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，到達輸水工程末端。各泵站和水閘的電氣和控制設備分別為泵站內水泵和閥門、分水閘(閥)等提供動力和控制，協(xié)調調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。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，為避免強調系統(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
技術領域
[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】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水資源短缺問題越來越突出，長距離、跨流域調水 工程作為重要的基礎設施不斷興建。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合等。
[0003] 長距離調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 水工程投資大、組成建筑物多、系統(tǒng)總體布局復雜、涉及面廣，以及目前我國在長距離大型 輸水工程的規(guī)劃設計、設備制造、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 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)明內容】
：
[0004] 針對現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種經(jīng)濟合理、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置引水閘、沿線設若干 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合;所述輸水系 統(tǒng)沿線上用于連通用水戶的分水閘和設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，前池上游設清污機，所述倒虹吸進口設攔污柵 和具有節(jié)制閘功能的檢修閘門，引水閘、節(jié)制閘及倒虹吸進口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電 可自動關閉閘門的齒桿式啟閉機。
[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 制設備。
[0011]優(yōu)選的，所述每一級加壓栗站前均設有前池。
[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水端和出水端，在進水端和 出水端之間并聯(lián)連接的若干個定速水栗和調速水栗，每個水栗分別設有一水栗控制柜，在 栗站前池、栗站的各水栗進出水端、分水口、沿輸水線路控制點均設置有壓力表、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)能方法為避免強調 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；
[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，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、橫斷面設計；
[0037] S13:水力計算，能否管道自流，如是，則進入步驟S20;如否，則進入步驟S14;
[0038] S14:是否具備全線重力流明渠輸水，如是，則進入步驟S20;如否，則進入步驟S15;
[0039] S15:是否具備梯級提水明渠輸水，如是，則進入步驟S16;如否，則進入步驟S17;
[0040] S16:確定栗站級數(shù)和位置，優(yōu)化水栗選型、大小栗組合或調速栗最優(yōu)組合運行、傳 動效率、進出水設施，進入步驟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，調節(jié)池位置、隧洞及暗渠型式、長度、進出口高程，進入步驟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:調速栗和定速栗臺數(shù)的確定
[0045] (1)調速栗和定速栗不同型號時，應滿足：
[0046]
[0047] 式中Q-總調水量；
[0048] Qi-調速栗額定轉速設計工況點的流量；
[0049] Q2-定速栗額定轉速設計工況點的流量；
[0050] η一定速栗臺數(shù);η = 1，2,…，η [0051 ] Η-調速栗和定速栗揚程；
[0052] ΗΡ-栗站出口設定壓力。
[0053] (2)調速栗和定速栗相同型號時，應滿足：
[0054]
[0055] 式(2)、（3)中，Q、HP已知，需求出Q^Q^H;分別設η = 1，2,…，η即可得到相應的幾個 方案;結合水栗產品樣本及參數(shù)，初步確定調速栗和定速栗數(shù)量的組合方案；
[0056] S33:核定各個工況時調速栗和定速栗是否工作在高效區(qū)內，若工作偏出高效區(qū)， 則應重新選栗；
[0057] S34:枚舉法計算上述經(jīng)核定的調速栗和定速栗數(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] 1一一調速器的數(shù)目，臺；
[0064] Ml-一第i臺水栗和電機的初投資，萬元；
[0065] P,--第i臺調速器的初投資，萬元；
[0066] y一一投資回收期的年限，；
[0067] α--設備年大修費率；
[0068] ρ一一輸送介質的密度；
[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，保證調速栗和定速栗工作在高 效區(qū)內。
[0079] (1)調速栗和定速栗不同型號時對應工況和開栗組合
[0080]
[0081] 其中，Qi為調速栗最大流量，Q2為定速栗的流量。
[0082] (2)調速栗和定速栗相同型號時對應工況和開栗組合
[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定和調速栗數(shù)量η調； 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 由調速水栗通過調速運行供給的原則進行計算。
[0087] 計算單臺調速栗的流量
[0088] 〇j周=(qt-Qgxn定）+n調；(5)
[0089] (3)定速栗工況點、調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)調速栗轉速n2
[0099] η2 = ηι X (Q2/Q1) (9)
[0100] 式中m、Qi工況點轉速和流量;〇2指112對應流量。
[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)化設計的流程圖。
【具體實施方式】
[0108] 下面結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。
[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 首設置引水閘2、沿線設若干座節(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清污機5、倒虹吸進口設攔污柵8和具有節(jié)制 閘功能的檢修閘門，引水閘2、節(jié)制閘7及倒虹吸進口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電可自動關 閉閘門的齒桿式啟閉機。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 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，到達輸水工程末端。各栗站和水閘的電氣和控制設備分別為栗站 內水栗和閥門、分水閘（閥）等提供動力和控制，協(xié)調調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。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水端和出水端，在進水端 和出水端之間并聯(lián)連接的若干個定速水栗和調速水栗，其特征在于所述每個水栗分別設有 一水栗控制柜，在栗站前池、栗站的各水栗進出水端、分水口、沿輸水線路控制點均設置有 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 免強調系統(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。
