泵装置变速经济运行理论探讨

变速经济运行是泵站节能的重要途径之一。根据泵装置运行特性,采用系统工程方法探讨了泵装置效率与相似工况抛物线常数(K)之间的关系,建立了求解最佳相似抛物线常数的数学模型;同时结合工程实际提出确定不同装置扬程下最佳转速的简易优化调度曲线。     

基于CFD的低扬程泵装置变速特性及相似性

根据南水北调工程中低扬程泵站采用变频调速进行工况调节的运行要求,应用相似准则分别分析了泵和泵装置在不同转速下能量特性的关系,指出不同转速下泵的流量扬程关系特性符合相似律,但由于进、出水流道中的流动受到水泵流动的影响,泵装置的流量扬程关系在不同转速下不完全符合相似律。采用计算流体动力学方法分析了典型灯泡贯流泵装置在3种不同转速下出水流道的流场分布,发现随着转速差距的加大,同一截面上的速度分布甚至出现相反的分布规律,进一步证明了不同转速下的泵装置特性不完全符合相似律,因此变速工况下的低扬程泵装置特性不能采用传统的相似律预测.     

水泵变速调节简易计算方法及节能分析

对于已建成的泵站，在运行过程中，可采用变速调节的简便计算方法。在不同的净扬程时，可求得最佳转速，使泵站在最优工况下运行，泵站装置效率提高，对设计中的泵站也有参考应用价值。     

大型泵站变速-变角综合经济运行研究

南水北调东线工程源头泵站扬程变化幅度大、变化频度高、年运行时数长,应实现经济运行。分析泵装置效率特性,提出大型泵站变速一变角综合经济运行理论,并给出运行方案。结果表明,与单一变速或变角经济运行相比,泵站实现变速一变角综合经济运行,平均泵装置效率可再提高1％～5％。     

平面S型轴伸泵装置变转速水力特性

为了研究水泵变速运行装置内部水力特性变化,采用CFX软件对平面S形轴伸泵装置进行全过流部件数值模拟计算,转速分别为1 050、1 250、1 450 r/min。结果表明,不同转速下装置叶轮进口流速均匀度变化很小,进水流道水力损失变化规律不变。3种转速下出水流道小流量工况水流旋转运动强烈,设计工况流线较平顺,大流量工况水流贴壁运动明显。水泵转速增加后,出水流道水力损失最小值增大,对应的流量也加大。3种转速下,出水流道水力损失与装置扬程之比δ均在泵装置最优工况最小,且均为0.055左右,相差不大。通过断面涡量云图比较,变转速对导叶出口断面涡量影响很大,对应该断面涡量某一数值时,水力损失有最小值。泵装置变转速等效率曲线近似为抛物线,装置外特性基本符合比例律的关系。     

变频调速灯泡贯流泵性能与控制方式

变频调速作为灯泡贯流泵的一种工况调节方式已经运用于南水北调东线工程的多座泵站.为了研究变速工况下的灯泡贯流泵水力性能和控制模式,指导泵站优化运行和推广应用,针对淮阴三站和泗洪泵站这2种典型型式的机组,分析和研究了其变频变速性能及不同转速的模型试验结果,并根据有、无旁路的电气主接线2种方式,研究在考虑变频装置和电动机在不同转速下效率发生变化时不同扬程段的运行控制方式.结果表明:变频调速的灯泡贯流泵性能受到水泵叶轮性能和流道性能两方面的制约,在一定变速范围内可以采用效率不变的相似定律进行预测;在确定灯泡贯流泵机组运行性能时必须考虑变频装置的损耗,同时应分析随着频率改变引起的变频装置及电动机效率变化;以泗洪站为例,综合考虑机电设备损耗后发现,在(40%～80%)供水设计扬程范围内可以切除变频装置,直接工频运行效率更高.     

特低扬程大流量贯流泵站水泵选型

针对特低扬程大流量水泵的选型问题,以某设计净扬程仅0.32 m的贯流泵站为例,进行水泵性能预测.利用现有水力模型的泵段特性曲线及装置特性曲线进行相似换算,并对计算结果进行比较.通过进一步的数学推演,提出了采用水泵泵段特性参数推算泵装置效率指标的方法,并结合数值模拟及装置模型试验进行验证.结果表明,对于运行净扬程1 m以下竖井贯流泵装置,可利用现有南水北调的低扬程水力模型降低nD值进行选型计算.由于水泵流道水头损失占比较高,其最优工况效率与具有3 m左右扬程水泵相比低了约6%,故采用扬程差距较大的模型装置特性参数换算的偏差较大,采用模型泵泵段特性参数换算更准确.采用泵段效率和泵装置效率换算公式,对泵段曲线工况点及对应流道损失进行换算,可较为准确地预测装置效率曲线高效区扬程范围,可为特低扬程泵站设计提供参考.     

