特色,传统的运行模式和控制策略不能照搬使用。换言之,无论从系统的规模与复杂程度、从对系统暂态稳定性的要求、以及从水机电耦联系统控制的难度等方面,在国内外均尚无工程先例可供借鉴。(3)从水力系统过渡过程的计算理论和方法方面看,大型复杂水力系统水机电耦合作用下的过渡过程分析的理论和方法国内外虽有研究报道,但尚缺乏将相关理论方法用于大型复杂水力系统水机电过渡过程分析的应用技术和工程实例,干河泵站需在现有暂态理论的基础上,开发由大容量变频器、大功率变频调速同步电机、大容量离心泵及其控制系统组成的复杂水力系统的优化分析方法。
综上所述,现有技术存在的问题是:原型设备进入工程形成复杂水力系统后的动力学特性、运行参数的匹配性等尚不知晓;干河泵站尚无工程运行的先例和参数可供系统设计借鉴;缺乏将相关理论方法用于大型复杂水力系统水机电过渡过程分析的应用技术和工程实例。
发明内容
为解决现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法。
本发明是这样实现的,一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法,所述泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法包括:
结合泵站各种水力元件以及主要控制元件的特性和主要运行控制策略技术,构建了带溢流堰的变截面调压井、带溢流堰的出水池、各级岔管、工作球阀、备用球阀、大型离心泵的参数化水力分析模型;
对模型运行工况进行水力调节参数优化和率定,确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数;
针对优化的系统参数,在水机电变频控制下进行暂态过渡过程分析,确定系统暂态过程及暂态控制参数。
进一步,所述泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法具体包括:
结合干河泵站水力系统涉及的各种水力元件以及主要控制元件的特性,利用水力系统分析及优化控制软件WANDA平台定义干河泵站相应的水力和控制元件,创建反映干河泵站水机电控制系统特点和特色的带变频器、阀门启/停PID控制器、变速调节控制元件等调频控制系统的大型泵站水力过渡过程控制分析模型;
使用荷兰Deltare公司开发的水力系统分析及优化控制软件WANDA对干河泵站水机电控制系统模型在各种可能的运行工况条件下进行不同进水池水位、不同转速、不同调压井直径、不同泵组转动惯量、不同水泵出口阀门关闭规律组合768种工况的水力调节参数优化和率定,确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数包括调压井直径、泵组转动惯量GD2、水泵出口阀门型式及启闭规律、泵组的最大倒转转速;
针对优化选择确定的系统参数,在水机电变频控制下进行各种系统暂态过渡过程分析,确定泵站系统暂态过程及暂态控制参数,在此基础完成对泵组在不同转速下正常开启参数、正常关闭参数、失电停泵的水力系统参数优化设计。具体优化和率定如下:
(1)调压井直径优化
调压井涌浪高度随调压井直径增大而降低,相同调压井直径和泵组转动惯量情况下,水泵转速越大,涌浪越高;泵组转动惯量大小对调压井涌浪周期没有明显的相关性,对涌浪高度有些微影响;调压井溢流与否以及溢流时间长短主要取决于上游水位,在计算的几个调压井在直径8m、9m、10m、11以及12m范围内,其涌浪振荡均是衰减的,调压井时稳定的。设计取调压井直径为10m;
(2)泵组转动惯量GD2优化
结合系统需要的泵组转动惯量目标值整体试算系统稳定性,泵组转动惯量GD2从110t.m2优化为90t.m2,大大减轻泵组重量降低设备投资;
(3)水泵出口主阀开启参数优化
在不同特征水位和泵运行方式下,以调压井最低涌浪水位1739.6m、泵后最小压力、阀后最大压力作为控制目标,优化主阀开启规律及相邻机组主阀开启的时间间隔。通过优化分析,并考虑工程运行特点及阀门动态特性,确定工作阀门按50s线性开启,相邻机组开启时间间隔为100s,即开启完成100s后,再实施下一台机组工作阀的开启;