[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合輸水、加壓輸水。輸水方式的優(yōu)選，結合所 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，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、橫斷面設計；
[0145] S13:水力計算，能否管道自流，如是，則進入步驟2;如否，則進入步驟S14;
[0146] S14:是否具備全線重力流明渠輸水，如是，則進入步驟2;如否，則進入步驟S15;
[0147] S15:是否具備梯級提水明渠輸水，如是，則進入步驟S16;如否，則進入步驟S17;
[0148] S16:確定栗站級數(shù)和位置，優(yōu)化水栗選型、大小栗組合或調速栗最優(yōu)組合運行、傳 動效率、進出水設施，進入步驟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，調節(jié)池位置、隧洞及暗渠型式、長度、進出口高程，進入步驟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、調速栗和定速栗臺數(shù)的確定，設定調速栗為兩臺（當然亦可設為變量）
[0155] (1)調速栗和定速栗不同型號時，應滿足：
[0156]
[0157] 式中Q-總調水量；
[0158] Qi-調速栗額定轉速設計工況點的流量；
[0159] Q2-定速栗額定轉速設計工況點的流量；
[0160] η一定速栗臺數(shù);η = 1，2,…，η
[0161] Η-調速栗和定速栗揚程；
[0162] ΗΡ-栗站出口設定壓力。
[0163] (2)調速栗和定速栗相同型號時，應滿足：
[0164]
[0165] 式(2)、（3)中，Q、HP已知，需求出Q^Q^H;分別設η = 1，2,…，η即可得到相應的幾個 方案;結合水栗產品樣本及參數(shù)，初步確定調速栗和定速栗數(shù)量的組合方案。
[0166] 3、核定各個工況時調速栗和定速栗是否工作在高效區(qū)內，若工作偏出高效區(qū)，則 應重新選栗。
[0167] 4、枚舉法計算上述經(jīng)核定的調速栗和定速栗數(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] 1一一調速器的數(shù)目，臺；
[0173] M,一一第i臺水栗和電機的初投資，萬元；
[0174] P,--第i臺調速器的初投資，萬元；
[0175] y--投資回收期的年限；
[0176] α一一設備年大修費率；
[0177] ρ一一輸送介質的密度；
[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，調速器+水栗=調速栗，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，保證調速栗和定速栗工作在高效 區(qū)內。
[0190] (1)調速栗和定速栗不同型號時對應工況和開栗組合
[0191]
[0193] 其中，Q1為調速栗最大流量，Q2為定速栗的流量。
[0194] (2)調速栗和定速栗相同型號時對應工況和開栗組合
[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定和調速栗數(shù)量η調； 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 由調速水栗通過調速運行供給的原則進行計算。
[0199] 計算單臺調速栗的流量
[0200] 〇j周=(qt-Qgxn定）+n調；(5)
[0201 ] (3)定速栗工況點、調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)調速栗轉速n2
[0213] η2 = ηι X (Q2/Q1) (9)
[0214] 式中m及分別指工況點轉速和流量;〇2指112對應流量。
[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)清污機的節(jié)能，通過設置在清污機上下游的水位計控制水位差，當水位差大于 設定值時，清污機自動開啟，減小水頭損失。
[0218] 清污機在大型輸水渠道清污閘一般裝設多臺，每臺獨立工作。每臺清污機上設置1 塊按鈕箱，箱上安裝機旁開停按鈕;設置公用動力饋電屏1塊、屏內主要安裝空氣斷路器、交 流接觸器、電流互感器等一次設備;設置公用PLC控制屏1塊，屏內主要安裝PLC、觸摸屏、水 位流速顯示儀、智能儀表、10/100M工業(yè)以太網(wǎng)光傳輸交換機等。動力饋電屏及PLC控制屏安 裝在現(xiàn)場控制房間內。動力饋電屏及PLC控制屏至清污機的動力及控制電纜沿電纜溝及穿 管敷設。
[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，應選用先進的控制儀表，實行水位、流量、壓力自動監(jiān)測，通 過PLC實現(xiàn)最佳控制，合理調整工況，保證高效工作。
[0232] 第五步、采用附屬建筑物設施的節(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施
[0234] 多功能一體化附屬設施通過將封堵板采用裝配連接的方式設置在輸水管道的各 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 連通后即能夠實現(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)制閘及倒虹吸進口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電可自動關閉閘門的 齒桿式啟閉機，事故停電時，齒桿式啟閉機自動關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"專利，房金賢。
[0237] (3)自動控制通過沿線流量、壓力的檢測，及時、準確判斷事故點，實現(xiàn)自動停機流 程關機，關閉事故點的上下游閥門，減少棄水和水栗機組運行時間，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，本領域的普通技術人員可以理 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行多種變化、修改、替換和 變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【主權項】
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置引水閘、沿線設若干座節(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合;所述輸水系統(tǒng)沿 線上用于連通用水戶的分水閘和設有分水閥門的分水口。2. 根據(jù)權利要求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，前池上游設清污機，所述倒虹吸進口設攔污柵和具有節(jié)制閘功能的檢修閘門，引水閘、 節(jié)制閘及倒虹吸進口檢修閘門采用系統(tǒng)事故停電可自動關閉閘門的齒桿式啟閉機。3. 根據(jù)權利要求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備。4. 根據(jù)權利要求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 設有前池。5. 根據(jù)權利要求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 組成均包括水栗進水端和出水端，在進水端和出水端之間并聯(lián)連接的若干個定速水栗和調 速水栗，每個水栗分別設有一水栗控制柜，在栗站前池、栗站的各水栗進出水端、分水口、沿 輸水線路控制點均設置有壓力表、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 一電動機效率。8. 根據(jù)權利要求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合輸水、加壓輸水。9. 根據(jù)權利要求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，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、橫斷面設計； S13:水力計算，能否管道自流，如是，則進入步驟S20;如否，則進入步驟S14; S14:是否具備全線重力流明渠輸水，如是，則進入步驟S20;如否，則進入步驟S15; S15:是否具備梯級提水明渠輸水，如是，則進入步驟S16;如否，則進入步驟S17; S16:確定栗站級數(shù)和位置，優(yōu)化水栗選型、大小栗組合或調速栗最優(yōu)組合運行、傳動效 率、進出水設施，進入步驟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，調節(jié)池位置、隧洞及暗渠型式、長度、進出口高程，進入步驟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