CN116432958A - 一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统 - Google Patents
一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116432958A CN116432958A CN202310373354.XA CN202310373354A CN116432958A CN 116432958 A CN116432958 A CN 116432958A CN 202310373354 A CN202310373354 A CN 202310373354A CN 116432958 A CN116432958 A CN 116432958A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- simulation
- pump
- pump station
- flow
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 351
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 185
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 95
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 71
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 36
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims description 29
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 25
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 16
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims description 16
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 13
- 238000012384 transportation and delivery Methods 0.000 claims description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 8
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 claims description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 5
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 9
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 8
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 7
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 239000010720 hydraulic oil Substances 0.000 description 4
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000013439 planning Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 241000282376 Panthera tigris Species 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 1
- 230000009172 bursting Effects 0.000 description 1
- 230000008846 dynamic interplay Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
- G06Q10/06312—Adjustment or analysis of established resource schedule, e.g. resource or task levelling, or dynamic rescheduling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
- G06F17/13—Differential equations
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/02—Agriculture; Fishing; Forestry; Mining
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Economics (AREA)
- Algebra (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- Marketing (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Marine Sciences & Fisheries (AREA)
- Development Economics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Animal Husbandry (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Agronomy & Crop Science (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,包括3D调度系统,其特征在于:所述3D调度系统包括如下功能模块:泵站水动力性能仿真、泵站前池三维流动模拟、管道水动力学过程模拟、排气阀多工况响应模拟、分水口多工况组合模拟、全线恒定流过程模拟分析、正常启停过度过程模拟、紧急停机过程模拟、大屏展示及智能监测模块。本发明涉及梯级泵站系统调水工程领域,具体地讲,涉及一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统。本发明要解决的技术问题是提供一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,方便实现梯级泵站引调水工程仿真模拟。
Description
技术领域