大型泵站水泵机组工况调节方式定量优化选择

为了合理选择水泵机组工况调节方式,实现大型泵站优化运行,考虑机组起停机特性、安装维护性、可靠性等因素,在此基础上,针对优化运行功能,在保证抽水流量的前提下,以设备投资与运行总费用之和最小为目标,提出了定量选择水泵机组工况调节方式的方法.该方法综合考虑了泵站的扬程变化范围、运行时间、变工况优化运行、运行费用及设备投资.应用该方法对典型泵型的工况调节方式进行了优化计算,结果表明:当泵站运行扬程偏离高效区较多或扬程变幅较大时,泵站需要设置变角或变频变速工况调节机构.泵站年运行扬程分布不同,工况调节方式选择受到一定影响.设备费用降低后,泵站采用变角调节或变频变速调节的扬程适用范围增大,设置工况调节方式实现优化运行的效果更加显著.该方法为定量确定水泵机组工况调节方式提供了依据.     

特低扬程竖井贯流泵装置水力特性试验研究

结合江苏省常州市大运河东枢纽泵站工程,对设计净扬程(1.0m)的特低扬程前置竖井式贯流泵装置特性进行了试验研究。试验测试了模型泵在不同叶片角度下运行的能量特性、汽蚀性能和飞逸转速特性,在此基础上换算得出原型泵的水力特性,绘制了模型以及原型泵装置的综合特性曲线和单位飞逸转速曲线。试验结果表明,泵装置最优工况点的模型装置效率为78.83%,对应的扬程和流量分别为1.70m和22.66m3/s;在设计扬程1.0m、流量25.35m3/s时的模型装置效率为67.5%。对于特低扬程泵站,竖井贯流式水泵具备能量特性好,装置效率高,且运行和维护方便等优点,特别适用于平原水网地区的防洪排涝工程。     

变频变角双调轴流泵运行节能分析

变频变角双调轴流泵可在一定范围内连续变速和调角,合理决策可取得较大的节能效果。针对不同的装置扬程,在每一转速点求装置效率特性曲线的最大极值点获得最优叶片角度;在变速范围内,采用黄金分割缩小搜寻区间寻优法,求得最优的转速。由此确定不同装置扬程下变速、调角运行方案。通过比较不同运行方案的最高装置效率随装置扬程变化曲线,分析了变频变角双调轴流泵运行节能效果。     

泵站单机组变速运行优化方法研

考虑峰谷电价与站下水位变幅等因素,提出了以日开机运行总耗电费用最少为目标函数,各时段水泵转速为决策变量,规定时段内抽水总量为约束条件的单机组变速优化运行动态规划模型.对江都四站单机组变速优化运行与恒速运行进行了比较分析,结果表明:满负荷工作时,无论是否考虑峰谷电价,变速带来的效益不足以抵消安装变频装置产生的耗损;考虑峰谷电价、非满负荷工作时,效益明显;不考虑峰谷电价情况下,80%和60%负荷工作时,变速节省的电费偿还相应配套功率的变频装置投资约需15～18年和7～10年.     

并联泵站群日优化运行方案算法

提出了并联泵站群日优化运行数学模型,该模型以并联泵站群日提水费用最少为目标函数,以各时段机组叶片角或转速为决策变量.考虑站间不同工况调节方式,采用大系统二级分解-动态规划聚合法进行求解.首先以泵站日提水耗电费用最少为目标,泵站提水量的分配为协调变量,将该模型分解成若干个泵站多机组日优化运行一级子模型;再以单机组日提水耗电费用最少为目标,机组提水量的分配为协调变量,将一级子模型分解为若干个单机组日优化运行二级子模型.该二级子模型以机组叶片安放角或机组转速为决策变量,机组提水量的离散值为状态变量,采用动态规划方法求解.构造的聚合模型以各机组提水量为决策变量,并联泵站群提水量的离散值为状态变量,同样采用动态规划方法求解.该方法可以解决不同工况调节方式、不同时段划分及不同日均扬程下并联泵站群的日优化运行问题.以淮阴一、三站并联运行为例,作了日优化运行计算,结果表明：各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用,较定角恒速运行分别平均节约10.53%,26.54%,34.40%.     

自吸旋涡泵变转速性能与内部流场试验

研制25WZ1-12型自吸旋涡泵试验样机,通过型式及变转速外特性试验,得出旋涡泵q_v-H、q_v-η性能曲线变化规律,验证q_v-H、q_v-P曲线换算满足相似理论比例定律,q_v-NPSH曲线换算不满足汽蚀相似定律;用5孔管束探针对流道流场进行测量,得到流场静压p_s、当量径向速度v_(re)和当量圆周速度v_(ue)随泵转速变化分布状况;通过对试验数据的分析,解释了外特性参数与内部流动参数之间的联系和变化规律,指出旋涡泵的汽蚀类型及发生部位,为旋涡泵优化设计和建立内部流动模型提供参考依据.     