(4)水泵出口主阀关闭参数优化
在不同特征水位和泵运行方式下,以调压井最高涌浪水位1795.5m、阀后最大、最小压力为控制目标,优化主阀关闭规律及相邻机组主阀关闭的时间间隔。通过优化分析,并考虑工程运行特点及阀门动态特性,确定阀门按40s双线性关闭,即前20s关闭80%,后20s关闭20%;相邻机组关闭时间间隔100s关闭,即关闭完成100s后,再实施下一台机组工作阀的关闭。
进一步,所述确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数中,关键系统参数及调节控制参数包括调压井直径、泵组转动惯量GD2、水泵出口阀门型式及启闭规律、泵组的最大倒转转速。
所确定的系统优化关键技术参数为优化了调压井直径,大大减小了土建工程量,确定了引水系统沿线的最大最小水锤压力值已经波动衰减周期,确定了调压井的最高、最低涌浪水位及波动衰减周期,为工程引水系统参数确定、机组招标技术参数提供了重要依据。整个水力参数优化表明系统管道最大最小水锤压力、泵组最大倒转速均满足设计计算及规范要求,调压井的最高涌浪水位低于顶部高程而最低涌浪水位高于底部高程,过渡过程中水位波动逐渐衰减,并最终趋于稳定,泵站水力系统可以安全、稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法流程图。
图2是本发明实施例提供的泵站系统控制原理图(为清晰起见,图中只画出了1#、2#泵的变频控制连接关系以及2#泵主阀主要控制元件的连接关系,其他水力及控制元件未标出)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法包括以下步骤:
所述泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法具体包括:
S101:结合干河泵站水力系统涉及的各种水力元件以及主要控制元件的特性,利用荷兰Deltare公司开发的水力系统分析及优化控制软件WANDA平台定义干河泵站相应的水力和控制元件,创建反映干河泵站水机电控制系统特点和特色的带调频控制系统的大型泵站水力过渡过程控制分析模型;
S102:对干河泵站水机电控制系统模型在各种可能的运行工况条件下进行不同进水池水位、不同转速、不同调压井直径、不同泵组转动惯量、不同水泵出口阀门关闭规律组合768种工况的水力调节参数优化和率定,确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数,如调压井直径,泵组转动惯量GD2,水泵出口阀门型式及关闭规律、泵组的最大倒转转速等;
S103:针对优化选择确定的系统参数,在水机电变频控制下进行各种系统暂态过渡过程分析,确定泵站系统暂态过程及暂态控制参数,在此基础完成对泵组在不同转速下正常开启参数、正常关闭参数、失电停泵的水力系统参数优化设计。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法包括:
1、系统正常开启参数优化结论
(1)在泵后球阀关闭的状态下,用变频启动器将计划开启的泵组启动到相应设计流量(7.67m3/s)对应的转速后,按50s线性规律开启工作球阀,且间隔100s依次逐台开启。
(2)在上游最低水位情况下(高程1752m),调压井最高涌浪发生在单台泵独立运行的开机工况(工况STA1),最高涌浪水位1754.67m,涌浪衰减时间约1400s。
在低水位下启动机组,当机组转速达到设计流量(7.67m3/s)对应的转速,且泵后球阀未开启时,泵出口压力扬程为284m,此时球阀后压力为出水池水位高程产生的静水压力约为224m,球阀前后压差为60m,超过球阀的启动压差要求(<30m)。为满足泵后球阀的开启条件,当上游水库水位为最小水位1752m时,应在泵转速为566r/min-563r/min开启泵后球阀。