本发明涉及梯级泵站系统调水工程领域,具体地讲,涉及一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统。
背景技术
梯级泵站系统调水工程是解决区域性水资源供需矛盾,实现水资源合理配置的重要手段。准确合理的调控泵站是实现梯级泵站系统调水工程的安全稳定和高效经济运行的关键,也是国内外梯级泵站系统调水工程研究的重点问题。。
流域仿真模拟是将虚拟现实技术与流域数值模拟相结合而形成的支撑流域综合管理的新型手段和方法。虚拟现实可以为用户提供身临其境般的交互式仿真环境,比一般可视化仿真有更优越的沉浸感和交互性;而数值模拟主要关心流域水循环过程及其调控耦合系统的模拟预测,更具有专业特色,是流域仿真模拟的核心引擎,可以为流域管理辅助决策提供依据。
如果能够将虚拟现实、数值模拟技术及水力模型结合起来,以利用它们各自的特点,将有利于实现开发梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真系统,服务于调水运行管理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,方便实现梯级泵站引调水工程仿真模拟。
本发明采用如下技术方案实现发明目的:
一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,包括3D调度系统,其特征在于:所述3D调度系统包括如下功能模块:泵站水动力性能仿真、泵站前池三维流动模拟、管道水动力学过程模拟、排气阀多工况响应模拟、分水口多工况组合模拟、全线恒定流过程模拟分析、正常启停过度过程模拟、紧急停机过程模拟、大屏展示及智能监测模块;
所述泵站水动力性能仿真,将虚拟现实和数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,开发梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真系统,服务于调水运行管理;
所述泵站前池三维流动模拟,构建泵站前池三维模型,并根据水动力学实验相关参数,确定前池水位变化及流动方向,实现前池三维流动模拟的功能,同时给出泵站前池内水位、温度等信息实时显示;
所述管道水动力学过程模拟,将虚拟现实和流域数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,服务于调水运行管理;
所述排气阀多工况响应模拟,水库的调节是通过排气阀的控制实现的,构建排气阀的三维仿真模型,利用鼠标操纵实现排气阀的启闭,或者基于远程自动化调度指令信息实现阀门的自动启闭,实现排气阀开启关闭的3D查看,并实时显示出库流量、流速等信息;
所述分水口多工况组合模拟,建设分水口的三维仿真模型,监测各分水口流量、流速等关键信息,实现各分水口的3D查看,通过监测数据计算分析,模拟各分水口多工况多情形下的系统整体运行状况,并依据模拟结果调整系统整体运行参数;
所述全线恒定流过程模拟分析,集成全线恒定流过程模拟分析数据,基于以上数据,实现模拟分析系统对每个单元流量、流速的3D查看功能;
所述正常启停过度过程模拟,泵站的启泵水位如果设置不合理,会造成水泵频繁启停,人工调试的方法复杂,效率较低,系统集成正常启停过度过程的模拟数据,获取最佳启泵水位,并进行3D模拟;
所述紧急停机过程模拟,泵站的启泵水位如果设置不合理,会造成水泵频繁启停,人工调试的方法复杂,效率较低,系统集成紧急停机过程模拟数据,实现紧急停机的3D模拟;
所述大屏展示,预留大屏支撑接口,实现整个3D系统的大屏展示;
所述智能监测模块,集成泵站数据监测等系统,开发实现泵站实时数据的3D查看、异常数据的三维快速定位与报警。
作为本技术方案的进一步限定,所述3D调度系统实现:
恒定流仿真;
瞬变流仿真:水泵启动与泵站联调工况、水泵正常停机与泵站联调工况及水泵事故停机与泵站联调工况;
管道糙率参数识别;
泵站联调方案存储。
作为本技术方案的进一步限定,所述恒定流仿真依托所述泵站水动力性能仿真、所述泵站前池三维流动模拟、所述分水口多工况组合模拟、所述全线恒定流过程模拟分析、所述正常启停过度过程模拟及所述紧急停机过程模拟功能模块实现。
作为本技术方案的进一步限定,所述瞬变流仿真依托所述正常启停过度过程模拟及所述紧急停机过程模拟功能模块实现。
作为本技术方案的进一步限定,所述管道水动力学过程模拟过程如下:
有压管道非恒定流基本方程及解法:
压力管道中的水力瞬变由下述一对偏微分方程描述:
其中:H为从基准线算起的测压管水头(m);
V为断面平均流速(m/s);
f为沿程阻力系数;
D是管道直径(m);
a为水击波速(m/s);
g为重力加速度(取9.81m/s2);
x、t分别表示距离(m)和时间(s);
式(1)和(2)为双曲型偏微分方程组,采用特征线方法,偏微分方程可以转化为两对常微分方程:
对于给定管道,水击波速可认为是常数,对于钢管、钢衬有压隧洞水击波速较高,通常取1000m/s左右,其特征线为直线;
沿特征线对上述常微分方程进行差分,可得如下的差分方程:
C+:HPi=CP-BPQPi (5)
C-:HPi=CM+BMQPi (6)
式中:QPi为待求流量;
HPi为待求水头;
系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量,具体表达式为:
CP=Hi-1+BQi-1,BP=B+R|Qi-1|
CM=Hi+1-BQi+1,BM=B+R|Qi+1|
联立求解方程(5)和(6)得
求出流量后,可以根据(5)或(6)得出测压管水头。
作为本技术方案的进一步限定,所述3D调度系统仿真边界条件:
水泵:
在泵站的水力瞬变计算中,需要知道水泵在各个运行工况下的特性,即全特性曲线。为了便于数值计算,Marchal、Flesch和Suter引入了水泵的无量纲参数,形成了水泵的全特性曲线,即用x=π+atn-1(q/n)作横坐标,则有:
其中,q、n、h和m分别是无量纲的流量、转速、扬程和转矩,其定义为:
其中中,下标r表示设计工况;
在水泵的全特性曲线上,可将水泵的运动分成四个区,即水轮机工况区(x=0~π/2,q≤0,n<0)、倒流正转制动区(x=π/2~π,q<0,n≥0)、水泵工况区(x=π~3π/2,q≥0,n≥0)和倒转正流制动区(x=3π/2~2π,q>0,n<0)。此定义的显著优点是,除了流量q和转速n同时为零外,对于任意的q和n都是成立的;
水泵的比转速公式如下:
其中:N、Q、H分别为水泵的转速(r/min)、流量(m3/s)和扬程(m),下标表示设计工况;
单泵的边界条件由能量方程及泵和电机的转动方程组成。水泵的水头平衡方程为:
H=HP2-HP1+ΔHP (11)
其中,H为水泵扬程(m),ΔHP为水泵出口止回阀的水头损失(m),HP1和HP2分别是水泵进口和止回阀出口的测压管水头(m);
对水泵进口处,C+特征线相容方程成立
HP1=CP-BPQ (12)
在止回阀出口处,C-特征线相容方程成立
HP2=CM+BMQ (13)
其中:HP1和HP2分别为水泵进口和止回阀出口的待求水头压力(m);Q为待求的水泵流量(m3/s);
