長距離輸水工程系統(tǒng)及總體布置節(jié)能方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種長距離輸水工程系統(tǒng)。輸水工程系統(tǒng)通過逐級提水和加壓泵站及明渠、倒虹吸、渡槽、管道、隧洞、暗渠輸水，到達(dá)輸水工程末端。各泵站和水閘的電氣和控制設(shè)備分別為泵站內(nèi)水泵和閥門、分水閘(閥)等提供動力和控制，協(xié)調(diào)調(diào)度梯級加壓泵站和輸水系統(tǒng)的聯(lián)合運行，實現(xiàn)供水目標(biāo)。本發(fā)明還提供了上述長距離輸水工程系統(tǒng)的節(jié)能方法，本方法以工程總造價的年值或凈現(xiàn)值最小為前提，為避免強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的同時帶來工程投資增加等其它問題。
【專利說明】
長距離輸水工程系統(tǒng)及總體布置節(jié)能方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種山丘區(qū)輸水工程系統(tǒng)，特別涉及一種長距離具有多級提水和加壓 栗站、輸水明渠、壓力管道、隧洞、暗渠、引水閘、節(jié)制閘、倒虹吸等建筑物型式和加壓輸水、 無壓重力流輸水、有壓重力流輸水方式的復(fù)雜輸水系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及所述輸水工程系統(tǒng) 的節(jié)能方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水資源短缺問題越來越突出，長距離、跨流域調(diào)水 工程作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施不斷興建。長距離大型輸水工程涉及的輸水建筑物型式種類繁 多：如引水閘、節(jié)制閘、倒虹吸、提水栗站、加壓栗站、輸水明渠、渡槽、管道、暗渠、隧洞、明渠 分水閘、管道分水口、調(diào)節(jié)水池等;輸水方式常見的有:無壓重力流輸水、加壓輸水、有壓重 力流輸水，以及多種輸水方式的結(jié)合等。
[0003] 長距離調(diào)水工程是重要的能耗大戶，能耗成本往往占很大的比例。但由于大型調(diào) 水工程投資大、組成建筑物多、系統(tǒng)總體布局復(fù)雜、涉及面廣，以及目前我國在長距離大型 輸水工程的規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備制造、施工和運行管理等方面存在的不合理現(xiàn)象和不同程度的 技術(shù)差距，造成了工程能源浪費、利用效率低和工程運行成本高等問題。因此，在長距離調(diào) 水工程系統(tǒng)中研究節(jié)約能源，具有特別重要的意義，也是本發(fā)明需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的長距 離大型輸水工程系統(tǒng)及節(jié)能方法。
[0005] 本發(fā)明中的輸水工程系統(tǒng)是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0006] -種長距離輸水工程系統(tǒng)，在輸水工程始端和末端的輸水系統(tǒng)沿線上設(shè)置連續(xù)的 若干級栗站，所述栗站包括提水栗站和加壓栗站；
[0007] 每一級提水栗站前后連接輸水明渠，所述輸水明渠渠首設(shè)置引水閘、沿線設(shè)若干 座節(jié)制閘、根據(jù)地形變化選自用于輸送水流穿越或跨越障礙的倒虹吸和渡槽；
[0008] 每一級加壓栗站后連接輸水管路至下一級栗站，所述輸水管路根據(jù)地形變化選自 用于輸送水流穿越或跨越障礙的輸水管道、隧洞、暗渠中的一種或多種的結(jié)合;所述輸水系 統(tǒng)沿線上用于連通用水戶的分水閘和設(shè)有分水閥門的分水口。
[0009] 優(yōu)選的，所述提水栗站前具有前池，前池上游設(shè)清污機(jī)，所述倒虹吸進(jìn)口設(shè)攔污柵 和具有節(jié)制閘功能的檢修閘門，引水閘、節(jié)制閘及倒虹吸進(jìn)口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電 可自動關(guān)閉閘門的齒桿式啟閉機(jī)。
[0010]優(yōu)選的，所述栗站、引水閘、節(jié)制閘、和分水閘連接用于提供動力和控制的電氣控 制設(shè)備。
[0011]優(yōu)選的，所述每一級加壓栗站前均設(shè)有前池。
[0012]優(yōu)選的，所述每一級加壓栗站的第一級加壓栗站具有前池，其它級加壓栗站前沒 有前池。
[0013] 優(yōu)選的，所述提水栗站和加壓栗站組成均包括水栗進(jìn)水端和出水端，在進(jìn)水端和 出水端之間并聯(lián)連接的若干個定速水栗和調(diào)速水栗，每個水栗分別設(shè)有一水栗控制柜，在 栗站前池、栗站的各水栗進(jìn)出水端、分水口、沿輸水線路控制點均設(shè)置有壓力表、流量計、水 位計、計時器，還包括一控制單元，所述控制單元的數(shù)據(jù)采集端與所述的壓力表、流量計、水 位計、計時器連接，所述控制單元的控制端與控制水栗的水栗控制柜連接。
[0014] 本發(fā)明還提供了上述長距離輸水工程系統(tǒng)的節(jié)能方法，所述節(jié)能方法為避免強(qiáng)調(diào) 系統(tǒng)節(jié)能的同時帶來工程投資增加等其它問題，是以工程總造價的年值或凈現(xiàn)值最小為前 提的。其是輸水工程系統(tǒng)的總體布置與輸水方式的節(jié)能方法，所述節(jié)能方法主要包括以下 步驟：
[0015] S10:選擇多個可行的輸水系統(tǒng)方案；
[0016] S20:對多個可行的輸水系統(tǒng)方案以系統(tǒng)年綜合費用z進(jìn)行計算，z最小的方案最為 節(jié)能，使Zmin.