(3)在上游最高水位情况下(高程1790m),调压井最高涌浪发生在单台泵独立运行的开机,最高涌浪水位1792.71m,涌浪衰减时间约1500s。最低涌浪发生在两台泵联合运行的开机工况,最低涌浪水位1784.64m,涌浪衰减时间约1100s。
在高水位下启动机组,当机组转速达到设计流量(7.67m3/s)对应的转速,且泵后球阀未开启时,泵出口压力扬程为286.7m,此时球阀后压力为出水池水位高程产生的静水压力,约为224m,球阀前后压差为62.7m,超过球阀的启动压差要求(<30m)。为满足泵后球阀的开启条件,当上游水库水位为最高水位1790m时,应在泵转速517r/min-513.3r/min开启泵后球阀。
(4)正常开机过程中,泵后最大开机水击压力257m水头(发生在工况STA6),最小水击压力249m水头,水击压力均不大。但泵前受调压井涌浪振荡的影响,泵进口压力存在明显的长时间低频振荡(取决于调压井涌浪衰减周期),最大压力振幅约为4m。设计中应注意这种水力低频振荡扰动对泵组运行稳定性可能的影响。
(5)在泵组平压启动运行情况下,由于存在充水暂态过程的影响,设计采用这样的方式启动泵组。
第一步:打开1号球阀(或旁通)向泵后充水排气(也可是其他泵阀),直至球阀两边压力平衡后,此时打开球阀至全开。
第二步:平压稳定后,在静水中由变频器拖动1号泵缓慢启动,使泵转速从零逐步加速到563r/min(上游水位1752m时)或515r/min(上游水位1790m时)使管道充水(充水速度取决于变频器的特性),直至管道中逐步充水到达高程1967m(管道出口中心高程)。
第三步:可在100s内(取决于变频器的特性)将泵速从563r/min提升到606.5r/min,或从515r/min提升到564.2r/min。随转速增加,泵流量达到8m3/s,并随出水池充水过程在7.67m3/s附近小幅振荡直至出水池充满溢流。
按上述三部完成充水的过程约需700s左右,泵运行趋于稳定。
2、系统正常关闭参数优化结论
(1)在上游最低、最高运行水位情况下,在变频器带动下将泵转速降低到约564r/min(对应进口水位1752m)或514r/min(对应进口水位1790m),按40s两段折线规律,间隔100s依次关闭泵后工作球阀。
(2)在上游最低水位情况下(高程1752m),调压井最高、最低涌浪均发生在单台泵独立运行的关机工况,最高涌浪水位1756.22m,最低涌浪水位1748.07m。在上游进水口最高水位情况下(高程1790m),调压井最高、最低涌浪发生在单台泵独立运行的关机工况,最高涌浪水位1794.16m,超过了调压井溢流堰堰顶高程(1794.0m),溢流堰启动溢流,泄流时间延续约25s,最大溢流流量0.7383m3/s;最低涌浪水位1786.17m。
3、失电停泵系统参数优化结论
机组失电停机暂态过程分三种情况:(一)机组失电停机,但泵后球阀按预定规律正常关闭;(二)机组失电停机,泵后球阀拒动;(三)部分机组失电停机,紧急启动备用泵恢复供水。
(一)机组失电停机,但泵后球阀按预定规律正常关闭。
(1)在上游最低水位下,调压井最高涌浪水位1766.08m;最低涌浪水位1740.71m。球阀后压力在月3s内从270m水头骤降到136m水头(降落量139m),再在约11s内回升到约275m。通过1号球阀的最大倒流量为-10m3/s(负号表示倒流)。1号泵大约在15s时间内达到最大倒转速-682.9r/min(失电前的正常运行转速606.5r/min),随后转速逐步回升,停泵70s后,泵组转速为-100r/min。泵组倒转时间持续约250s。
(2)在上游最高水位下,调压井最高涌浪水位1795.41m,超过调压井溢流堰顶高程(1794m)1.41m,溢流堰峰值溢流量15.52m3/s,溢流时间持续120s,溢出水量约1400m3。调压井最低涌浪水位1786.31m。球阀后最小压力155m水头,通过1号球阀的最大倒流量为-10m3/s(负号表示倒流)。1号泵最大倒转速-608.2r/min(失电前的正常运行转速564.2r/min)。
(二)机组失电停机,且泵后球阀拒动。