系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量,具体表达式参见式(5)和(6);止回阀水头损失可以写成
其中:ΔHr为止回阀开度系数为1.0时的阀门水头损失(m);
q为水泵的无量纲流量,引入绝对值可考虑水流不同的流动方向;
τ为阀门的相对开度;
由式(8)和(9)可知
H=Hrh=Hr(q2+n2)WH(x) (15)
将式(12)~式(15)代入式(11)并整理可得
式(16)中的未知量WH(x)可采用线性插值方法确定,即
其中,x∈[xi,xi+1];
水泵机组的转动方程为:
其中:GD2为水泵机组转动部分加上进入该部分液体的转动惯量;
Mg为电机转矩;
M为泵的轴力矩;
在水泵断电情况下,电机转矩为零,式(18)的无量纲形式为:
当额定功率以kW计,转动惯量以t·m2计,额定转速用r/min表示时
对式(19)积分,并整理可得
其中:下标0表示上一时刻的物理量,Δt是时间步长;
根据式(8)及(21)可以改写成
上式中的未知量WB(x)也可利用线性插值方法得到,如下:
式(16)和(22)中有两个无量纲未知量q和n,可采用牛顿迭代法求解;
水泵起动时,为了减小水泵电机的负荷力矩,通常把止回阀保持在关闭状态,而当水泵达到额定转速后,才逐渐打开止回阀。在计算水泵起动时通常假设转速是从静止状态线性升高到额定转速。转速线性升高的时间Ts一般小于从起动电钮到达全速所需的时间。一种近似的做法是把总的起动时间减少1/3,然后按线性速度升高;
转速的变化为:
输水管线进出口的水库边界:
系统在水力瞬变过程中,可以认为水库的水位不变,即:
zP(HP)=const (25)
将上式与对应的进出口特征方程联立,可以构建进口、出口水库的求解方程;
前池:
泵站均从各自的前池取水,前池有自由水面,同时又承接上游泵站的来水,若以下标up表示前池进水管道断面;下标down表示前池出水管道断面;Hup、Qdown分别为前池进水管道断面的压力水位和流量;Hdown、Qdown分别为前水池出水管道断面的压力水位和流量;Zres、Ares分别为前水池的水位与平面调蓄面积,根据水量平衡原理,前池的水位波动应满足:
前池进水口与出水口断面可认为其瞬时压力相等,即有:
Hup=Hdown=Zres (27)
前池进口处,C+特征线相容方程成立
Hup=CP-BPQup (28)
前池出口处,C-特征线相容方程成立
Hdown=CM+BMQdown (29)
以上诸式联立,可求出进出前池的流量和前池水位;
管道糙率参数识别:
对于有压输水系统而言,管道糙率计算公式为:
其中:hf是两测量断面间的水头损失;
D是管道的等效直径;
l是两监测断面间的距离;
流量、水位等物理量的监测精度对于糙率的率定结果具有十分重要的影响,有压输水系统糙率的相对不确定度可表示为:
从式(31)知,影响有压输水系统糙率不确定度的因素包括:沿程水头损失测量误差、管道直径的测量误差、断面间长度测量误差和流量测量误差,利用此式可以对糙率的率定误差进行评估;
系统集成:
开发带基础界面的水力仿真应用模块,包括:运行工况设定界面,例如正常运行工况、机组启动工况、正常停机工况、事故停机工况;主要参数输入界面;计算时间设定界面例如设定计算步长、计算总时长、开关泵时间;仿真结果展示及关键参数分析界面;糙率率定界面。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果是:
1、实现调水系统统一调度管理;实时掌握工程运行状态和供水调度运行状态,对输水运行进行预警分析,进行调度方案模拟分析,快速制定出最优调度方案,通过控制性建筑物将水量配置到水厂或各用水单元,实现对调水系统中水的统一调度管理,提高调度管理水平。
2、提高泵站调度工程建设的工作效率;通过智能调水系统的建设,服务工程建设和日常运营,提高项目建设分析和预测水平,为工程建设发展以及管理决策提供有效的支持,将有效避免由于传统管理模式中间环节复杂而引发的工程管理及运行等方面的问题,有力增强信息的科学性、准确性、时效性,提高对工程建设的管理能力、对突发事件的决策能力、对日常运维的调度能力。更好地简化业务工作流程,提高工作效率。
3、实现资源共享;通过各项资源库以及资源访问接口的建设,实现信息资源的多渠道共享和未来的整合,使之成为能够服务于其他应用和信息资源交换与共享的支撑平台。通过信息的整合分类,建立统一、有效的信息资源库,以实现信息资源的统一管理和共享。
4、其他系统可以借助于经过整合的资源库,获得大量的、以前难以获取的业务数据,经过整理分析,为负责北京市水利工程的运行调度工作的各级领导及工作人员提供业务支撑,创造更大的经济社会效益。
附图说明
图1为本发明的泵站水动力性能仿真模块三维浏览示意图。
图2为本发明的泵站水动力性能仿真模块自动漫游示意图。
图3为本发明的管道水动力学过程模拟模块实际运用示意图。
图4为本发明的排气阀多工况响应模拟模块示意图。
图5为本发明的分水口多工况组合模拟示意图。
图6为本发明的全线恒定流过程模拟分析示意图。
图7为本发明的正常启停过度过程模拟示意图。
图8为本发明的紧急停机过程模拟示意图。
图9为本发明的智能监测模块的三维实时数据查看示意图。
图10为本发明的有压流特征线网格。
图11为本发明的水泵边界示意图。
图12为本发明的水锤泄放阀原理图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的一个具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
数字孪生及一维水动力力模型的多级泵站智慧调度系统的研发工作,按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求,从数字化场景、智慧化模拟、精准化决策多个方面进行探索和研究,全面推进算据、算法、算力建设,构建具有预报、预警、预演、预案功能的多级泵站输水系统的数字孪生体系。
利用已有工程信息及设计图纸成果,结合无人机航拍、无人船水下地形采集、激光扫描仪等信息采集手段,实现多级泵站输水系统运行管理的可视化应用构建。
融合水库、泵站、渠道、阀门、水闸的实时水情、流量、角度、设备运行状况等数据,实现实体工程与虚拟工程映射,将工程运行预案在孪生平台上进行仿真预演和调度方案的滚动优化,实现调度方案的在线调整与优化,实现泵站工程经济运行,提升工程运行管理的智慧化水平。
本项目将围绕泵站调水系统的建设和运行管理目标,利用先进的信息化技术,建设智能调水系统,为水资源统一调配管理提供全面综合的信息服务,为北京境内的工程调度运行提供决策支持,满足北京市水利工程的运行调度业务管理需求,提高常态和非常态运行方式下工程运行调度的快速反应与处置能力,保障泵站调水系统的安全运行和供水安全。
智能调水系统作为泵站调水调度的核心支撑手段,是提升泵站调水运行效率和水资源优化配置的有力工具,也是与其他管理部门工作协同、信息共享的桥梁和纽带。项目实施后能提高市水利工程的供水调度能力。实现水资源的合理、高效利用,全面提升水资源的承载能力,支持经济社会实现全面可持续发展。
