CN116557307A - 一种立式轴流泵装置的优化方法及优化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立式轴流泵装置的优化方法及优化系统，方法包括：调用泵装置中的传感器数据，基于传感器数据对虚拟实体进行建模、调节及仿真预测，来对流道内的水体进行三维数值模拟，同时传递给物理实体，进行虚实交互；基于数字孪生系统对泵装置运行状态进行优化识别，通过数据库存储的泵站运行数据对泵装置效率进行判别，通过判别结果确定所述泵装置的优化目标；确定优化目标后，调用数据库中的运行方案，通过比较获取最优运行方案并录入所述数据库，同时判断最优运行方案的可行性。本发明可以通过得到的优化方案来实时调节进出水流道相关活动部件的位置，以改善进出水流道的水流流态，提高泵装置的效率，进而提升泵系统的整体性能。

Description

一种立式轴流泵装置的优化方法及优化系统
技术领域
本发明涉及水力优化技术领域，尤其涉及一种立式轴流泵装置的优化方法及优化系统。
背景技术
目前国内，低扬程泵站在水资源的配置、调度、灌溉，以及居民生活供水等领域都存在广泛应用。国内外的大部分泵站优化相关性研究只是针对于泵段叶轮等过流部件的优化设计，其效率在特定的工况下可以达到极高的程度，而泵装置的优化还留有探索的空间。为了提高泵整体系统的运行效率，本发明以数字孪生技术为基础，建立数字孪生泵装置模型，通过采用CFD仿真模拟优化等方法，得到泵装置最优运行方案，来对泵装置进行实时优化。在改变传统的泵装置内的固定式部件为活动部件的同时，面对不同运行工况条件下，泵站可以通过得到的优化方案来实时调节进出水流道相关活动部件的位置，以改善进出水流道的水流流态，提高泵装置的效率，进而提升泵系统的整体性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种立式轴流泵装置的优化方法及优化系统，面对不同运行工况条件下，泵站可以通过得到的优化方案来实时调节进出水流道相关活动部件的位置，以改善进出水流道的水流流态，提高泵装置的效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种立式轴流泵装置的优化方法，包括：
调用泵装置中的传感器数据，基于所述传感器数据对虚拟实体进行建模、调节及仿真预测，对流道内的水体进行三维数值模拟与寻优，同时传递信号给传送装置，进行虚实交互；
基于数字孪生系统对所述泵装置运行状态进行优化识别，通过数据库存储的泵站运行数据对所述泵装置效率进行判别，通过判别结果确定所述泵装置的优化目标；
确定优化目标后，调用所述数据库中的运行方案，通过比较获取最优运行方案并录入所述数据库。
优选地，调用所述泵装置中的传感器数据，包括：
通过数字孪生泵装置模型调用泵站运行时的传感器数据，反馈到数字孪生模型中，通过CFD的模拟仿真计算，获得泵装置的计算数据；其中，所述传感器数据包括水位、流量、流速、转速、压强以及泵装置位移信号；
优选地，对所述虚拟实体进行调节及仿真预测，包括：
基于所述泵装置的计算数据，通过数字孪生模型的虚拟现实交互以及计算流体力学的方法对所述泵装置运行进行仿真预测、调控和性能优化，并将所述计算数据传递给泵装置运行数据库进行储存。
优选地，所述泵装置运行数据库中存储有若干泵装置的实际运行数据和优化方案，还能够根据泵站的运行进行实时存储和更新。
优选地，基于数字孪生系统对所述泵装置运行状态进行优化识别，并通过数据库存储的泵站运行数据对所述泵装置效率进行判别，包括：
基于泵装置优化运行程序判断识别泵站进出水流道装置的优化对象，通过内部存储的优化算法，对符合条件的目标进行实时优化；
从所述数据库中相似运行方案开始进行CFD计算，并进行记录和自动比对，按最符合可行性、高效性的方案进行实施，发出优化调节信号，获得泵装置运行效率。