[0017]
[0018] 瓦甲：i一銀仃牛利準(zhǔn)；
[0019] Pkj-管道、隧洞、暗渠、明渠、渡槽、栗站等工程組成建筑物的投資；
[0020] y-投資回收期的年限；
[0021] m-工程組成建筑物的數(shù)量；
[0022] η-所選用的水栗數(shù)目（包括備用水栗），臺；
[0023] k-備用水栗的數(shù)目，臺；
[0024] α-年折舊率;α」指第m個工程組成建筑物的年折舊率；
[0025] b一單位電能的費用[元/(kW · h)];
[0026] p-水的密度(kg/m3);
[0027] Qi-第i級栗站1年中隨季節(jié)變化的平均日輸水量(m3/s);
[0028] Hsyi-相應(yīng)于Qi的栗站裝置揚程(m);
[0029] Ti一第i級栗站1年中平均工作小時數(shù)(h);
[0030 ] ηρ-水栗效率；
[0031] nPi-管道效率;nPi=Hsyi/Hi
[0032] rut -電動機(jī)效率。
[0033]優(yōu)選的，所述步驟S10中在選擇輸水系統(tǒng)方案中輸水方式的節(jié)能是在輸水條件具 備時依次優(yōu)先選用有壓重力流輸水、明渠無壓重力流輸水、加壓輸水和重力流結(jié)合輸水、加 壓輸水。
[0034]優(yōu)選的，所述步驟S10的步驟如下：
[0035] S11:根據(jù)輸水系統(tǒng)的水源地和供水目標(biāo)，以及系統(tǒng)沿線受水區(qū)位置和地形地貌， 規(guī)劃輸水線路平面布置方案；
[0036] SI 2:對各平面布置方案縱、橫斷面設(shè)計；
[0037] S13:水力計算，能否管道自流，如是，則進(jìn)入步驟S20;如否，則進(jìn)入步驟S14;
[0038] S14:是否具備全線重力流明渠輸水，如是，則進(jìn)入步驟S20;如否，則進(jìn)入步驟S15;
[0039] S15:是否具備梯級提水明渠輸水，如是，則進(jìn)入步驟S16;如否，則進(jìn)入步驟S17;
[0040] S16:確定栗站級數(shù)和位置，優(yōu)化水栗選型、大小栗組合或調(diào)速栗最優(yōu)組合運行、傳 動效率、進(jìn)出水設(shè)施，進(jìn)入步驟S20;
[0041] S17:是否加壓與重力流組合輸水，如是，優(yōu)化節(jié)能管徑、管材、加壓栗站級數(shù)、位 置;確定加壓段的控制點，調(diào)節(jié)池位置、隧洞及暗渠型式、長度、進(jìn)出口高程，進(jìn)入步驟S20; 如否，則采用加壓輸水，優(yōu)化節(jié)能管徑、管材、加壓栗站級數(shù)、位置，進(jìn)入步驟S20。
[0042]本發(fā)明另外提供了一種長距離輸水工程系統(tǒng)的節(jié)能方法，所述節(jié)能方法為水栗選 型節(jié)能方法，其包括以下步驟：
[0043] S31:確定長距離輸水工程系統(tǒng)的若干級栗站的級數(shù)和位置，選擇水栗；
[0044] S32:調(diào)速栗和定速栗臺數(shù)的確定
[0045] (1)調(diào)速栗和定速栗不同型號時，應(yīng)滿足：
[0046]
[0047] 式中Q-總調(diào)水量；
[0048] Qi-調(diào)速栗額定轉(zhuǎn)速設(shè)計工況點的流量；
[0049] Q2-定速栗額定轉(zhuǎn)速設(shè)計工況點的流量；
[0050] η一定速栗臺數(shù);η = 1，2,…，η [0051 ] Η-調(diào)速栗和定速栗揚程；
[0052] ΗΡ-栗站出口設(shè)定壓力。
[0053] (2)調(diào)速栗和定速栗相同型號時，應(yīng)滿足：
[0054]
[0055] 式(2)、（3)中，Q、HP已知，需求出Q^Q^H;分別設(shè)η = 1，2,…，η即可得到相應(yīng)的幾個 方案;結(jié)合水栗產(chǎn)品樣本及參數(shù)，初步確定調(diào)速栗和定速栗數(shù)量的組合方案；
[0056] S33:核定各個工況時調(diào)速栗和定速栗是否工作在高效區(qū)內(nèi)，若工作偏出高效區(qū)， 則應(yīng)重新選栗；
[0057] S34:枚舉法計算上述經(jīng)核定的調(diào)速栗和定速栗數(shù)量組合方案的栗站栗組的年綜
合費用
[0058]
[0059] 式中：
[0000] Zb 栗站年綜合費用，萬兀/年；
[0061] η一一所選用的水栗數(shù)目（包括備用水栗），臺；
[0062] k 備用水栗的數(shù)目，臺；
[0063] 1一一調(diào)速器的數(shù)目，臺；
[0064] Ml-一第i臺水栗和電機(jī)的初投資，萬元；
[0065] P,--第i臺調(diào)速器的初投資，萬元；