如图1-图12所示,本发明包括3D调度系统,所述3D调度系统包括如下功能模块:泵站水动力性能仿真、泵站前池三维流动模拟、管道水动力学过程模拟、排气阀多工况响应模拟、分水口多工况组合模拟、全线恒定流过程模拟分析、正常启停过度过程模拟、紧急停机过程模拟、大屏展示及智能监测模块。
所述泵站水动力性能仿真,将虚拟现实和数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,开发梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真系统,服务于调水运行管理。
流域仿真模拟是将虚拟现实技术与流域数值模拟相结合而形成的支撑流域综合管理的新型手段和方法。虚拟现实可以为用户提供身临其境般的交互式仿真环境,比一般可视化仿真有更优越的沉浸感和交互性;而数值模拟主要关心流域水循环过程及其调控耦合系统的模拟预测,更具有专业特色,是流域仿真模拟的核心引擎,可以为流域管理辅助决策提供依据。水动力性能仿真将虚拟现实和数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,开发梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真系统,服务于调水运行管理。
具有自适应调整视点的虚拟环境漫游。系统提供通过鼠标和键盘改变视点视角和位置的手动漫游控制方式,还可以预定制漫游路径实现自动巡航。自适应调整是在视点接近地形地物表面时,启动碰撞检测功能避免视点穿越物体而有“违和”感。漫游和碰撞检测功能的结合增强了用户在虚拟环境中真实沉浸感。
水质迁移转化3D。基于水质模型计算结果或监测数据,通过标量场的可视化表达方式。根据模拟或监测结果以不同颜色梯度变化映射不同的水质浓度,在三维虚拟环境中直观展现河道水质浓度的沿程变化过程。
工程方案论证。以往的工程方案基于二维可视化平台规划设计,简单的点、线、面所表达的工程方案不够清晰直观,难于理解和多方案比选。而虚拟现实技术生成的三维场景具有真实的立体感、高度的沉浸感和良好的交互特性。在计算机生成的虚拟环境中,根据规则模型的实际尺寸建模,然后与场景融合,对比多种方案的空间布置和模拟不同方案的效果,确定最终方案。
所述泵站前池三维流动模拟,构建泵站前池三维模型,并根据水动力学实验相关参数,确定前池水位变化及流动方向,实现前池三维流动模拟的功能,同时给出泵站前池内水位、温度等信息实时显示。
所述管道水动力学过程模拟,将虚拟现实和流域数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,服务于调水运行管理。
流域仿真模拟是将虚拟现实技术与流域数值模拟相结合而形成的支撑流域综合管理的新型手段和方法。虚拟现实可以为用户提供身临其境般的交互式仿真环境,比一般可视化仿真有更优越的沉浸感和交互性;而流域数值模拟主要关心流域水循环过程及其调控耦合系统的模拟预测,更具有专业特色,是流域仿真模拟的核心引擎,可以为流域管理辅助决策提供依据。水动力性能仿真将虚拟现实和流域数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,服务于调水运行管理。
所述排气阀多工况响应模拟,水库的调节是通过排气阀的控制实现的,构建排气阀的三维仿真模型,利用鼠标操纵实现排气阀的启闭,或者基于远程自动化调度指令信息实现阀门的自动启闭,实现排气阀开启关闭的3D查看,并实时显示出库流量、流速等信息。
所述分水口多工况组合模拟,建设分水口的三维仿真模型,监测各分水口流量、流速等关键信息,实现各分水口的3D查看,通过监测数据计算分析,模拟各分水口多工况多情形下的系统整体运行状况,并依据模拟结果调整系统整体运行参数。
所述全线恒定流过程模拟分析,集成全线恒定流过程模拟分析数据,基于以上数据,实现模拟分析系统对每个单元流量、流速的3D查看功能。
所述正常启停过度过程模拟,泵站的启泵水位如果设置不合理,会造成水泵频繁启停,人工调试的方法复杂,效率较低,系统集成正常启停过度过程的模拟数据,获取最佳启泵水位,并进行3D模拟。
所述紧急停机过程模拟,泵站的启泵水位如果设置不合理,会造成水泵频繁启停,人工调试的方法复杂,效率较低,系统集成紧急停机过程模拟数据,实现紧急停机的3D模拟。
所述大屏展示,预留大屏支撑接口,实现整个3D系统的大屏展示。
所述智能监测模块,集成泵站数据监测等系统,开发实现泵站实时数据的3D查看、异常数据的三维快速定位与报警。
所述泵站水动力性能仿真,构建泵站三维模型,实现三维模型与数据库的动态交互,在该功能模块下可实现如下功能:
功能一:属性查看,点击需要查看的设备,可实时显示设备名称、转速、振动、流量、压力等信息;
功能二:三维浏览,利用鼠标或键盘实现对泵站的360度无死角的手动三维浏览;
功能三:自动漫游,根据预定制的漫游路径实现自动漫游,在自由漫游和自动漫游功能中启动碰撞检测功能,增强用户在虚拟环境中的真实沉浸感;
功能四:快速定位,通过输入设备编号,可快速定位到该设备所在位置;
功能五:水质迁移转化3D,基于水质模型计算结果或监测数据,通过标量场的可视化表达方式,以不同颜色梯度变化映射不同的水质浓度,在三维虚拟环境中直观展现河道水质浓度的沿程变化过程;
功能六:工程方案论证的3D,以往的工程方案基于二维可视化平台规划设计,简单的点、线、面所表达的工程方案不够清晰直观,难于理解和多方案比选。而虚拟现实技术生成的三维场景具有真实的立体感、高度的沉浸感和良好的交互特性,在计算机生成的虚拟环境中,根据规则模型的实际尺寸建模,然后与场景融合,对比多种方案的空间布置和模拟不同方案的效果,确定最终工程方案。
所述管道水动力学过程模拟,构建管道三维模型,实现三维模型与数据库的交互动态查询,在该功能模块下,可以实现如下功能:
功能一:属性查看,点击需要查看相应位置的管道,可实时显示管道内水流量、压力、管径、管道埋深、管道编号等信息;
功能二:三维浏览,利用鼠标或键盘可对管道走向、管道位置信息等进行三维浏览查看;
功能三:快速定位,通过输入管道编号,可快速定位到该管道所在位置;
功能四:仿真动画,集成水动力数据,展示某一选定截面管道内水流仿真动画。
所述智能监测模块,可以实现如下功能:
功能一:三维浏览,利用鼠标或键盘可对管道走向、管道位置信息等进行三维浏览查看;
功能二:快速定位,通过输入管道编号,可快速定位到该管道所在位置;
功能三:三维实时数据查看,集成泵站数据监测等系统,实现泵组实时数据的三维在线查看;
功能四:有异常数据时候,系统快速定位到异常设备,并弹出提示信息和可能的处置措施。
图1-图9均为已建工程示例,根据本项目实际情况,在原有软件成果基础上进行定制开发,以满足本项目实际需要。济南市卧虎山水库至锦绣川水库连通调水工程应用所述3D调度系统,基于水质模型数据、水力学相关数据、属性信息数据、自动化控制系统数据、水情数据、监测数据、调度数据、全线恒定流过程模拟数据、正常启停过度过程模拟数据、紧急停机过程模拟数据等数据,将看不见摸不着的数据比较直观的展示在三维环境中。