优选地，通过判别结果确定所述泵装置的优化目标，包括：
基于所述数据库中存储的泵站运行数据记录，对所述泵装置效率进行判别，若泵装置效率低于设定值，则系统通过数据库和预设的优化算法获取其对应状态下的优化方案；若泵装置效率高于设定值，则无需优化。
优选地，判断所述最优运行方案的可行性，包括：
确定所述优化目标后，调用泵站数据库中相似运行方案，通过调取优化算法对所述运行方案进行比较，获得最优运行方案并录入数据库，同时判断所述最优运行方案的可行性，若方案可行，则确定泵站进出水流道内各个可调节部件的调节参数，将调节信号传输给传动系统，若所述最优运行方案不能达成优化目的，则此次优化结束。
本发明还提供了一种立式轴流泵装置的优化方法的优化系统，包括：
泵装置数字孪生系统：用于建立泵装置数字孪生模型，并加入CFD仿真计算程序和优化程序，获取泵装置的优化方案并命令传动系统动作，进行虚实交互；
传动系统：用于链接所述泵装置数字孪生系统和泵装置，通过接受所述泵装置数字孪生系统的指令，作用于所述泵装置，调节所述泵装置所处位置；
泵装置：用于诱导水流的进出，并通过所述泵装置的可调节性，在所述传动系统的作用下，改变自身位置，优化流道结构。
优选地，所述传动系统包括进水流道传动子系统和出水流道传动子系统，所述进水流道传动子系统用于根据所述泵装置数字孪生系统的第一调节信号控制进水流道的水流流态；所述出水流道传动子系统用于根据所述泵装置数字孪生系统的第二调节信号调节出水流道的流速分布。
优选地，所述泵装置包括：泵站进水流道、泵站出水流道和泵本体；
所述泵站进水管道包括喇叭管，所述喇叭管细端的管壁外侧设置有伸缩节和密封圈，所述喇叭管细端的管壁外侧还对称设置有接力器，所述接力器接收所述第一调节信号通过改变伸缩节的长度调节所述喇叭管的高度；
所述泵站出水流道包括闸门盖板，所述闸门盖板内部中空且一端口的直径小于另一端口，所述闸门盖板固定连接有配重块，所述配重块用于固定泵段主轴，所述闸门盖板侧壁与混凝土壁面之间装有可移动支架，所述可移动支架一端连接有钩索，所述钩锁与所述出水流道传动子系统连接，所述闸门盖板直径大的一端安装有橡胶垫圈。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明通过系统内置的程序可极大限度的对进出水流道实现自动调节优化，在面对不同工况条件下，都可以很好地改善进出水流道的水流流态，提高泵装置的效率，提升机组的整体性能；并且泵装置的调节范围从实际上无过多限制，将泵装置极限调节位置时还可以当作闸门起到关闭进水流道和出水流道的作用，为泵站节约下进出口闸门的土建成本，能起到优化泵站空间布局的作用。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的种立式轴流泵装置的优化方法流程图；
图2为本发明实施例的泵装置数字孪生系统优化程序图；
图3为本发明实施例的上层出水流道装置图；
图4为本发明实施例的下层进水流道装置图；
图5为本发明实施例的下层进水流道装置局部示意图；
其中，1、电机；2、配重块；3、闸门盖板；4、吊物孔；5、可移动支架；6、橡胶垫圈；7、伸缩节；8、喇叭管；9、接力器；10、密封圈。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提出了一种立式轴流泵的优化方法及优化系统，
优化方法具体步骤如下(如图1、图2)：
步骤一：
设置传感器来采集水位、流量、流速、转速、压强以及泵装置位移信号。通过调用泵站运行时的进出水流道流量，流速，转速以及进出水流道各采样点的压强等相关传感器数据，来反馈到已建立的泵装置模型中，通过数字孪生模型的虚拟现实交互以及计算流体力学的方法，可以实现对流道内部流态的实时预测、调控和性能优化。同时随着泵站运行数据存入数据库，不断更新数据库，泵装置模型的精确度也会随之提高。