(1)在上游最低水位下,调压井最高涌浪水位1773.47m;最低涌浪水位1742.79m。1号泵大最大倒转速-723.6r/min(失电前的正常运行转速606.5r/min)。
(2)在上游最高水位下,调压井最高涌浪水位1796.19m,超过调压井溢流堰顶高程(1794m)2.19m,溢流堰峰值溢流量29.59m3/s,溢流时间持续200s溢出水量约3100m3。调压井最低涌浪水位1787.62m。1号泵最大倒转速-664.1r/min(失电前的正常运行转速564.2r/min)。
(三)三台机组并联运行(上游水位1752.0m),1号机组失电停机,1号球阀正常关闭,40s后启动备用泵恢复供水。
(1)调压井最高涌浪水位1754.66m,最低水位1745.92m。1号泵最大倒转速-682.6r/min(失电前的正常运行转速610.2r/min)。出水池溢流堰流量大约在15s内降至最小流量10m3/s,约78s后恢复供水(流量23m3/s)。
(2)4号泵后最大压力289.30m,4号球阀后最大压力258.55m。
(3)事故失电停泵对运行泵组具有较大影响,运行泵流量瞬时峰值流量可达9.8m3/s,并将发生较长时间的出流、效率和功率的振荡现象。失电停泵对并联运行的其他泵组将产生较大的水力冲击和影响。
(四)三台机组并联运行(上游水位1752.0m),1号机组失电停机,1号球阀拒动,40s后启动备用泵恢复供水。
(1)调压井最高涌浪水位1759.43m,最低水位1746.69m。1号泵大最大倒转速-713.5r/min(失电前的正常运行转速610.2r/min)。出水池溢流堰流量大约在15s内降至最小流量9.5m3/s,备用泵启动后的最大供水能力仅能达到约17.5m3/s,约5.5m3/s的流量通过失电泵组形成回路损失。
(2)4号泵后最大压力289.30m,4号球阀后最大压力258.55m。
(3)事故失电停泵对运行泵组具有较大影响,运行泵流量瞬时峰值流量可达9.8m3/s,瞬时轴功率接近19.5MW,并将发生较长时间的出流、效率和功率的振荡现象。
(五)二台机组并联运行(上游水位1752.0m),1号机组失电停机,1号球阀按预定规律关闭,40s后启动3号泵恢复供水。
(1)调压井最高涌浪水位1756.08m,最低水位1746.12m。1号泵最大倒转速-687.8r/min(失电前的正常运行转速607.7r/min)。系统在80s后可恢复供水(流量15.4m3/s)。
(2)事故失电停泵对运行泵组具有较大影响,运行泵流量瞬时峰值流量可达10m3/s,瞬时轴功率接近19.2MW,并将发生较长时间的出流、效率和功率的振荡现象。
(六)二台机组并联运行(上游水位1752.0m),1号机组失电停机,1号球阀拒动,40s后启动3号泵恢复供水。
(1)调压井最高涌浪水位1757.85m,最低水位1746.19m。1号泵最大倒转速-713.3r/min(失电前的正常运行转速607.7r/min)。系统在80s后可提供的供水流量仅能达到10m3/s。
(2)事故失电停泵对运行泵组具有较大影响,并将发生较长时间的出流、效率和功率的振荡现象。
(七)二台机组并联运行(上游水位1752.0m),1号机组失电停机,1号球阀拒动。1号泵失电的同时启动3、4号泵投入运行。
(1)调压井最高涌浪水位1753.29m,最低水位1748.33。1号泵最大倒转速-719.0r/min(失电前的正常运行转速607.7r/min)。系统在50s后可提供的供水流量为17.5m3/s。
(2)事故失电停泵对运行泵组具有较大影响,并将发生较长时间的出流、效率和功率的振荡现象。
图2是本发明实施例提供的泵站系统控制原理图(为清晰起见,图中只画出了1#、2#泵的变频控制连接关系以及2#泵主阀主要控制元件的连接关系,其他水力及控制元件未标出)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法,其特征在于,所述泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法包括:
