(山东省潍坊市峡山水库管理局 261325)
摘要：近年来，基于中国的水资源分布具有总量多、区域时间分布极不均匀的特点，近年来，为了解决缺水、少水地区用水上的困难，国家投资了多项调水工程，如南水北调工程、东深供水工程、胶东引黄调水工程等。为了实现长距离、大流量、高水头差调水，大多采用梯级泵站群的方式调水。以多级泵站组成梯级，在每级泵站内采用多台机组，从而满足调水需求。
这类梯级泵站群调水系统投资大、运行时间长、运行维护成本高。如何进行调度，确定调水策略，是提高系统效率、节约成本的关键。
关于这类问题，已经有很多研究人员做过相关的研究工作，但在他们的模型中，要么是仅考虑了各级泵站间的抽水流量的最优分配，而没有考虑时段电价的问题，或者虽考虑了时段电价的问题但因受开停机次数的约束而将时段划分的很粗，不能完全体现时段电价的影响，造成优化结果偏离实际，并且忽视了对抽水流量的优化。究其原因，没有找到一个合适的模型来建立考虑了时段电价影响的抽水流量优化模型。
关键词：梯级调水泵站；变频运行工作点；确定方法研究
引言
泵站工程通过机电提水设备及其配套建筑物，给水流增加能量，使其满足兴利除害要求，是综合性复杂系统工程，被广泛地应用于国民经济的各个部门。应用的部门和领域不同，它们发挥的作用也不同，常见的有排水泵站、给水泵站、灌溉泵站、防洪除涝排水泵站，跨流域调水泵站等等[1]。这些泵站规模大、机组数量多，且大部分都是常年运行，耗能巨大。因此，开展泵站优化运行研究，提高泵站运行经济效益和社会效益，就显得意义重大。
近年来，随着泵站工程规模的扩大和复杂程度的提高，泵站的优化运行也面临着更多更复杂的问题。例如在梯级泵站调水系统中，各级泵站依次串联、水力联系密切，泵站之间水位、流量互相影响。梯级泵站的优化运行，既要考虑梯级泵站之间的扬程优化、泵站内并联机组之间的流量优化分配，同时还需考虑泵站在允许扬程、功率范围内能够安全运行，如果输水河道有通航要求，还需满足最高最低通航水位的要求；在城市供水系统中，供水泵站由于水量和压力变化频繁，且多数安装了调速装置，采用定速泵与调速泵结合、并联运行的方式，在对机组进行优化调度时，需要同时考虑供水管网的流量和压力要求，以及调速泵的调速率约束。
此外，由于泵站内水泵机组类型的不同，优化调度的调节方式也不同，如针对离心泵的变频调节和针对轴流泵的半调节和变角全调节。
1 水资源分布
根据水利部公布水资源显示，我国水资源总量约为2.8万亿m3，整体上呈现分布不均、时程变化大和年内年际分配不均局面，同时还存在开发空间有限、用水量逐年增加和用水结构变化明显的现象等。如黄、淮、海3大流域，水资源只占全国的8%，而耕地面积占全国的40%；而2013年统计的用水结构是用水量占当年水资源总量的22.1%，农业用水降低到63.4%，而生活、工业、生态用水相应增加到12.1%、22.8%、1.7%。而大体上水量的趋势是东南沿海向西北内陆递减，内陆西北地区也是地大水少情况。为了解决水资源分布的情况，国内相继发展了很多大大小小的调水工程，例如南水北调；在管道输水过程中，正是由于水泵及梯级泵站的广泛应用，使得水泵的能耗约占全国总能耗的21%。
据相关的统计可以发现，现在世界上很多国家已经建设、正在建设或者拟建的大型流域调水工程已经超过了160项，并且建设泵站也不是在世界各地遍布。国外如美国、前苏联、法国、澳大利亚、巴基斯坦、印度等，都根据需要规划和建设了跨流域调水梯级泵站。建设的这些泵站其技术特点以及目的都有一定的区别。比如北美的水电联盟计划，前苏联进行了二十几年研究和规划的“北水南调”也是离不开梯级泵站输送水，在1974年巴基斯坦进行了西水东调工程的建设，澳大利亚东南部规划建设了雪山工程，印度恒河区建设的调水工程以及法国帝朗斯—凡尔顿工程都是利用梯级泵站输送。
2不同机组的开停机流程
2.1初充水控制流程
初充水流程是专门用于空管道第一次开机，为了有效回避高扬程、长管道（6.2km），造成电动机过载带来的不利影响，设置冲水流程。冲水流程只选择启动2#、4#变频机组，因此此流程仅布置与2#、4#机组中。在启动本程序时，程序会自动检测以下条件是否具备:（1）前池水位高于最低水位；（2）电动机保护装置无故障；（3）进水电动阀无故障且全开；（4）出水电动阀无故障且全关；（5）液控蝶阀无故障全开到位；（6）液控蝶阀处于远方位置；（7）电动机开关柜小车处于工作位置。以上条件为“与”关系，缺一不可。条件不具备时，点击控制界面启动按钮时，将会弹窗提示。当条件全部具备时，点击启动按钮，机组PLC将会自行执行流程开机程序。机组PLC自动检测开机条件全部具备后，开始投入辅机系统，包含启动稀油站、启动冷却水泵、启动密封水泵并检测压力正常等，检测所有辅机系统投入成功，然后合电动机开关柜断路器并检测合闸成功，执行变频开机，先后合变频器电源侧接触器和负荷侧接触器并检测合闸成功，将初始频率设置为31Hz，启动变频器，开出水电动阀至30%，延时15s后开始检测液控蝶阀后压力，当达到净扬程的10%时，增加变频器的频率至35Hz。后每当液控蝶阀后压力增加净扬程的10%时，便增加2Hz的频率，直至阀后压力达到50%的净扬程时，开出水液控阀阀至100%并检测到位，频率增加至41Hz，充水程序退出转入正常运行模式。其中，当阀后压力达到30%净扬程时，需将出水侧电动阀开至50%，并延时15s后再开始检测阀后压力与净扬程的关系。在智能控制设计之初，我们考虑使用液控蝶阀进行压阀充水作业，但是由于液控蝶阀的中停控制准确性有限，且压阀作业充水时，液控蝶阀的闭锁将被关闭，使液控蝶阀防水锤功能失效，对泵站运行带来安全隐患，因此改为使用出水电动阀进行充水作业，并在此程序中增加两个延时15s。其作用是为了确保电动阀可以开阀至固定位置后，再执行下一步程序。第一个延时还可以避免水泵开始运行，但电动阀开阀时间较长，造成憋压使液控蝶阀后压力瞬间上升，引起PLC误判，直接跳至后续程序或直接退出初充水程序，造成初充水失败。
2.2变频机组正常开机流程
在泵站压力管道中有水，须增加机组提升流量时，变频机组开机使用正常开机流程。当开机条件具备时，控制人员可以在远端命令PLC执行选中的流程开机（变频开机/旁路开机），PLC在接受命令后将严格按照预先设置好的开机程序进行自动开机操作，具体流程见图3，该流程中的水泵出口压力满足条件是指：水泵出水侧压力达到液控蝶阀后压力的95%时，开启液控蝶阀，避免发生压力管道中的水倒流。异步机组、同步机组流程开机程序与变频机组旁路开机流程相近，异步机组开机流程取消了旁路开机中的变频器部分，而同步机组则在取消变频器部分的基础上增加励磁的投入控制，并且在通用开机条件中增加励磁的准备工作。因此异步机组、同步机组流程开机的程序。
结语
自动化控制是当今世界和社会发展的大趋势，自动化控制的实现改变了传统的现地操作方式，提高了运行的安全性，减少了人力资源的投入，但是对日常的运行维护提出了更高的要求，需要专业技术能力强、经验丰富的人来做好设备的检维修工作，确保各设备均处于优良状态。但仅仅将泵站控制集中在调度还是不够的，还应引入“模糊控制+PID控制变频器的机制”才能使梯级泵站独立于输水系统运行，实现真正的泵站智能控制，达到“无人值班，少人值守”的目的。
参考文献:
[1]马强，陈福容，王颖.基于MIKE11Ecolab模型的梁滩河流域水污染问题探讨[J].水电能源科学，2011（11）：33-36.
[2]陈长太，徐贵泉，李学峰.淀东水利枢纽引水泵站规模研究[J].水利规划与设计，2014（8）：1-5.
[3]徐贵泉，褚君达，吴祖扬，等.感潮河网水环境容量数值计算[J].环境科学学报，2000（3）：263-268.
[4]徐贵泉，陈长太，张海燕.苏州河初期雨水调蓄池控制溢流污染影响研究[J].水科学进展，2006（5）：705-708.