泵站运行的相关传感器数据可从泵站控制系统调用，若泵站方面未设置或缺少相关传感器，则需增添上述相应传感器。通过Creo或Unigraphics NX等三维建模软件基于泵站参数和运行数据进行参数化建模，创建动态的泵装置数字孪生模型，并且利用ANSYS等软件通过CFD来对泵装置进行三维模拟仿真计算，实现对流道内部流态的实时预测和调控优化。
步骤二：
泵装置数字孪生系统内置的运行状态识别程序可以通过步骤一所得到的数据来对泵装置运行状态进行优化识别，基于数据库所存储的泵站运行数据记录，对泵装置效率进行判别，若泵装置在低效率状态下运行，则系统通过数据库和预设的优化算法得出其对应状态下的优化方案；若泵装置效率高于设定值则说明泵装置运行在高效率区，无需优化，保持其目前的运行状态。
步骤三：
确定优化目标后，调用泵站数据库中相似运行方案，通过调取粒子群算法、鲸鱼算法、模拟退火算法等优化算法，比较得出最优运行方案，录入数据库。同时判断最优运行方案的可行性，若方案可行，则确定泵站进出水流道内各个可调节部件的调节参数，将调节信号传输给传动系统。若得出的最优运行方案不能达成优化目的，则此次优化结束。
泵站的运行数据和泵站进出水流道三维数值计算结果会不断存入数据库，对数据库进行更新，在众多相似计算方案中通过利用粒子群算法、鲸鱼算法、模拟退火算法等优化算法寻找可调节泵装置最优调节方案，对泵站进出水流道进行实时优化调节，提高泵装置效率。
数字孪生系统对得到的最优运行方案的判定是根据泵装置现有运行状态，数据库储存的记录数据，以及泵站实际运行情况，从可靠性和高效性进行评估后得出。
步骤四：
如图3，上层出水流道传动系统能通过接受泵装置数字孪生系统传输的调节信号，启动位于水泵和电动机之间的电机，用相连的绞盘和钩索吊起滑动支架，带动固定在滑动支架上的闸门盖板一起移动，达到控制闸门盖板高度位置，进而改变出水流道的流速分布，起到调节上层出水流道结构，减少上层出水流道的水力损失，提高泵装置效率的目的。闸门盖板的高度可持续下降，直至关闭。当泵装置数字孪生系统发出闸门盖板向上移动的调节指令时，传动系统接受信号并启动电机，拉动绞盘旋转，钩索带动支架至目标位置，直至下一次泵装置数字孪生系统发出信号；当收到闸门盖板向下移动的指令时，电机反转，支架下降至目标位置。
如图4、图5，下层进水流道传动系统，是依靠泵站用油管路建立的油压传动系统，接受泵装置数字孪生系统发出的调节信号，通过电磁配压阀、截止阀、减压阀、四通滑阀等阀门的配合控制油量，通过接力器实现改变喇叭管的上下移动，改善下层进水流道的水流流态，减少涡流或者其他因素带来的水力损失，提高泵装置的效率。在未收到泵装置数字孪生系统发出的调节信号时，接力器并不会动作，而是维持原先的高度不变。下层进水流道处于潮湿环境，通过油压传动可以极大节省泵站的使用面积，实现对空间的有效利用，同时与泵站的油压系统相连，可以节省投资。若泵站未设置厂内油罐，还需根据泵站实际情况增设，同时，也可根据电站实际情况换用其他传动系统。
闸门盖板自身可以起到导流作用，对于出水流道前侧的影响较大。对泵装置数字孪生系统的虚拟实体进行CFD模拟仿真计算，通过内置的优化算法找到闸门盖板最佳的高度位置，通过传动系统与物理实体进行交互，启动电机，带动闸门盖板到所得出最佳的高度位置，可以减小出水流道前侧产生的漩涡，让出水流道速度分布更为均匀，减小水流在出水流道的水力损失。
喇叭管属于泵站进水流道，其作用就是为了让水流平稳且均匀地进入吸水室。通过对泵装置数字孪生系统的虚拟实体进行CFD模拟仿真计算，采用内置的优化算法得到进水流道喇叭管最佳的高度位置，通过传动系统与物理实体进行交互，调节电磁配压阀，控制接力器移动到所得出最佳的高度位置，会极大程度上避免不良流态的发生，提高机组的运行效率，降低机组能耗，延缓机组的寿命等。