[0066] y一一投資回收期的年限，；
[0067] α--設(shè)備年大修費率；
[0068] ρ一一輸送介質(zhì)的密度；
[0069] Qi--第i臺水栗的流量，m3/h;
[0070] Hi--第i臺水栗的揚程，m;
[0071 ] ηι--第i臺水栗的揚程的總效率（％ );
[0072] t一一水栗的年運行時間，h;
[0073] b--電價，元/kw · h;
[0074] i--銀彳丁年利率；
[0075] g一一重力加速度，為9.81m/s2;
[0076] S35:以年綜合費用最小為原則，確定栗站調(diào)速栗和定速栗臺數(shù)的最優(yōu)組合方案。
[0077]本發(fā)明還提供了一種長距離輸水工程系統(tǒng)的節(jié)能方法，所述節(jié)能方法為水栗運行 節(jié)能方法，其包括以下步驟：
[0078] S41:確定覆蓋栗站流量變化范圍的水栗運行工況，保證調(diào)速栗和定速栗工作在高 效區(qū)內(nèi)。
[0079] (1)調(diào)速栗和定速栗不同型號時對應(yīng)工況和開栗組合
[0080]
[0081] 其中，Qi為調(diào)速栗最大流量，Q2為定速栗的流量。
[0082] (2)調(diào)速栗和定速栗相同型號時對應(yīng)工況和開栗組合
[0083]
[0084] S42:水栗工況點參數(shù)的確定
[0085] (1)讀取水栗參數(shù)數(shù)據(jù)，包括單臺水栗的數(shù)個流量Qi、揚程出、功率Pi工況點數(shù)據(jù)， 單臺水栗最小運行流量Qmin、最大運行流量Qmax，已安裝的定速栗數(shù)量η定和調(diào)速栗數(shù)量η調(diào)； 管道阻耗系數(shù)S;通過流量計、壓力表等數(shù)據(jù)采集裝置獲取系統(tǒng)運行工況的總流量QT、揚程 H〇
[0086] (2)依據(jù)定速水栗作為主力水栗參與運行，定速栗揚程等于工況點揚程，其余流量 由調(diào)速水栗通過調(diào)速運行供給的原則進(jìn)行計算。
[0087] 計算單臺調(diào)速栗的流量
[0088] 〇j周=(qt-Qgxn定）+n調(diào)；(5)
[0089] (3)定速栗工況點、調(diào)速水栗額定工況點的確定
[0090] 由栗和管道系統(tǒng)特性曲線方程式(7)和式(8)聯(lián)立求出定速栗工況點、調(diào)速水栗額 定工況點的Q和Η值。其中水栗Q-H曲線由下列多項式擬合：
[0091] H=H〇+AiQ+A2Q2+---+AmQm (6)
[0092] 根據(jù)最小二乘原理求Ηο、Αι、Α2、···、Αω的線性方程組為：
[0093]
[0094] 解式(7)就可求得 Hq、Ai、A2、···、Am。
[0095] 管道系統(tǒng)特性曲線方程為：
[0096] H=Hst+SQ2 (8)
[0097] 式中HST為靜揚程。
[0098] (4)調(diào)速栗轉(zhuǎn)速n2
[0099] η2 = ηι X (Q2/Q1) (9)
[0100] 式中m、Qi工況點轉(zhuǎn)速和流量;〇2指112對應(yīng)流量。
[0101 ] S43:根據(jù)運行實測數(shù)據(jù)，計算各工況水栗軸功率之和，選擇工況軸功率最小為最 佳方案。
[0102] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0103] 圖la為本發(fā)明方案一的輸水管線平面布置示意圖（前半部分）；
[0104] 圖lb為本發(fā)明方案一的輸水管線平面布置示意圖（后半部分）；
[0105]圖2a為本發(fā)明方案二的輸水管線平面布置示意圖（前半部分）；
[0106] 圖2b為本發(fā)明方案二的輸水管線平面布置示意圖（后半部分）；
[0107] 圖3為本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計的流程圖。
【具體實施方式】
[0108] 下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0109] 本發(fā)明中的山丘區(qū)輸水工程系統(tǒng)是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0110] 本發(fā)明一方面提供了兩種長距離輸水工程系統(tǒng)，其中，栗站1;引水閘2;分水閘3; 明渠4;清污機(jī)5;前池6;節(jié)制閘7;攔污柵8;倒虹吸9;渡槽10;壓力管道11、隧洞12、暗渠13、 分水口 14、水庫15、高位水池16。
[0111] 方案一