结合泵站各种水力元件以及主要控制元件的特性和主要运行控制策略技术,构建了带溢流堰的变截面调压井、带溢流堰的出水池、各级岔管、工作球阀、备用球阀、大型离心泵的参数化水力分析模型;
对模型运行工况进行水力调节参数优化和率定,确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数;
针对优化的系统参数,在水机电变频控制下进行暂态过渡过程分析,确定系统暂态过程及暂态控制参数。
2.如权利要求1所述的泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法,其特征在于,所述泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法具体包括:
结合干河泵站水力系统涉及的各种水力元件以及主要控制元件的特性,利用水力系统分析及优化控制软件WANDA平台定义干河泵站相应的水力和控制元件,创建反映干河泵站水机电控制系统特点和特色的带变频器、阀门启/停PID控制器、变速调节控制元件调频控制系统的大型泵站水力过渡过程控制分析模型;
使用水力系统分析及优化控制软件WANDA对干河泵站水机电控制系统模型在各种可能的运行工况条件下进行不同进水池水位、不同转速、不同调压井直径、不同泵组转动惯量、不同水泵出口阀门关闭规律组合768种工况的水力调节参数优化和率定,确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数包括调压井直径、泵组转动惯量GD2、水泵出口阀门型式及启闭规律、泵组的最大倒转转速;
针对优化选择确定的系统参数,在水机电变频控制下进行各种系统暂态过渡过程分析,确定泵站系统暂态过程及暂态控制参数,在此基础完成对泵组在不同转速下正常开启参数、正常关闭参数、失电停泵的水力系统参数优化设计。
3.如权利要求1所述的泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法,其特征在于,具体优化方法如下:
(1)调压井直径优化
调压井涌浪高度随调压井直径增大而降低,相同调压井直径和泵组转动惯量情况下,水泵转速越大,涌浪越高;泵组转动惯量大小对调压井涌浪周期没有明显的相关性,对涌浪高度有些微影响;调压井溢流与否以及溢流时间长短主要取决于上游水位,在计算的几个调压井在直径8m、9m、10m、11以及12m范围内,其涌浪振荡均是衰减的,调压井时稳定的。设计取调压井直径为10m;
(2)泵组转动惯量GD2优化
结合系统需要的泵组转动惯量目标值整体试算系统稳定性,泵组转动惯量GD2从110t.m2优化为90t.m2,大大减轻泵组重量降低设备投资;
(3)水泵出口主阀开启参数优化
在不同特征水位和泵运行方式下,以调压井最低涌浪水位1739.6m、泵后最小压力、阀后最大压力作为控制目标,优化主阀开启规律及相邻机组主阀开启的时间间隔。通过优化分析,并考虑工程运行特点及阀门动态特性,确定工作阀门按50s线性开启,相邻机组开启时间间隔为100s,即开启完成100s后,再实施下一台机组工作阀的开启;
(4)水泵出口主阀关闭参数优化
在不同特征水位和泵运行方式下,以调压井最高涌浪水位1795.5m、阀后最大、最小压力为控制目标,优化主阀关闭规律及相邻机组主阀关闭的时间间隔。通过优化分析,并考虑工程运行特点及阀门动态特性,确定阀门按40s双线性关闭,即前20s关闭80%,后20s关闭20%;相邻机组关闭时间间隔100s关闭,即关闭完成100s后,再实施下一台机组工作阀的关闭。
4.如权利要求2所述的泵站复杂水力系统变速运行水力参数优化方法,其特征在于,所述确定系统运行控制的关键系统参数及调节控制参数中,关键系统参数及调节控制参数包括调压井直径、泵组转动惯量GD2、水泵出口阀门型式及启闭规律、泵组的最大倒转转速。
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