串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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；Lj,j-1为第j和j-1级泵站间渠道长度；qj,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：Sj,j+1(Qj,hj+1')＝hj-h′j+1(5)式(5)中，第hj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；Sj,j+1(Qj,hj+1')为当流量为Qj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hj、h′j+1时，采用水力学方法对Sj,j+1(Qj,hj+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，Qj为第j泵站流量；Hj为第j级泵站的扬程，P′(Qi,Hj)为第i个抽水装置的输入功率；P(Qi,Hj)为第i个抽水装置的有效输出功率；ηset,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，Qj为各泵站流量；ηps为泵站子系统效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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：ΔVj-1,jΔt=Vj-1,jt+Δt-Vj-1,jt---(1)]]>Wj-1,jQ=∫tt+Δt(Qj-1t-Qjt)dt---(2)]]>Wj-1,jq=ΔVj-1,jΔt-Wj-1,jQ=(Vj-1,jt+Δt-Vj-1,jt)-∫tt+Δt(Qj-1t-Qjt)dt---(3)]]>qj,j-1=Wj-1,jqΔt*Lj,j-1---(4)]]>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；Lj,j-1为第j和j-1级泵站间渠道长度；qj,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...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑国庆，李琴，郭志彬，郑从奇，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37