[0112] 如圖la、lb所示，在輸水工程始端和末端的輸水系統(tǒng)沿線上設(shè)置連續(xù)的若干級栗 站1，栗站1包括連續(xù)的三級提水栗站和連續(xù)的四級加壓栗站。其中提水栗站指明渠上的栗 站，提水栗站位于加壓栗站的上游。每一級提水栗站前后連接輸水明渠4,所述輸水明渠4渠 首設(shè)置引水閘2、沿線設(shè)若干座節(jié)制閘7、根據(jù)地形變化選自用于輸送水流穿越或跨越障礙 的倒虹吸9和渡槽10,所述提水栗站前池上游設(shè)清污機(jī)5、倒虹吸進(jìn)口設(shè)攔污柵8和具有節(jié)制 閘功能的檢修閘門，引水閘2、節(jié)制閘7及倒虹吸進(jìn)口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電可自動關(guān) 閉閘門的齒桿式啟閉機(jī)。每一級加壓栗站均包括前池6、栗站1和輸水管路，所述栗站1前設(shè) 有前池6,栗站1后連接輸水管路至下一級栗站的前池6,所述輸水管路根據(jù)地形變化選自用 于輸送水流穿越或跨越障礙的輸水管道(壓力管道11)、隧洞12、暗渠13中的一種或多種的 結(jié)合;所述輸水系統(tǒng)沿線上用于連通用水戶的分水閘3和設(shè)有分水閥門的分水口 14;所述栗 站1、引水閘2、節(jié)制閘7和分水閘3連接用于提供動力和控制的電氣控制設(shè)備。
[0113] 方案二
[0114] 如圖2a、2b所示，另一種長距離輸水工程系統(tǒng)與上述系統(tǒng)的線路走向布置及建筑 物等基本相同，不同點只是四級加壓栗站的后三級加壓栗站沒有前池，這樣四級加壓栗站 直至工程末端完全串聯(lián)起來，實現(xiàn)多級加壓栗站系統(tǒng)直連而不中斷。
[0115] 本發(fā)明的長距離大型輸水工程系統(tǒng)通過逐級提水和加壓栗站及明渠、倒虹吸、渡 槽、管道、隧洞、暗渠輸水，到達(dá)輸水工程末端。各栗站和水閘的電氣和控制設(shè)備分別為栗站 內(nèi)水栗和閥門、分水閘（閥）等提供動力和控制，協(xié)調(diào)調(diào)度梯級加壓栗站和輸水系統(tǒng)的聯(lián)合 運行，實現(xiàn)供水目標(biāo)。由此可見，本發(fā)明通過將輸水系統(tǒng)沿線上分為連續(xù)的若干級，從而既 可以根據(jù)每一級的地形、流量、分水口位置、分水流量等特點設(shè)置不同的、最適合節(jié)能的建 筑組成和位置，還可以通過電氣控制設(shè)備實現(xiàn)不同級栗站的輸水量等，實現(xiàn)輸水系統(tǒng)的聯(lián) 合優(yōu)化節(jié)能運行。
[0116] 優(yōu)選的，所述系統(tǒng)提水栗站和加壓栗站組成包括水栗進(jìn)水端和出水端，在進(jìn)水端 和出水端之間并聯(lián)連接的若干個定速水栗和調(diào)速水栗，其特征在于所述每個水栗分別設(shè)有 一水栗控制柜，在栗站前池、栗站的各水栗進(jìn)出水端、分水口、沿輸水線路控制點均設(shè)置有 壓力表、流量計、水位計、計時器，還包括一控制單元，所述控制單元的數(shù)據(jù)采集端與所述的 壓力表、流量計、水位計、計時器連接，所述控制單元的控制端與控制水栗的水栗控制柜連 接。
[0117] 本發(fā)明還提供了上述山丘區(qū)長距離輸水工程系統(tǒng)的節(jié)能方法，所述節(jié)能方法為避 免強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的同時帶來工程投資增加等其它問題，是以工程總造價的年值或凈現(xiàn)值最 小為前提的。所述節(jié)能方法主要包括以下步驟：
[0118] 注:每一步中的公式參數(shù)含義相互獨立，若不同步驟間同一參數(shù)可能用不同的字 母表示，以各自表示的含義為準(zhǔn)。
[0119] 第一步、輸水工程系統(tǒng)的總體布置與輸水方式的節(jié)能方法
[0120] 該節(jié)能方法包括以下步驟：
[0121] 1、選擇多個可行的輸水系統(tǒng)方案。取指相同的取水點和受水點(起點、終點），不同 的線路、栗站級數(shù)或不同數(shù)量的隧洞、倒虹吸、管道、暗渠等方案。
[0122] 2、輸水工程系統(tǒng)的總體布置的節(jié)能主要是滿足各線路方案的工程總造價年值或 凈現(xiàn)值最小，以此得出系統(tǒng)最合理的栗站級數(shù)、栗站臺數(shù)、流速、管徑、糙率和渠道橫斷面尺 寸的參數(shù)。節(jié)能途徑是線路總長度最短L-Lmin、總揚程最低多方案優(yōu)化渠道等建 筑物的斷面尺寸、渠底坡降、襯砌形式、管徑、管道根數(shù)等。
[0123] 實現(xiàn)工程系統(tǒng)年綜合費用最小，應(yīng)使Z^min.