所述3D调度系统实现:
恒定流仿真;
瞬变流仿真:水泵启动与泵站联调工况、水泵正常停机与泵站联调工况及水泵事故停机与泵站联调工况;
管道糙率参数识别;
泵站联调方案存储。
作为本技术方案的进一步限定,所述恒定流仿真依托所述泵站水动力性能仿真、所述泵站前池三维流动模拟、所述分水口多工况组合模拟、所述全线恒定流过程模拟分析、所述正常启停过度过程模拟及所述紧急停机过程模拟功能模块实现。
作为本技术方案的进一步限定,所述瞬变流仿真依托所述正常启停过度过程模拟及所述紧急停机过程模拟功能模块实现。
作为本技术方案的进一步限定,所述管道水动力学过程模拟过程如下:
有压管道非恒定流基本方程及解法:
压力管道中的水力瞬变由下述一对偏微分方程描述:
其中:H为从基准线算起的测压管水头(m);
V为断面平均流速(m/s);
f为沿程阻力系数;
D是管道直径(m);
a为水击波速(m/s);
g为重力加速度(取9.81m/s2);
x、t分别表示距离(m)和时间(s);
式(1)和(2)为双曲型偏微分方程组,采用特征线方法,偏微分方程可以转化为两对常微分方程:
对于给定管道,水击波速可认为是常数,对于钢管、钢衬有压隧洞水击波速较高,通常取1000m/s左右,其特征线为直线;
沿特征线对上述常微分方程进行差分,可得如下的差分方程:
C+:HPi=CP-BPQPi (5)
C-:HPi=CM+BMQPi (6)
式中:QPi为待求流量;
HPi为待求水头;
系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量,具体表达式为:
CP=Hi-1+BQi-1,BP=B+R|Qi-1|
CM=Hi+1-BQi+1,BM=B+R|Qi+1|
联立求解方程(5)和(6)得
求出流量后,可以根据(5)或(6)得出测压管水头。
作为本技术方案的进一步限定,所述3D调度系统仿真边界条件:
水泵:
在泵站的水力瞬变计算中,需要知道水泵在各个运行工况下的特性,即全特性曲线。为了便于数值计算,Marchal、Flesch和Suter引入了水泵的无量纲参数,形成了水泵的全特性曲线,即用x=π+atn-1(q/n)作横坐标,则有:
其中,q、n、h和m分别是无量纲的流量、转速、扬程和转矩,其定义为:
其中中,下标r表示设计工况;
在水泵的全特性曲线上,可将水泵的运动分成四个区,即水轮机工况区(x=0~π/2,q≤0,n<0)、倒流正转制动区(x=π/2~π,q<0,n≥0)、水泵工况区(x=π~3π/2,q≥0,n≥0)和倒转正流制动区(x=3π/2~2π,q>0,n<0)。此定义的显著优点是,除了流量q和转速n同时为零外,对于任意的q和n都是成立的;
水泵的比转速公式如下:
其中:N、Q、H分别为水泵的转速(r/min)、流量(m3/s)和扬程(m),下标表示设计工况;
单泵的边界条件由能量方程及泵和电机的转动方程组成。水泵的水头平衡方程为:
H=HP2-HP1+ΔHP (11)
其中,H为水泵扬程(m),ΔHP为水泵出口止回阀的水头损失(m),HP1和HP2分别是水泵进口和止回阀出口的测压管水头(m);
对水泵进口处,C+特征线相容方程成立
HP1=CP-BPQ (12)
在止回阀出口处,C-特征线相容方程成立
HP2=CM+BMQ (13)
其中:HP1和HP2分别为水泵进口和止回阀出口的待求水头压力(m);
Q为待求的水泵流量(m3/s);
系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量,具体表达式参见式(5)和(6);
止回阀水头损失可以写成
其中:ΔHr为止回阀开度系数为1.0时的阀门水头损失(m);
q为水泵的无量纲流量,引入绝对值可考虑水流不同的流动方向;
τ为阀门的相对开度;
由式(8)和(9)可知
H=Hrh=Hr(q2+n2)WH(x) (15)
将式(12)~式(15)代入式(11)并整理可得
式(16)中的未知量WH(x)可采用线性插值方法确定,即
其中,x∈[xi,xi+1];
水泵机组的转动方程为:
其中:GD2为水泵机组转动部分加上进入该部分液体的转动惯量;
Mg为电机转矩;
M为泵的轴力矩;
在水泵断电情况下,电机转矩为零,式(18)的无量纲形式为:
当额定功率以kW计,转动惯量以t·m2计,额定转速用r/min表示时
对式(19)积分,并整理可得
其中:下标0表示上一时刻的物理量,Δt是时间步长;
根据式(8)及(21)可以改写成
上式中的未知量WB(x)也可利用线性插值方法得到,如下:
式(16)和(22)中有两个无量纲未知量q和n,可采用牛顿迭代法求解;
水泵起动时,为了减小水泵电机的负荷力矩,通常把止回阀保持在关闭状态,而当水泵达到额定转速后,才逐渐打开止回阀。在计算水泵起动时通常假设转速是从静止状态线性升高到额定转速。转速线性升高的时间Ts一般小于从起动电钮到达全速所需的时间。一种近似的做法是把总的起动时间减少1/3,然后按线性速度升高;
转速的变化为:
输水管线进出口的水库边界:
系统在水力瞬变过程中,可以认为水库的水位不变,即:
zP(HP)=const (25)
将上式与对应的进出口特征方程联立,可以构建进口、出口水库的求解方程;
前池:
泵站均从各自的前池取水,前池有自由水面,同时又承接上游泵站的来水,若以下标up表示前池进水管道断面;下标down表示前池出水管道断面;Hup、Qdown分别为前池进水管道断面的压力水位和流量;Hdown、Qdown分别为前水池出水管道断面的压力水位和流量;Zres、Ares分别为前水池的水位与平面调蓄面积,根据水量平衡原理,前池的水位波动应满足:
前池进水口与出水口断面可认为其瞬时压力相等,即有:
Hup=Hdown=Zres (27)
前池进口处,C+特征线相容方程成立
Hup=CP-BPQup (28)
前池出口处,C-特征线相容方程成立
Hdown=CM+BMQdown (29)
以上诸式联立,可求出进出前池的流量和前池水位;
管道糙率参数识别:
对于有压输水系统而言,管道糙率计算公式为:
其中:hf是两测量断面间的水头损失;
D是管道的等效直径;
l是两监测断面间的距离;
流量、水位等物理量的监测精度对于糙率的率定结果具有十分重要的影响,有压输水系统糙率的相对不确定度可表示为:
从式(31)知,影响有压输水系统糙率不确定度的因素包括:沿程水头损失测量误差、管道直径的测量误差、断面间长度测量误差和流量测量误差,利用此式可以对糙率的率定误差进行评估;
系统集成:
开发带基础界面的水力仿真应用模块,包括:运行工况设定界面,例如正常运行工况、机组启动工况、正常停机工况、事故停机工况;主要参数输入界面;计算时间设定界面例如设定计算步长、计算总时长、开关泵时间;仿真结果展示及关键参数分析界面;糙率率定界面。
全线故障仿真:
故障分为影响水量总体分配故障和不影响水量总体分配故障,全线故障仿真主要包括:电气故障(电气设备、输电线路等);输水建筑物故障(隧洞坍塌、埋涵堵塞、管道爆裂等);控制测量系统故障(传感器控制信号失灵)等常见故障以及上述故障的叠加。
水锤现象:
水锤产生的条件