本发明可以调节上层出水流道闸门盖板高度h1，下层进水流道喇叭管高度h2两个参数，利用该系统内置的程序可极大限度的对进出水流道实现自动调节优化，在面对不同工况条件下，都可以很好地改善进出水流道的水流流态，提高泵装置的效率，提升机组的整体性能。并且泵装置的调节范围从实际上无过多限制，将泵装置极限调节位置时还可以当作闸门起到关闭进水流道和出水流道的作用，为泵站节约下进出口闸门的土建成本，能起到优化泵站空间布局的作用。
本实施例还提供一种立式轴流泵的优化系统，包括泵装置数字孪生系统：用于建立泵装置的数字孪生模型，并加入CFD仿真计算程序和优化程序，获取泵装置的优化方案并命令传动系统动作，进行虚实交互；
传动系统：用于链接所述泵装置数字孪生系统和泵装置，通过接受所述泵装置数字孪生系统的指令，作用于所述泵装置，调节所述泵装置所处位置；
泵装置：用于诱导水流的进出，并通过所述泵装置的可调节性，在所述传动系统的作用下，改变自身位置，优化流道结构。
其中，传动系统包括进水流道传动子系统和出水流道传动子系统，进水流道传动子系统用于根据所述泵装置数字孪生系统的第一调节信号控制进水流道的水流流态；出水流道传动子系统用于根据所述泵装置数字孪生系统的第二调节信号调节出水流道的流速分布。本事实例中，出水流道传动子系统采用电机1：电机以自身的旋转通过锁链，带动泵装置进行移动。
所述泵装置包括：泵站进水流道、泵站出水流道和泵本体，进水流道传动子系统采用油压传动系统：包含油管路系统，接力器9和电磁配压阀11，以及不同种类的阀门，如截止阀、减压阀、四通滑阀等来实现油路的循环和控制。
出水流道装置特征在于闸门盖板3，下表面呈喇叭形，内部中空，装有配重块2，可固定泵段主轴，减少泵站运行时的噪音和振动；侧面与混凝土壁面之间装有可移动支架5，钩索穿过吊物孔4与上方的电机1相连，可与配重块2和电机1共同作用，上下调节闸门盖板3的位置。出水流道装置特征在于闸门盖板3的可自动调节位置的特点，在泵装置数字孪生系统发出调节信号后，可通过电机和滑动支架5带动闸门盖板3，实现闸门盖板3自身高度的改变，进而实现出水流道流态的自动调节，提高泵装置的效率，闸门盖板3的粗口端安装有橡胶垫圈6，用于防漏，同时保护了闸门盖板3和出口喇叭管的接触面，避免碰撞变形。
泵站进水流道包括喇叭管8和接力器9，以及伸缩节7、密封圈10等附属设备部件。喇叭管8特征在于下表面呈喇叭状，外表面与接力器9相连，可通过泵装置数字孪生系统给出的优化方案进行调节，通过传动系统，改变其高度位置。喇叭管8特征在于侧边设置有伸缩节7和密封圈10，用于隔断喇叭管在进行高度调节时所产生的间隙，并通过重力作用来辅助接力器9进行调节。
泵装置分为三层，泵本体置于中层，由中心轴悬空固定在流道中。泵站进出水流道分别位于泵本体的下、上两侧，引导水流，且两侧流道相互间通过水泥浇筑链接。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，包括：
调用泵装置中的传感器数据，基于所述传感器数据对虚拟实体进行建模、调节及仿真预测，对流道内的水体进行三维数值模拟与寻优，同时传递信号给传送装置，进行虚实交互；
基于数字孪生系统对所述泵装置运行状态进行优化识别，通过数据库存储的泵站运行数据对所述泵装置效率进行判别，通过判别结果确定所述泵装置的优化目标；
确定优化目标后，调用所述数据库中的运行方案，通过比较获取最优运行方案并录入所述数据库。
2.根据权利要求1所述的立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，调用所述泵装置中的传感器数据，包括：
通过数字孪生泵装置模型调用泵站运行时的传感器数据，反馈到数字孪生模型中，通过CFD的模拟仿真计算，获得泵装置的计算数据；其中，所述传感器数据包括水位、流量、流速、转速、压强以及泵装置位移信号。
3.根据权利要求2所述的立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，对所述虚拟实体进行调节及仿真预测，包括：