[0124]
25] 式中：i一銀彳丁年利率；
[0126] Pkj-管道、隧洞、暗渠、明渠、渡槽、栗站等工程組成建筑物的投資；
[0127] y-投資回收期的年限；
[0128] m-工程組成建筑物的數(shù)量；
[0129] η-所選用的水栗數(shù)目（包括備用水栗），臺；
[0130] k-備用水栗的數(shù)目，臺；
[0131] α-年折舊率;α」指第m個工程組成建筑物的年折舊率。
[0132] b一單位電能的費用[元/(kW · h)];
[0133] p-水的密度(kg/m3);
[0134] Qi-第i級栗站1年中隨季節(jié)變化的平均日輸水量(m3/s);
[0135] Hsyi-相應(yīng)于Qi的栗站裝置揚程(m);
[0136] Ti-第i級栗站1年中平均工作小時數(shù)(h);
[0137] ηρ一水栗效率；
[0138] nPi-管道效率;nPi=Hsyi/Hi
[0139] rut -電動機(jī)效率。
[0140]其中，步驟1中輸水方式的節(jié)能是在輸水條件具備時依次優(yōu)先選用有壓重力流輸 水、明渠無壓重力流輸水、加壓輸水和重力流結(jié)合輸水、加壓輸水。輸水方式的優(yōu)選，結(jié)合所 述輸水工程系統(tǒng)的總體布置，實現(xiàn)工程系統(tǒng)年綜合費用最小，即：Z^min見式(1)。
[0141] 優(yōu)化流程見圖3。
[0142] 步驟1具體步驟如下：
[0143] S11:根據(jù)輸水系統(tǒng)的水源地和供水目標(biāo)，以及系統(tǒng)沿線受水區(qū)位置和地形地貌， 規(guī)劃輸水線路平面布置方案；
[0144] S12:對各平面布置方案縱、橫斷面設(shè)計；
[0145] S13:水力計算，能否管道自流，如是，則進(jìn)入步驟2;如否，則進(jìn)入步驟S14;
[0146] S14:是否具備全線重力流明渠輸水，如是，則進(jìn)入步驟2;如否，則進(jìn)入步驟S15;
[0147] S15:是否具備梯級提水明渠輸水，如是，則進(jìn)入步驟S16;如否，則進(jìn)入步驟S17;
[0148] S16:確定栗站級數(shù)和位置，優(yōu)化水栗選型、大小栗組合或調(diào)速栗最優(yōu)組合運行、傳 動效率、進(jìn)出水設(shè)施，進(jìn)入步驟2;
[0149] S17:是否加壓與重力流組合輸水，如是，優(yōu)化節(jié)能管徑、管材、加壓栗站級數(shù)、位 置;確定加壓段的控制點，調(diào)節(jié)池位置、隧洞及暗渠型式、長度、進(jìn)出口高程，進(jìn)入步驟2;如 否，則采用加壓輸水，優(yōu)化節(jié)能管徑、管材、加壓栗站級數(shù)、位置，進(jìn)入步驟2。
[0150]上述綜合節(jié)能方法得到了前述的輸水系統(tǒng)，相比而言，由于第二種輸水系統(tǒng)方案 的后三級加壓栗站沒有前池，四級加壓栗站直至工程末端完全串聯(lián)起來，實現(xiàn)多級栗站系 統(tǒng)直連加壓而不中斷。每級加壓栗站輸水管道末端的剩余水頭(至少2~3m)都得到了充分 利用，所以更為節(jié)能。
[0151] 第二步、水栗選型的節(jié)能
[0152] 該節(jié)能方法為水栗選型節(jié)能方法，其包括以下步驟：
[0153] 1、選用效率較高的水栗；
[0154] 2、調(diào)速栗和定速栗臺數(shù)的確定，設(shè)定調(diào)速栗為兩臺（當(dāng)然亦可設(shè)為變量）
[0155] (1)調(diào)速栗和定速栗不同型號時，應(yīng)滿足：
[0156]
[0157] 式中Q-總調(diào)水量；
[0158] Qi-調(diào)速栗額定轉(zhuǎn)速設(shè)計工況點的流量；
[0159] Q2-定速栗額定轉(zhuǎn)速設(shè)計工況點的流量；
[0160] η一定速栗臺數(shù);η = 1，2,…，η
[0161] Η-調(diào)速栗和定速栗揚程；
[0162] ΗΡ-栗站出口設(shè)定壓力。
[0163] (2)調(diào)速栗和定速栗相同型號時，應(yīng)滿足：
[0164]
[0165] 式(2)、（3)中，Q、HP已知，需求出Q^Q^H;分別設(shè)η = 1，2,…，η即可得到相應(yīng)的幾個 方案;結(jié)合水栗產(chǎn)品樣本及參數(shù)，初步確定調(diào)速栗和定速栗數(shù)量的組合方案。
[0166] 3、核定各個工況時調(diào)速栗和定速栗是否工作在高效區(qū)內(nèi)，若工作偏出高效區(qū)，則 應(yīng)重新選栗。
[0167] 4、枚舉法計算上述經(jīng)核定的調(diào)速栗和定速栗數(shù)量組合方案的栗站栗組的年綜合 費用。
[0168]
[0169]式中：Zb--栗站年綜合費用，萬元/年；
[0170] η一一所選用的水栗(數(shù)目（包括備用水栗），臺；
[0171] k一一備用水栗的數(shù)目，臺；
[0172] 1一一調(diào)速器的數(shù)目，臺；
[0173] M,一一第i臺水栗和電機(jī)的初投資，萬元；
[0174] P,--第i臺調(diào)速器的初投資，萬元；
[0175] y--投資回收期的年限；
[0176] α一一設(shè)備年大修費率；
[0177] ρ一一輸送介質(zhì)的密度；
[0178] Qi--第i臺水栗的流量，m3/h;
[0179] Hi--第i臺水栗的揚程，m;
[0180] ηι--第i臺水栗的揚程的總效率（％ );
[0181] t一一水栗的年運行時間，h;
[0182] b--電價，元/kw · h;
[0183] i--銀彳丁年利率；
[0184] g--重力加速度，為9.81m/s2。
[0185] 其中，調(diào)速器+水栗=調(diào)速栗，水栗=定速栗。
[0186] 5、以年綜合費用最小為原則，確定栗站調(diào)速栗和定速栗臺數(shù)的最優(yōu)組合方案。
[0187] 第三步、水栗運行節(jié)能方法
[0188] 該節(jié)能方法為水栗運行節(jié)能方法，其包括以下步驟：
[0189] 1、確定覆蓋栗站流量變化范圍的水栗運行工況，保證調(diào)速栗和定速栗工作在高效 區(qū)內(nèi)。
[0190] (1)調(diào)速栗和定速栗不同型號時對應(yīng)工況和開栗組合
[0191]
[0193] 其中，Q1為調(diào)速栗最大流量，Q2為定速栗的流量。
[0194] (2)調(diào)速栗和定速栗相同型號時對應(yīng)工況和開栗組合
[0195]
[0196] ~2、水栗工況點參數(shù)的確定
[0197] (1)讀取水栗參數(shù)數(shù)據(jù)，包括單臺水栗的數(shù)個流量Qi、揚程出、功率Pi工況點數(shù)據(jù)， 單臺水栗最小運行流量Qmin、最大運行流量Qmax，已安裝的定速栗數(shù)量η定和調(diào)速栗數(shù)量η調(diào)； 管道阻耗系數(shù)S;通過流量計、壓力表等數(shù)據(jù)采集裝置獲取系統(tǒng)運行工況的總流量Q T、揚程 H〇
[0198] (2)依據(jù)定速水栗作為主力水栗參與運行，定速栗揚程等于工況點揚程，其余流量 由調(diào)速水栗通過調(diào)速運行供給的原則進(jìn)行計算。
[0199] 計算單臺調(diào)速栗的流量
[0200] 〇j周=(qt-Qgxn定）+n調(diào)；(5)
[0201 ] (3)定速栗工況點、調(diào)速水栗額定工況點的確定
[0202] 由栗和管道系統(tǒng)特性曲線方程式(7)和式(8)聯(lián)立求出定速栗工況點、調(diào)速水栗額 定工況點的Q和Η值。其中水栗Q-H曲線由下列多項式擬合：
[0203] H=H〇+AiQ+A2Q2+---+AmQ m (6)
[0204] 式中，Ho為Q = 0對應(yīng)的!^1、厶2、'"人為栗〇-!1擬合曲線多項式系數(shù)，，111為指數(shù)，決 定式(6)的項數(shù)，一般取2或3。
[0205] 根據(jù)最小二乘原理求Ηο、Αι、Α2、···、Αω的線性方程組為：
[0206
[0207」 用千jaa < "丁ybHJ 小1寸、...、/im0
[0208]上式中η指擬合Q-H曲線所取得坐標(biāo)點數(shù)，i指除(Qo，Ho)以外的點。
[0209] 管道系統(tǒng)特性曲線方程為：
[0210] H=Hst+SQ2 (8)
[0211] 式中HST為靜揚程。S指管道阻耗系數(shù)(即管道阻力系數(shù)）。
[0212] (4)調(diào)速栗轉(zhuǎn)速n2
[0213] η2 = ηι X (Q2/Q1) (9)
[0214] 式中m及分別指工況點轉(zhuǎn)速和流量;〇2指112對應(yīng)流量。
[0215] 3、根據(jù)運行實測數(shù)據(jù)，計算各工況水栗軸功率之和，選擇工況軸功率最小為最佳 方案。
[0216]第四步、自動化控制的節(jié)能
[0217] (1)清污機(jī)的節(jié)能，通過設(shè)置在清污機(jī)上下游的水位計控制水位差，當(dāng)水位差大于 設(shè)定值時，清污機(jī)自動開啟，減小水頭損失。
[0218] 清污機(jī)在大型輸水渠道清污閘一般裝設(shè)多臺，每臺獨立工作。每臺清污機(jī)上設(shè)置1 塊按鈕箱，箱上安裝機(jī)旁開停按鈕;設(shè)置公用動力饋電屏1塊、屏內(nèi)主要安裝空氣斷路器、交 流接觸器、電流互感器等一次設(shè)備;設(shè)置公用PLC控制屏1塊，屏內(nèi)主要安裝PLC、觸摸屏、水 位流速顯示儀、智能儀表、10/100M工業(yè)以太網(wǎng)光傳輸交換機(jī)等。動力饋電屏及PLC控制屏安 裝在現(xiàn)場控制房間內(nèi)。動力饋電屏及PLC控制屏至清污機(jī)的動力及控制電纜沿電纜溝及穿 管敷設(shè)。
[0219] 全年節(jié)省電耗可按下式計算：
[0220]
(.⑴
[0221] 式中弘一1年中栗站的平均日輸水量(L/s);
[0222] Hi-相應(yīng)于Qi的水位差；
[0223] Ti一 1年中平均栗站工作小時數(shù)(h);
[0224] p-水的密度，取 p = lkg/L;
[0225] ηρ一水栗效率（％);
[0226] %-電機(jī)效率（％);
[0227 ] ηη一電網(wǎng)效率（％);
[0228] α-每lkWh電的價格(元/度）。
[0229] nPnm為水栗裝置效率。
[0230] (2)沿線栗站前池及控制點水位的自動控制節(jié)能
[0231] 在水栗的運行過程中，應(yīng)選用先進(jìn)的控制儀表，實行水位、流量、壓力自動監(jiān)測，通 過PLC實現(xiàn)最佳控制，合理調(diào)整工況，保證高效工作。
[0232] 第五步、采用附屬建筑物設(shè)施的節(jié)能方法
[0233] (1)長距離輸水管道沿線采用多功能一體化附屬設(shè)施
[0234] 多功能一體化附屬設(shè)施通過將封堵板采用裝配連接的方式設(shè)置在輸水管道的各 試壓段上，從而將輸水管道的每一試壓段分隔為相鄰的兩個試壓段，每一試壓段通過管路 連通后即能夠?qū)崿F(xiàn)每一試壓段單獨試壓或逐段連通試壓，可以節(jié)約試壓用水，達(dá)到節(jié)能目 的；大大縮短試壓工期，同時裝置裝配及拆卸簡單，也有利于縮短工程整體工期;在試壓過 程中其混凝土邊墻起到固定管道，防止輸水管道充水試壓時發(fā)生位移，代替常規(guī)的管道試 壓靠背;其還兼作管道止推墩和鎮(zhèn)墩，并同時作為閥門井使用，可以大大節(jié)約工程投資和節(jié) 能。
[0235] 詳見"一種山丘區(qū)輸水管道試壓方法及試壓裝置"專利(專利號201310453054.9)。
[0236] (2)引水閘、節(jié)制閘及倒虹吸進(jìn)口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電可自動關(guān)閉閘門的 齒桿式啟閉機(jī)，事故停電時，齒桿式啟閉機(jī)自動關(guān)閉閘門將明渠水流分段截斷，避免壅高至 下游漫堤，造成安全事故和水的浪費。見"齒桿式啟閉機(jī)"專利，房金賢。
[0237] (3)自動控制通過沿線流量、壓力的檢測，及時、準(zhǔn)確判斷事故點，實現(xiàn)自動停機(jī)流 程關(guān)機(jī)，關(guān)閉事故點的上下游閥門，減少棄水和水栗機(jī)組運行時間，節(jié)約能源。
[0238] 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例和比較例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理 解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和 變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1. 一種長距離輸水工程系統(tǒng)，其特征在于，在輸水工程始端和末端的輸水系統(tǒng)沿線上 設(shè)置連續(xù)的若干級栗站，所述栗站包括提水栗站和加壓栗站； 每一級提水栗站前后連接輸水明渠，所述輸水明渠渠首設(shè)置引水閘、沿線設(shè)若干座節(jié) 制閘、根據(jù)地形變化選自用于輸送水流穿越或跨越障礙的倒虹吸和渡槽； 每一級加壓栗站后連接輸水管路至下一級栗站，所述輸水管路根據(jù)地形變化選自用于 輸送水流穿越或跨越障礙的輸水管道、隧洞、暗渠中的一種或多種的結(jié)合;所述輸水系統(tǒng)沿 線上用于連通用水戶的分水閘和設(shè)有分水閥門的分水口。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長距離輸水工程系統(tǒng)，其特征在于，所述提水栗站前具有前 池，前池上游設(shè)清污機(jī)，所述倒虹吸進(jìn)口設(shè)攔污柵和具有節(jié)制閘功能的檢修閘門，引水閘、 節(jié)制閘及倒虹吸進(jìn)口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電可自動關(guān)閉閘門的齒桿式啟閉機(jī)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長距離輸水工程系統(tǒng)，其特征在于，所述栗站、引水閘、節(jié)制 閘、和分水閘連接用于提供動力和控制的電氣控制設(shè)備。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長距離輸水工程系統(tǒng)，其特征在于，所述每一級加壓栗站前均 設(shè)有前池。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長距離輸水工程系統(tǒng)，其特征在于，所述每一級加壓栗站的第 一級加壓栗站具有前池，其它級加壓栗站前沒有前池。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長距離輸水工程系統(tǒng)，其特征在于，所述提水栗站和加壓栗站 組成均包括水栗進(jìn)水端和出水端，在進(jìn)水端和出水端之間并聯(lián)連接的若干個定速水栗和調(diào) 速水栗，每個水栗分別設(shè)有一水栗控制柜，在栗站前池、栗站的各水栗進(jìn)出水端、分水口、沿 輸水線路控制點均設(shè)置有壓力表、流量計、水位計、計時器，還包括一控制單元，所述控制單 元的數(shù)據(jù)采集端與所述的壓力表、流量計、水位計、計時器連接，所述控制單元的控制端與 控制水栗的水栗控制柜連接。7. -種長距離輸水工程系統(tǒng)的節(jié)能方法，所述節(jié)能方法主要包括以下步驟： SlO:選擇多個可行的輸水系統(tǒng)方案； S20:對多個可行的輸水系統(tǒng)方案以系統(tǒng)年綜合費用z進(jìn)行計算，z最小的方案最為節(jié) 能，使Z^min.式中：i一銀行年利率； Pkj-工程組成建筑物的投資； y-投資回收期的年限； m-工程組成建筑物的數(shù)量； η-所選用的水栗數(shù)目（包括備用水栗），臺； k一備用水栗的數(shù)目，臺； α 一年折舊率； b-單位電能的費用[元/(kW · h)]; P一水的密度(kg/m3); Q1-第i級栗站1年中隨季節(jié)變化的平均日輸水量(m3/s); Hsyi一相應(yīng)于Qi的栗站裝置揚程(m); T1 一第i級栗站1年中平均工作小時數(shù)(h); tIp一水栗效率； rIpi-管道效率;rIpi = HSyi/Hi rImot 一電動機(jī)效率。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的節(jié)能方法，其特征在于，所述步驟SlO中在選擇輸水系統(tǒng)方案 中輸水方式的節(jié)能是在輸水條件具備時依次優(yōu)先選用有壓重力流輸水、明渠無壓重力流輸 水、加壓輸水和重力流結(jié)合輸水、加壓輸水。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的節(jié)能方法，其特征在于，所述步驟SlO的步驟如下： Sll:根據(jù)輸水系統(tǒng)的水源地和供水目標(biāo)，以及系統(tǒng)沿線受水區(qū)位置和地形地貌，規(guī)劃 輸水線路平面布置方案； S12:對各平面布置方案縱、橫斷面設(shè)計； S13:水力計算，能否管道自流，如是，則進(jìn)入步驟S20;如否，則進(jìn)入步驟S14; S14:是否具備全線重力流明渠輸水，如是，則進(jìn)入步驟S20;如否，則進(jìn)入步驟S15; S15:是否具備梯級提水明渠輸水，如是，則進(jìn)入步驟S16;如否，則進(jìn)入步驟S17; S16:確定栗站級數(shù)和位置，優(yōu)化水栗選型、大小栗組合或調(diào)速栗最優(yōu)組合運行、傳動效 率、進(jìn)出水設(shè)施，進(jìn)入步驟S20; S17:是否加壓與重力流組合輸水，如是，優(yōu)化節(jié)能管徑、管材、加壓栗站級數(shù)、位置;確 定加壓段的控制點，調(diào)節(jié)池位置、隧洞及暗渠型式、長度、進(jìn)出口高程，進(jìn)入步驟S20;如否， 則采用加壓輸水，優(yōu)化節(jié)能管徑、管材、加壓栗站級數(shù)、位置，進(jìn)入步驟S20。
【文檔編號】E03B1/02GK105887964SQ201610259241
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】杜培文, 許志剛, 王金華, 李孟, 李鵬飛, 曹蘭蘭
【申請人】杜培文