1)阀门突然开启或关闭;2)水泵机组突然停车或开启;3)单管向高处输水(供水地形高差超过20米);4)水泵总扬程(或工作压力)大;5)输水管道中水流速度过大;6)输水管道过长,且地形变化大。
鉴于启动水锤与正常水锤压力相对较小,仅作简单的模拟说明,重点是对于事故停泵情况下压力进行分析,根据瞬态水力分析,为计算水锤停机产生的最大水锤,采用最不利工况计算,水泵3s停车,不产生倒转。
产生水锤压力最大,超过工作压力水头的1.5倍,需要采取水锤防护措施,本工程选用泵站出口主管设置DN400水锤泄放阀。管材和管件工作压力等级根据压力包络线确定,计算最大压力水头1.3Mpa,考虑适当安全富裕,水锤泄放阀的最大压力为选择1.6Mpa。
根据GB50265-2010《泵站设计规范》,事故停泵水锤防护的主要内容应包括的几个方面为:1.防止最大水锤压力对压力管道及管道附件的破坏;2.防止压力管道内水柱断裂或出现不允许的负压;3.防止机组反转造成水泵和电动机的破坏;4.防止流到内压力波动对水泵机组的破坏。
根据规范所述的几个方面针对事故事故水锤的应对措施为:
1)液控阀动作
工作原理:
1.阀门开启:启动电机、带动油泵运转、液压油经过滤网,油泵、单向阀、电磁阀、到主油缸、推动活塞杆、带动与之相连的摇臂,此时阀轴及蝶板转动实现阀门开启。
2.阀门关闭:切断电磁阀电源(或事故突然断电),则电磁阀打开,蓄能罐里的液压油经高压球阀、电磁球阀、到油缸头部推动活塞杆做反向运动,带动摇臂及阀杆旋转实现关闭。
3.调节开关阀门:在0°~90°范围内,即蝶板可停止在任何位置,达到调节水流大小的目的。
作用:
为防止事故停泵时水锤压力过大,危及水泵和管路安全,因而选用两阶段关闭的液控缓闭止回偏心半球阀。液控缓闭止回偏心半球阀用于水泵出口处,在泵站突然停电或事故停泵时,液控阀通过预设的启闭程序,液阀门快关90%,剩余10%缓慢关闭,即防止水泵长时间超速反转,又可避免或减小管路中介质倒流产生过大水锤,保护水泵和管道系统。
2)排气阀动作
排气阀为成套控制装置,当管道在运作时出现停电停泵,会出现负压力会引起管道震动或破裂,这时进排气阀就迅速把空气吸入管道内,防止管道震动和破裂起到保护作用。排气阀的状态通过3G/4G专网传输给自控系统。
3)水锤泄放阀动作
水锤泄放阀需要预先设置安全值。压力传感器一般低于正常压力的0.15-0.2Mpa,高压先导阀设置高于正常压力的0.15-0.2Mpa。当水泵停止后,当压力达到压力传感器以及高压先导阀的设定值时阀门打开以泄压。PLC采集水锤泄放阀的动作状态。
根据规范所述的几个方面针对事故事故水锤的应对措施为:
1)液控阀动作
工作原理:
1.阀门开启:启动电机、带动油泵运转、液压油经过滤网,油泵、单向阀、电磁阀、到主油缸、推动活塞杆、带动与之相连的摇臂,此时阀轴及蝶板转动实现阀门开启。
2.阀门关闭:切断电磁阀电源(或事故突然断电),则电磁阀打开,蓄能罐里的液压油经高压球阀、电磁球阀、到油缸头部推动活塞杆做反向运动,带动摇臂及阀杆旋转实现关闭。
3.调节开关阀门:在0°~90°范围内,即蝶板可停止在任何位置,达到调节水流大小的目的。
作用:
为防止事故停泵时水锤压力过大,危及水泵和管路安全,因而选用两阶段关闭的液控缓闭止回偏心半球阀。液控缓闭止回偏心半球阀用于水泵出口处,在泵站突然停电或事故停泵时,液控阀通过预设的启闭程序,液阀门快关90%,剩余10%缓慢关闭,即防止水泵长时间超速反转,又可避免或减小管路中介质倒流产生过大水锤,保护水泵和管道系统。
2)排气阀动作
排气阀为成套控制装置,当管道在运作时出现停电停泵,会出现负压力会引起管道震动或破裂,这时进排气阀就迅速把空气吸入管道内,防止管道震动和破裂起到保护作用。排气阀的状态通过3G/4G专网传输给自控系统。
3)水锤泄放阀动作
水锤泄放阀需要预先设置安全值。压力传感器一般低于正常压力的0.15-0.2Mpa,高压先导阀设置高于正常压力的0.15-0.2Mpa。当水泵停止后,当压力达到压力传感器以及高压先导阀的设定值时阀门打开以泄压。PLC采集水锤泄放阀的动作状态。
当水泵正常运行时,水泵后的压力将高于压力传感器设定值,电磁先导阀(CT)处于关闭状态,同时,水泵后的主管压力将低于高压先导阀(PV2)设定值,高压先导阀(PV2)也处于关闭状态。由于电磁先导阀(CT)和高压先导阀(PV2)都处于关闭,主阀控制腔的压力等于主阀前压力,主阀在水力作用下,处于关闭状态。
当水泵停止后,水泵后的主管压力将降低,压力传感器(PE)感测到压力降低,低于设定值时,电磁先导阀(CT)打开。主阀控制腔的水被排出,阀门在水力作用下预先打开放水。控制器设定电磁先导阀(CT)开启状态被维持到设定时间,等待高压水波的到来。当高压水锤波到来时,高压先导阀(PV2)感测到主管压力升高,高压先导阀(PV2)打开。高于设定值时,控制腔的水被继续排出。主阀开度继续增加,将超过高压先导阀(PV2)设定的压力泄放。当阀门门泄压完毕,主管逐渐回归正常压力时,压力水通过针阀(NV)进入控制腔,将主阀阀芯压下,主阀缓慢关闭。针阀(NV)的通径较小,并且开度可调,所以主阀将缓慢关闭,以防止发生阀门快关造成的二次水锤。同时,也防止造成循环震荡。
以上公开的仅为本发明的具体实施例,但是,本发明并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,包括3D调度系统,其特征在于:
所述3D调度系统包括如下功能模块:泵站水动力性能仿真、泵站前池三维流动模拟、管道水动力学过程模拟、排气阀多工况响应模拟、分水口多工况组合模拟、全线恒定流过程模拟分析、正常启停过度过程模拟、紧急停机过程模拟、大屏展示及智能监测模块;
所述泵站水动力性能仿真,将虚拟现实和数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,开发梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真系统,服务于调水运行管理;
所述泵站前池三维流动模拟,构建泵站前池三维模型,并根据水动力学实验相关参数,确定前池水位变化及流动方向,实现前池三维流动模拟的功能,同时给出泵站前池内水位、温度等信息实时显示;
所述管道水动力学过程模拟,将虚拟现实和流域数值模拟技术两者结合起来,以利用它们各自的特点,服务于调水运行管理;
所述排气阀多工况响应模拟,水库的调节是通过排气阀的控制实现的,构建排气阀的三维仿真模型,利用鼠标操纵实现排气阀的启闭,或者基于远程自动化调度指令信息实现阀门的自动启闭,实现排气阀开启关闭的3D查看,并实时显示出库流量、流速等信息;
所述分水口多工况组合模拟,建设分水口的三维仿真模型,监测各分水口流量、流速等关键信息,实现各分水口的3D查看,通过监测数据计算分析,模拟各分水口多工况多情形下的系统整体运行状况,并依据模拟结果调整系统整体运行参数;
所述全线恒定流过程模拟分析,集成全线恒定流过程模拟分析数据,基于以上数据,实现模拟分析系统对每个单元流量、流速的3D查看功能;
所述正常启停过度过程模拟,泵站的启泵水位如果设置不合理,会造成水泵频繁启停,人工调试的方法复杂,效率较低,系统集成正常启停过度过程的模拟数据,获取最佳启泵水位,并进行3D模拟;