南水北调东线泵站变速运行模式的适应性

以南水北调东线工程源头泵站江都四站为例,通过单机组优化运行（叶片全调节、变频变速）数学模型的求解、分析可知,在南水北调东线源头泵站扬程变幅（日均扬程7.8~3.8 m,潮差1.2 m）范围内,不管是否实行峰谷电价,泵站叶片全调节优化运行是较为合适的运行模式;变频变速运行仅在扬程低于5.0 m、非满负荷运行时优于叶片全调节;在满负荷工作时,泵站变频变速与定角恒速运行相比,变频变速优化运行带来的效益不足以抵消变频装置的耗损.同时,从泵装置运行的机理出发,证明了大型提水泵站只有在一次调水过程中的扬程变幅足够大时,变频变速优化运行才能产生效益的论点.该成果可为南水北调东线大型泵站的改造、优化运行提供理论依据.     

并联泵站群日优化运行方案算法

提出了并联泵站群日优化运行数学模型,该模型以并联泵站群日提水费用最少为目标函数,以各时段机组叶片角或转速为决策变量.考虑站间不同工况调节方式,采用大系统二级分解-动态规划聚合法进行求解.首先以泵站日提水耗电费用最少为目标,泵站提水量的分配为协调变量,将该模型分解成若干个泵站多机组日优化运行一级子模型;再以单机组日提水耗电费用最少为目标,机组提水量的分配为协调变量,将一级子模型分解为若干个单机组日优化运行二级子模型.该二级子模型以机组叶片安放角或机组转速为决策变量,机组提水量的离散值为状态变量,采用动态规划方法求解.构造的聚合模型以各机组提水量为决策变量,并联泵站群提水量的离散值为状态变量,同样采用动态规划方法求解.该方法可以解决不同工况调节方式、不同时段划分及不同日均扬程下并联泵站群的日优化运行问题.以淮阴一、三站并联运行为例,作了日优化运行计算,结果表明：各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用,较定角恒速运行分别平均节约10.53%,26.54%,34.40%.     

基于动态规划逐次逼近法的江都四站变速优化

建立了考虑峰谷电价、长江潮汐变化的南水北调泵站站内多机组变速优化运行模型：在水泵设计叶片安放角不变的情况下,以站内机组耗电费用最少为目标函数,时段为阶段变量,水泵转速、开机机组台教为决策变量,日抽水量为约束条件。针对该复杂非线性规划模型,首次采用动态规划逐次逼近法进行求解,并以江都四站为例,对站内多机组变速与定桨恒速运...     

基于DPSA方法的江都四站单机组优化运行

提出了考虑峰谷电价与水位变幅等因素的水泵叶片全调节与变频变速组合优化（以下简称组合优化）运行的动态规划数学模型,以日开机运行总耗电费用最小为目标函数,各时段水泵开机的叶片安放角和机组转速为决策变量,规定时段内抽水总量为约束条件,通过动态规划逐次逼近法（即DPSA）确定最优解.以江都四站为例,对单机组组合优化运行与定桨恒速运行进行了比较分析.结果表明,在典型潮位过程（12月至2月份平均潮位过程）,设计日均扬程（7.8~3.8 m）,机组以100%,80%和60%总水量（机组额定运行时的水量）作为约束时,组合运行优化结果与定桨恒速运行相比,考虑峰谷电价时可节省电费0.99%~35.00%,不考虑峰谷电价时可节省电费0.26%~17.23%.优化效果良好,为南水北调泵站优化运行提供了新的思路.     

大型低扬程泵装置nD值的选取

从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面,讨论了减小nD值对大型低扬程泵装置水力性能的影响;提出了减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路;借助于叶片泵相似律,推导了减小nD值与增径降速的一致关系,在设计流量一定的条件下,若叶轮直径增大5%,则水泵转速和nD值将分别下降13.6%和9.3%;从叶轮直径对流道水力损失的影响上,分析了减小nD值对提高泵装置流道效率的作用;根据nD值与水泵扬程的关系,低扬程泵装置选型时,宜适当减小nD值,以便在较低扬程下选用到更优秀的轴流泵水力模型;根据叶片泵汽蚀相似律,分析了减小nD值对低扬程泵装置汽蚀性能的影响;同时,还讨论了泵装置汽蚀性能的考核指标,以及增径降速对流道控制尺寸及设备投资的影响等问题.结果表明：对于平均扬程为4 m、单泵设计流量为33.5 m3/s的泵站,若将叶轮直径由2.9 m增大至3.1 m,则流道效率可提高2.9%;在设计流量一定的条件下,若将nD值由435降为387.5,由水力模型TJ04-ZL-06换算的原型泵高效区扬程可由5 m左右降为4 m左右,水泵必需汽蚀余量可降低20.6%;对于年运行时数较长的大型低扬程泵站,宜采用较小的nD值.