基于所述泵装置的计算数据，通过数字孪生模型的虚拟现实交互以及计算流体力学的方法对所述泵装置运行进行仿真预测、调控和性能优化，并将所述计算数据传递给泵装置运行数据库进行储存。
4.根据权利要求3所述的立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，所述泵装置运行数据库中存储有若干泵装置的实际运行数据和优化方案，还能够根据泵站的运行进行实时存储和更新。
5.根据权利要求1所述的立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，基于数字孪生系统对所述泵装置运行状态进行优化识别，并通过数据库存储的泵站运行数据对所述泵装置效率进行判别，包括：
基于泵装置优化运行程序判断识别泵站进出水流道装置的优化对象，通过内部存储的优化算法，对符合条件的目标进行实时优化；
从所述数据库中相似运行方案开始进行CFD计算，并进行记录和自动比对，按最符合可行性、高效性的方案进行实施，发出优化调节信号，获得泵装置运行效率。
6.根据权利要求5所述的立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，通过判别结果确定所述泵装置的优化目标，包括：
基于所述数据库中存储的泵站运行数据记录，对所述泵装置效率进行判别，若泵装置效率低于设定值，则系统通过数据库和预设的优化算法获取其对应状态下的优化方案；若泵装置效率高于设定值，则无需优化。
7.根据权利要求1所述的立式轴流泵装置的优化方法，其特征在于，判断所述最优运行方案的可行性，包括：
确定所述优化目标后，调用泵站数据库中相似运行方案，通过调取优化算法对所述运行方案进行比较，获得最优运行方案并录入数据库，同时判断所述最优运行方案的可行性，若方案可行，则确定泵站进出水流道内各个可调节部件的调节参数，将调节信号传输给传动系统，若所述最优运行方案不能达成优化目的，则此次优化结束。
8.应用于权利要求1-7任一项所述的立式轴流泵装置的优化方法的优化系统，其特征在于，包括：
泵装置数字孪生系统：用于建立泵装置数字孪生模型，并加入CFD仿真计算程序和优化程序，获取泵装置的优化方案并命令传动系统动作，进行虚实交互；
传动系统：用于链接所述泵装置数字孪生系统和泵装置，通过接受所述泵装置数字孪生系统的指令，作用于所述泵装置，调节所述泵装置所处位置；
泵装置：用于诱导水流的进出，并通过所述泵装置的可调节性，在所述传动系统的作用下，改变自身位置，优化流道结构。
9.根据权利要求8所述的优化系统，其特征在于，所述传动系统包括进水流道传动子系统和出水流道传动子系统，所述进水流道传动子系统用于根据所述泵装置数字孪生系统的第一调节信号控制进水流道的水流流态；所述出水流道传动子系统用于根据所述泵装置数字孪生系统的第二调节信号调节出水流道的流速分布。
10.根据权利要求8所述的优化系统，其特征在于，所述泵装置包括：泵站进水流道、泵站出水流道和泵本体；
所述泵站进水管道包括喇叭管(8)，所述喇叭管(8)细端的管壁外侧设置有伸缩节(7)和密封圈(10)，所述喇叭管(8)细端的管壁外侧还对称设置有接力器(9)，所述接力器(9)接收所述第一调节信号通过改变伸缩节(7)的长度调节所述喇叭管(8)的高度；
所述泵站出水流道包括闸门盖板(3)，所述闸门盖板(3)内部中空且一端口的直径小于另一端口，所述闸门盖板(3)固定连接有配重块(2)，所述配重块(2)用于固定泵段主轴，所述闸门盖板(3)侧壁与混凝土壁面之间装有可移动支架(5)，所述可移动支架(5)一端连接有钩索，所述钩锁与所述出水流道传动子系统连接，所述闸门盖板(3)直径大的一端安装有橡胶垫圈(6)。
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