所述紧急停机过程模拟,泵站的启泵水位如果设置不合理,会造成水泵频繁启停,人工调试的方法复杂,效率较低,系统集成紧急停机过程模拟数据,实现紧急停机的3D模拟;
所述大屏展示,预留大屏支撑接口,实现整个3D系统的大屏展示;
所述智能监测模块,集成泵站数据监测等系统,开发实现泵站实时数据的3D查看、异常数据的三维快速定位与报警。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,其特征在于:所述3D调度系统实现:
恒定流仿真;
瞬变流仿真:水泵启动与泵站联调工况、水泵正常停机与泵站联调工况及水泵事故停机与泵站联调工况;
管道糙率参数识别;
泵站联调方案存储。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,其特征在于:所述恒定流仿真依托所述泵站水动力性能仿真、所述泵站前池三维流动模拟、所述分水口多工况组合模拟、所述全线恒定流过程模拟分析、所述正常启停过度过程模拟及所述紧急停机过程模拟功能模块实现。
4.根据权利要求2所述的基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,其特征在于:所述瞬变流仿真依托所述正常启停过度过程模拟及所述紧急停机过程模拟功能模块实现。
5.根据权利要求2所述的基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,其特征在于:所述管道水动力学过程模拟过程如下:
有压管道非恒定流基本方程及解法:
压力管道中的水力瞬变由下述一对偏微分方程描述:
其中:H为从基准线算起的测压管水头(m);
V为断面平均流速(m/s);
f为沿程阻力系数;
D是管道直径(m);
a为水击波速(m/s);
g为重力加速度(取9.81m/s2);
x、t分别表示距离(m)和时间(s);
式(1)和(2)为双曲型偏微分方程组,采用特征线方法,偏微分方程可以转化为两对常微分方程:
对于给定管道,水击波速可认为是常数,对于钢管、钢衬有压隧洞水击波速较高,通常取1000m/s左右,其特征线为直线;
沿特征线对上述常微分方程进行差分,可得如下的差分方程:
C+:HPi=CP-BPQPi (5)
C-:HPi=CM+BMQPi (6)
式中:QPi为待求流量;
HPi为待求水头;
系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量,具体表达式为:
CP=Hi-1+BQi-1,BP=B+R|Qi-1|
CM=Hi+1-BQi+1,BM=B+R|Qi+1|
联立求解方程(5)和(6)得
求出流量后,可以根据(5)或(6)得出测压管水头。
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统,其特征在于:所述3D调度系统仿真边界条件:
水泵:
在泵站的水力瞬变计算中,需要知道水泵在各个运行工况下的特性,即全特性曲线。为了便于数值计算,Marchal、Flesch和Suter引入了水泵的无量纲参数,形成了水泵的全特性曲线,即用x=π+atn-1(q/n)作横坐标,则有:
其中,q、n、h和m分别是无量纲的流量、转速、扬程和转矩,其定义为:
其中中,下标r表示设计工况;
在水泵的全特性曲线上,可将水泵的运动分成四个区,即水轮机工况区(x=0~π/2,q≤0,n<0)、倒流正转制动区(x=π/2~π,q<0,n≥0)、水泵工况区(x=π~3π/2,q≥0,n≥0)和倒转正流制动区(x=3π/2~2π,q>0,n<0)。此定义的显著优点是,除了流量q和转速n同时为零外,对于任意的q和n都是成立的;
水泵的比转速公式如下:
其中:N、Q、H分别为水泵的转速(r/min)、流量(m3/s)和扬程(m),下标表示设计工况;
单泵的边界条件由能量方程及泵和电机的转动方程组成。水泵的水头平衡方程为:
H=HP2-HP1+ΔHP (11)
其中,H为水泵扬程(m),ΔHP为水泵出口止回阀的水头损失(m),HP1和HP2分别是水泵进口和止回阀出口的测压管水头(m);
对水泵进口处,C+特征线相容方程成立
HP1=CP-BPQ (12)
在止回阀出口处,C-特征线相容方程成立
HP2=CM+BMQ (13)
其中:HP1和HP2分别为水泵进口和止回阀出口的待求水头压力(m);
Q为待求的水泵流量(m3/s);
系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量,具体表达式参见式(5)和(6);
止回阀水头损失可以写成
其中:ΔHr为止回阀开度系数为1.0时的阀门水头损失(m);
q为水泵的无量纲流量,引入绝对值可考虑水流不同的流动方向;
τ为阀门的相对开度;
由式(8)和(9)可知
H=Hrh=Hr(q2+n2)WH(x) (15)
将式(12)~式(15)代入式(11)并整理可得
式(16)中的未知量WH(x)可采用线性插值方法确定,即
其中,x∈[xi,xi+1];
水泵机组的转动方程为:
其中:GD2为水泵机组转动部分加上进入该部分液体的转动惯量;
Mg为电机转矩;
M为泵的轴力矩;
在水泵断电情况下,电机转矩为零,式(18)的无量纲形式为:
当额定功率以kW计,转动惯量以t·m2计,额定转速用r/min表示时
对式(19)积分,并整理可得
其中:下标0表示上一时刻的物理量,Δt是时间步长;
根据式(8)及(21)可以改写成
上式中的未知量WB(x)也可利用线性插值方法得到,如下:
式(16)和(22)中有两个无量纲未知量q和n,可采用牛顿迭代法求解;
水泵起动时,为了减小水泵电机的负荷力矩,通常把止回阀保持在关闭状态,而当水泵达到额定转速后,才逐渐打开止回阀。在计算水泵起动时通常假设转速是从静止状态线性升高到额定转速。转速线性升高的时间Ts一般小于从起动电钮到达全速所需的时间。一种近似的做法是把总的起动时间减少1/3,然后按线性速度升高;
转速的变化为:
输水管线进出口的水库边界:
系统在水力瞬变过程中,可以认为水库的水位不变,即:
zP(HP)=const (25)
将上式与对应的进出口特征方程联立,可以构建进口、出口水库的求解方程;
前池:
泵站均从各自的前池取水,前池有自由水面,同时又承接上游泵站的来水,若以下标up表示前池进水管道断面;下标down表示前池出水管道断面;Hup、Qdown分别为前池进水管道断面的压力水位和流量;Hdown、Qdown分别为前水池出水管道断面的压力水位和流量;Zres、Ares分别为前水池的水位与平面调蓄面积,根据水量平衡原理,前池的水位波动应满足:
前池进水口与出水口断面可认为其瞬时压力相等,即有:
Hup=Hdown=Zres (27)
前池进口处,C+特征线相容方程成立
Hup=CP-BPQup (28)
前池出口处,C-特征线相容方程成立
Hdown=CM+BMQdown (29)
以上诸式联立,可求出进出前池的流量和前池水位;
管道糙率参数识别:
对于有压输水系统而言,管道糙率计算公式为:
