趙麗艷 陳春寶

摘 要：隨著我國(guó)科技水平和綜合國(guó)力的大力提高，水力資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中體現(xiàn)出其越來(lái)越重要的地位，我國(guó)對(duì)水利工程建設(shè)上也加大了投資力度，合理充分地利用水力資源顯得越來(lái)越重要。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)泵站 監(jiān)控 優(yōu)化 調(diào)度

一、監(jiān)控及優(yōu)化高度在水庫(kù)泵站中的作用

泵站——水的唯一人工動(dòng)力來(lái)源，作為重要的工程措施，它在水資源的合理調(diào)度和管理中起著不可替代的作用。泵站是解決洪澇災(zāi)害、水環(huán)境惡化、干旱缺水當(dāng)今三大水資源問(wèn)題的有效工程措施之一。它們承擔(dān)著區(qū)域性的防洪、除澇、灌溉、調(diào)水和供水的重任，主要用于城市給排水、農(nóng)田排灌以及跨流域調(diào)水等。泵站與其它水利建筑物不同，它無(wú)需修建擋水和引水建筑物，對(duì)資源和環(huán)境無(wú)影響，受水源、地形、地質(zhì)等條件的影響較小，且具有投資省、成本低、工期短、見(jiàn)效快、靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

眾所周知，泵站是機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備和水利工程的綜合體，由于機(jī)組容量不斷增大，泵站工程安全可靠性和節(jié)約能源的要求不斷提高，靠人工手動(dòng)操作難以滿足要求，需要采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)、控制方式。泵站監(jiān)控系統(tǒng)是集控制、保護(hù)、運(yùn)行、管理為一體的綜合性系統(tǒng)，它可以大大提高泵站的效率。

二、泵站監(jiān)控對(duì)象和要求

1、泵站

1.1泵站工程組成：泵站工程主要由泵房、管道、進(jìn)出水建筑物及變電站等組成。泵房?jī)?nèi)安裝有水泵、傳動(dòng)裝置和動(dòng)力機(jī)組成的機(jī)組，還有輔助設(shè)備和電氣設(shè)備等。進(jìn)出水建筑物主要有取水、引水設(shè)施及水池等。泵站的管道主要包括進(jìn)水管和出水管。進(jìn)水管將水源和水泵進(jìn)口連接起來(lái)，出水管連接水泵出口和水池的管道。泵站投和運(yùn)行后，水流即可經(jīng)過(guò)建筑物和進(jìn)水管進(jìn)入水泵，通過(guò)水泵加壓后，將水流送出水池或管網(wǎng)，從而達(dá)到提水或輸水的目的。 1.2泵站的能耗分析：泵站的功能是把一定流量的水從低處提升到某一高度，或輸送一定距離，以滿足用戶的需要。因此泵站必須消耗一定的能量。泵站的抽水裝置主要有動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置、水泵、出水管、水池以及輔助設(shè)備等部分組成，各組成部分都要損耗一定的能量。1.3泵站的控制方式，在泵站系統(tǒng)中，根據(jù)計(jì)劃輸水量，在維持整個(gè)輸水線路的輸水量和前池水位基本不變的情況下，并考慮沿線相關(guān)限制條件，通過(guò)有效的水力控制方式，來(lái)達(dá)到水量和流量平衡，在達(dá)到穩(wěn)定、高質(zhì)供水的基礎(chǔ)上降低能耗和供水成本。

2、水泵

水泵是一種能夠進(jìn)行能量傳遞的機(jī)械，它把動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能傳遞給被抽送的流體，使流體的能量增加，從而達(dá)到提升或輸送流體的目的。泵又是一種通用機(jī)械，水泵是泵站中最主要的設(shè)備。水泵設(shè)計(jì)制造、造型配套、安裝運(yùn)行、維護(hù)管理的好壞不僅對(duì)工程投資的影響很大，且與節(jié)約能源、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益都有密切關(guān)系。

2.1.水泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)：比如當(dāng)實(shí)際的供水工況的變化規(guī)律與水泵特性較吻合時(shí)，無(wú)需任何控制手段，水泵能依據(jù)自己的特性滿足各種工況要求。

2.2閘閥調(diào)節(jié)：當(dāng)水泵所提供的楊程高于所需揚(yáng)程，用關(guān)小出水閘閥來(lái)進(jìn)行恒流調(diào)節(jié)，以保證凈水構(gòu)筑物免受沖擊負(fù)荷的影響。閘閥調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單易行，又不另加投資，因此，當(dāng)水位變幅不大時(shí)，成為了常用的調(diào)節(jié)方式。但是，他將多余的能量全部消耗在閘閥上，是不經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)能量較大時(shí)不應(yīng)采用，當(dāng)水位變幅較大時(shí)，可考慮以下即將提到的臺(tái)數(shù)組合或采用換輪、高速等方式。

2.3水泵臺(tái)數(shù)組合：是通過(guò)不同臺(tái)數(shù)的水泵并聯(lián)運(yùn)行來(lái)滿足工況的不斷變化，它要求泵站內(nèi)水泵臺(tái)數(shù)較多，且大小搭配，平面造價(jià)太貴，一般用在大型供水泵中。

2.4切削葉輪：它對(duì)應(yīng)為換輪的方式。要注意切削范圍，只有在一定的切削范圍內(nèi)，才能利用切削律確定葉輪的切削量。注意臺(tái)數(shù)組合和換輪方式都不能適合工況的連續(xù)變化，必須輔以閘閥調(diào)節(jié)，因此運(yùn)行中存在能量浪費(fèi)。

2.5水泵調(diào)速：他與切削葉輪都是通過(guò)改變水泵的特性曲線來(lái)適應(yīng)工況的變化，控制水泵調(diào)速，主要遵循高效、不阻水、不汽蝕等原則來(lái)確定調(diào)速范圍。

三、泵站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)通常分為三層，即泵站集控層、現(xiàn)地控制層和網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)接口。

1、泵站控制層

泵站控制層是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。其站控級(jí)主要由主控機(jī)和工作站等數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，配有一臺(tái)打印機(jī)等輔助設(shè)備，并由以太網(wǎng)形式聯(lián)成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控機(jī)主要用于完成監(jiān)控系統(tǒng)在這一級(jí)上的各種任務(wù)，如：安全監(jiān)視、運(yùn)行管理、系統(tǒng)自診斷與上、下層通訊等。而圖形工作站則主要完成人機(jī)接口功能，如：各種畫面的顯示、各種控制命令的發(fā)出等。

2、現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制單元層 LCU監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層在分布式控制系統(tǒng)中，主要是指針對(duì)某一特定的控制對(duì)象而設(shè)置的遠(yuǎn)方終端設(shè)備，又稱現(xiàn)地控制單元。它們分別通過(guò)各自的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，在相應(yīng)的軟件支持下，與站控級(jí)一起連成一個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它主要負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各種數(shù)據(jù)的采集、處理及事件的記錄，信息傳輸，設(shè)備控制及保護(hù)等工作，并通過(guò)以太網(wǎng)通訊協(xié)議與站控級(jí)計(jì)算機(jī)相連，傳送運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。一般主要由泵機(jī)組現(xiàn)地控制單元和開(kāi)關(guān)站現(xiàn)地控制單元等組成。這幾臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地控制單元分別對(duì)幾臺(tái)機(jī)組實(shí)施監(jiān)控，一臺(tái)公用現(xiàn)地控制單元用于對(duì)泵站的公用系統(tǒng)，如對(duì)油、水、氣系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，而另一臺(tái)開(kāi)關(guān)站的現(xiàn)地控制單元用于對(duì)開(kāi)關(guān)站實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

3、網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)接口

泵站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信分為兩類：以太網(wǎng)通信和串行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的上位機(jī)與各臺(tái) LCU之間可通過(guò) 100M光纖以太網(wǎng)形式通信，以實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制命令的快速傳輸。由于泵站的勵(lì)磁、保護(hù)、模擬屏等其他裝置或設(shè)備的通信能力受裝置本身硬件配置的限制，無(wú)法采用統(tǒng)一的總線方式聯(lián)接起來(lái)，因此與這些設(shè)備的通信采用串行數(shù)據(jù)通信方式，由通信工作站等承擔(dān)此功能，采集的信息經(jīng)預(yù)處理，經(jīng)以太網(wǎng)傳送至各上位機(jī)供畫面顯示和打印。

四、水庫(kù)泵站優(yōu)化調(diào)度

1、泵站站內(nèi)機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度

泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行首先應(yīng)該在滿足抽水量和揚(yáng)程的前提下， 盡量減少提水流量和降低提水揚(yáng)程；其次，要設(shè)法提高泵站的裝置效率。泵站優(yōu)化運(yùn)行的實(shí)質(zhì)問(wèn)題是如何選擇機(jī)組組合和確定所選擇機(jī)組的運(yùn)行工況泵。

1.1泵站機(jī)組選型：灌區(qū)運(yùn)行要求泵站既能滿足正常情況供水， 又能滿足向調(diào)節(jié)水庫(kù)儲(chǔ)水和從調(diào)節(jié)水庫(kù)提水灌溉。也就是要求泵站機(jī)組在滿足設(shè)計(jì)流量的情況下，適應(yīng)不同揚(yáng)程運(yùn)行要求，既能滿足設(shè)計(jì)情況下供水，又能在非設(shè)計(jì)情況下滿足各單機(jī)組的靈活運(yùn)用。

1.2水泵葉片的開(kāi)啟角度的確定，從提高水泵、電動(dòng)機(jī)、管理機(jī)構(gòu)與綜合效率出發(fā)，根據(jù)大中型泵站多型號(hào)水泵機(jī)組運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了研究。在滿足要求的條件下， 泵站凈揚(yáng)程一定時(shí)，取較小的葉片角度，水泵的流量小，水頭損失也較小， 泵站裝置效率高；而對(duì)于不同型號(hào)的機(jī)組，效率高的機(jī)組開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)多，水泵葉片角度則偏大，效率低的機(jī)組開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)少，水泵葉片角度偏小。

1.3泵站運(yùn)行最優(yōu)工況的選擇，在需要泵站提取一定的流量時(shí)， 泵站內(nèi)以不同的裝置或不同的水泵參加運(yùn)行。而在這些方案中， 須找出相應(yīng)于能耗最少或者泵站效率最高的運(yùn)行方案所對(duì)應(yīng)的工況，即泵站運(yùn)行的最優(yōu)工況。

2、泵站間的優(yōu)化調(diào)度

在多級(jí)提水系統(tǒng)中， 各級(jí)泵站之間有著密切的水力聯(lián)系 ，各站的流量、水位互相影響制約著整個(gè)提水系統(tǒng)的運(yùn)行。多級(jí)泵站的優(yōu)化運(yùn)行，既要考慮各級(jí)泵站內(nèi)的機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行， 還要考慮站與站之間水力要素的優(yōu)化組合。

3、級(jí)間流量配合及水位（揚(yáng)程）的優(yōu)化

泵站的最優(yōu)運(yùn)行決定于泵站中的各項(xiàng)裝置的運(yùn)行特性和各裝置間的流量或揚(yáng)程的最優(yōu)分配（并聯(lián)泵系統(tǒng)或不同泵型的泵站中，各裝置之間的流量最優(yōu)分配及串聯(lián)泵系統(tǒng)或分級(jí)泵裝置之間的揚(yáng)程最優(yōu)分配）。