其中:hf是两测量断面间的水头损失;
D是管道的等效直径;
l是两监测断面间的距离;
流量、水位等物理量的监测精度对于糙率的率定结果具有十分重要的影响,有压输水系统糙率的相对不确定度可表示为:
从式(31)知,影响有压输水系统糙率不确定度的因素包括:沿程水头损失测量误差、管道直径的测量误差、断面间长度测量误差和流量测量误差,利用此式可以对糙率的率定误差进行评估;
系统集成:
开发带基础界面的水力仿真应用模块,包括:运行工况设定界面,例如正常运行工况、机组启动工况、正常停机工况、事故停机工况;主要参数输入界面;计算时间设定界面例如设定计算步长、计算总时长、开关泵时间;仿真结果展示及关键参数分析界面;糙率率定界面。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310373354.XA CN116432958A (zh) | 2023-04-04 | 2023-04-04 | 一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310373354.XA CN116432958A (zh) | 2023-04-04 | 2023-04-04 | 一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116432958A true CN116432958A (zh) | 2023-07-14 |
Family
ID=87086799
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202310373354.XA Pending CN116432958A (zh) | 2023-04-04 | 2023-04-04 | 一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116432958A (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117150608A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-12-01 | 樊仕宝 | 一种高精度水工模型试验方法和系统 |
CN117371990A (zh) * | 2023-11-07 | 2024-01-09 | 华能澜沧江水电股份有限公司黄登·大华桥水电厂 | 基于物联网的水电厂工具智能管理平台 |
-
2023
- 2023-04-04 CN CN202310373354.XA patent/CN116432958A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117150608A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-12-01 | 樊仕宝 | 一种高精度水工模型试验方法和系统 |
CN117371990A (zh) * | 2023-11-07 | 2024-01-09 | 华能澜沧江水电股份有限公司黄登·大华桥水电厂 | 基于物联网的水电厂工具智能管理平台 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN116432958A (zh) | 一种基于数字孪生及一维水力模型的多级泵站智慧调度系统 | |
AU2020101392A4 (en) | Water quality prediction method and system based on water quality model | |
CN109460834A (zh) | 建筑运维管理系统及其管理方法 | |
CN108894282A (zh) | 市政管网运行安全动态预警方法 | |
CN113074324B (zh) | 基于城市供水管网运行安全动态预警的数据库及建立方法 | |
CN112187932A (zh) | 基于边缘计算的中小型水库大坝智能监测预警方法 | |
JP5004498B2 (ja) | ポンプ運転支援システム | |
CN115204060A (zh) | 一种饮用水源地水质多维模型快速预警方法及系统 | |
CN116911820A (zh) | 一种用于水电站机组检修的数字全息化管控系统 | |
Zheng | Research and analysis on the application of digital twin technology in urban rail transit | |
CN113989438A (zh) | 一种实现火电厂全流程三维可视化方法和系统 | |
CN112231877B (zh) | 模拟核电厂第一跨厂房泄洪方案的方法和装置 | |
CN113837453A (zh) | 深层污水排水隧道智慧运营系统 | |
CN117592257A (zh) | 一种闸控水网数字孪生模型的构建方法及系统 | |
CN113158335A (zh) | 船舶电控气缸注油可视化方法、系统、装置和存储介质 | |
CN117519038A (zh) | 一种化学工业生产场景模拟测试系统 | |
Ying et al. | Study on flow parameters optimisation for marine gas turbine intercooler system based on simulation experiment | |
CN115935566A (zh) | 天然气管网的模拟仿真方法、系统、存储介质和电子设备 | |
Saeed et al. | Modelling oil pipelines grid: Neuro-fuzzy supervision system | |
CN116484466A (zh) | 一种基于数字孪生的梯级泵站引调水工程调度系统 | |
CN107066717A (zh) | 基于三维虚拟场景工程机械布局方法和系统 | |
CN109711001B (zh) | 基于柔性化子系统划分和场景属性聚类的水电站多维全数字建模方法 | |
Wei et al. | Research and Application of Digital Twin in the Field of Hydropower Stations | |
Ye et al. | Research on integration application of BIM technology in water conservancy and hydropower automation system | |
Pitorac | Upgrading of Hydropower plants to pumped storage plants: tunnel system hydraulics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |