劉 偉
(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處,山東 膠州 266300)
遠(yuǎn)距離調(diào)水工程的調(diào)度運(yùn)行探究
劉 偉
(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處,山東 膠州 266300)
本文細(xì)致分析了遠(yuǎn)距離調(diào)水調(diào)度運(yùn)行過程中水位波動(dòng),并給出了相關(guān)水容量表,闡述了冰期輸水主要注意事項(xiàng),自動(dòng)化控制水位的模擬輸水的方便性、經(jīng)濟(jì)性、安全性。還介紹了閘門和泵站的自動(dòng)控制的三種方法:上游定水深控制、等容積控制、控制容積法,給讀者一些調(diào)度工作的借鑒。
遠(yuǎn)距離;調(diào)水工程;調(diào)度;探究
DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.008
世界上有很多成功的調(diào)水工程案例,為人們帶來了許多益處。然而調(diào)水工程龐大復(fù)雜,尤其是遠(yuǎn)距離的調(diào)水工程,其安全性、科學(xué)性、合理性均會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境有較大影響,不合理的運(yùn)行會(huì)為人民帶來財(cái)產(chǎn)損失,甚至?xí)绊懮踩?。本文以引黃濟(jì)青工程為例,在調(diào)度運(yùn)行方面進(jìn)行一些初步的探討。
1.1 安全性
遠(yuǎn)距離調(diào)水涉及多個(gè)環(huán)節(jié),每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)工程的安全性造成影響,例如水質(zhì)受到污染、渠道被損壞、出現(xiàn)漫堤等現(xiàn)象,這些都會(huì)給調(diào)度工作帶來安全隱患。因此,調(diào)度中心與各級(jí)執(zhí)行部門要按照統(tǒng)一指令,協(xié)調(diào)調(diào)度,禁止各級(jí)各部門各自為政,不按指令執(zhí)行工作;為使渠道穩(wěn)定,操作員應(yīng)根據(jù)上級(jí)調(diào)度中心下達(dá)的有關(guān)指令嚴(yán)肅認(rèn)真執(zhí)行,不得懈怠,不得私自調(diào)節(jié)閘門和開停機(jī)。
1.2 經(jīng)濟(jì)性
遠(yuǎn)距離調(diào)水工程耗資巨大,因此,整個(gè)提水系統(tǒng)應(yīng)選擇最優(yōu)方案,選擇資金耗費(fèi)低且合理的調(diào)度方案。當(dāng)系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行環(huán)境,對(duì)每一個(gè)泵站來講,也許不是最經(jīng)濟(jì)的,從而會(huì)降低方案的經(jīng)濟(jì)性效益。但調(diào)度應(yīng)著眼全局,從系統(tǒng)出發(fā),局部服從整體的原則;科學(xué)合理控制棄水;控制開停機(jī)的次數(shù),延長(zhǎng)泵站機(jī)組壽命。
1.3 自動(dòng)化調(diào)度
利用計(jì)算機(jī)操作運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)泵站和閘站的自動(dòng)化調(diào)度工作,能有效減少機(jī)組和設(shè)備的損傷,使控制更加精準(zhǔn),節(jié)約費(fèi)用。
現(xiàn)將國(guó)內(nèi)部分著名的調(diào)水工程列舉如表1。
表1 國(guó)內(nèi)著名的跨流域調(diào)水工程
2.1 參數(shù)的測(cè)定
在輸水環(huán)節(jié),對(duì)渠系的實(shí)際值進(jìn)行記錄,掌握和設(shè)計(jì)參數(shù)存在的差距。這些參數(shù)有輸水糙率參數(shù)、過流系數(shù)數(shù)據(jù)、渠道滲漏量、泵站的特性曲線和過流量等。
2.2 水位波動(dòng)的限制
水位波動(dòng)情況會(huì)帶來安全問題,因此,需嚴(yán)格限制和管控。渠道經(jīng)過混凝土或土質(zhì)的襯砌,水質(zhì)流經(jīng)這些渠道,會(huì)造成過快的水位下降,從而導(dǎo)致渠壩的滑坡,受水的壓力造成防滲薄膜的損壞。因此,應(yīng)根據(jù)渠道自身各部分的情況進(jìn)行水量承受能力的測(cè)算,根據(jù)美國(guó)的有關(guān)研究結(jié)果表明,≤0.15m/h的水位降速,連續(xù)2h內(nèi)≤0.30m,全天≤0.45m的降速,最適合于土渠與薄膜襯砌渠,而其它填方渠道以及排水效果較優(yōu)的渠段,水位降速可適當(dāng)大些。對(duì)于分水口渠道,應(yīng)限制水位的升速,以免造成巨大的流量沖擊。不同運(yùn)行調(diào)度控制方式下,各渠段水位調(diào)度區(qū)間的最大水位差比較表,如表2所示。
表2 各渠段水位調(diào)度區(qū)間的最大水位差比較表
2.3 自動(dòng)控制研究
1.教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整是培養(yǎng)學(xué)生的藍(lán)圖,是教學(xué)工作的總體要求,制定好的計(jì)劃是確保教學(xué)質(zhì)量的中心環(huán)節(jié)。開課前,要求專業(yè)課老師制定出課程計(jì)劃,在充分了解學(xué)生的基本情況下,實(shí)事求是地對(duì)課程計(jì)劃作相應(yīng)的調(diào)整,使課程設(shè)置體現(xiàn)出針對(duì)性和適應(yīng)性。對(duì)“從事教師行業(yè)”的師范生在專業(yè)課上要重點(diǎn)培養(yǎng),對(duì)“從事其他行業(yè)”的師范生可適當(dāng)降低要求,做到重點(diǎn)突出,層析分明;為適應(yīng)將來工作需要,注意強(qiáng)化手段,拓寬專業(yè)面,學(xué)習(xí)主體的橫向內(nèi)容廣泛,把橫向的綜合知識(shí)和縱向的點(diǎn)面知識(shí)組合起來。
運(yùn)用監(jiān)測(cè)的相關(guān)水流量數(shù)據(jù),在控制算法下達(dá)到對(duì)閘門和泵站的自動(dòng)控制。通常用到的方法有下游、上游定水深控制,等容量、控制容量法和流量(Q)控制等方法。下游定水深控制即在渠道下游支樞點(diǎn)對(duì)水位進(jìn)行恒定(如圖1)。它對(duì)多數(shù)的渠道均是適用的,特別被應(yīng)用于中小渠道,其優(yōu)點(diǎn)是水流量按照最大來衡量,這樣水位深度就不會(huì)比預(yù)設(shè)的流量更深,而棱柱體的渠道尺寸是最小的,以便減省建設(shè)費(fèi)。缺點(diǎn)是不能對(duì)下游渠道的用水情況進(jìn)行反應(yīng),體現(xiàn)出較差的渠道調(diào)節(jié)能力。這種控制法最適合用于供水型渠道,能高效體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)效益性。
圖1 下游定水深控制
上游定水深控制(如圖2),這和前一種控制方法的支樞點(diǎn)相反,它將支樞點(diǎn)設(shè)計(jì)在渠道上游,功能也就是控制上游渠道的水深。優(yōu)點(diǎn):利用渠道的水位的蓄量情況進(jìn)行下游蓄水情況進(jìn)行調(diào)整,隨時(shí)滿足水量需求。缺點(diǎn)是由于允許零水流量,為了測(cè)量水面線,因此,渠道岸被要求保持水平的,從而加大了渠岸的建設(shè)費(fèi)。
圖2 下游定水深控制
等容積控制(如圖3)和前面兩種控制方式一樣,和支樞點(diǎn)的位置有關(guān),這里是將支樞點(diǎn)設(shè)計(jì)在渠道的中點(diǎn),顧名思義,即是在中點(diǎn)對(duì)水位進(jìn)行恒定的控制方法。中點(diǎn)水位的取得是通過測(cè)量上游和下游的水位,然后將兩水位線性化。相比前面兩種方法,此方法針對(duì)小于中點(diǎn)的渠案建成水平,費(fèi)用介于前兩種方法,反應(yīng)需水狀況迅速,常用lBvAL算法。
圖3 等容積控制
控制容積法是將少量的一個(gè)或者幾個(gè)渠段進(jìn)行蓄水量控制,從而掌控全部渠道。現(xiàn)階段,我國(guó)的大型工程試驗(yàn)中較成功,是一種新控法。優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)對(duì)多個(gè)閘門進(jìn)行操控,使水位很快就恢復(fù)到預(yù)期的目標(biāo)值,在模擬實(shí)驗(yàn)中,其恢復(fù)的速度高于其他控制法10倍以上;操控靈活,對(duì)正常預(yù)期和非預(yù)期的情況下均能實(shí)現(xiàn)快速控制,對(duì)水位的降幅也有了限制;控制方案有可選擇的余地,將渠道槽蓄的調(diào)節(jié)功能充分運(yùn)用起來,能對(duì)高峰期的抽水進(jìn)行調(diào)節(jié),從而降低了成本。缺點(diǎn)是需要對(duì)工程建立全線監(jiān)控。
2.4 冰期輸水分析
冰期輸水主要是針對(duì)北方明渠。在冰凍期,北方的明渠一般要通過冰層下層進(jìn)行輸水,這減小了過水?dāng)嗝婧洼斔?。受冰凍影響,?duì)閘門操控有特殊的操作技巧和要求,若不能正確操作,將會(huì)引起冰層破裂,造成冰凍堵塞,或者形成冰壩,漫堤等,損壞建筑設(shè)施事故。對(duì)冰期輸水進(jìn)行可行性方案研究,調(diào)度運(yùn)行原則總結(jié)如下。
(1)統(tǒng)一調(diào)度。根據(jù)我國(guó)當(dāng)前成功運(yùn)行的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié),在冬季,進(jìn)行高水位、滿負(fù)荷的調(diào)度運(yùn)作,不能任意開機(jī),否則將造成渠道下游水流量的暴增,引起漫堤,或者會(huì)撐破冰蓋,當(dāng)散落的冰塊流動(dòng),就會(huì)形成冰塞,而泵站的上游水位非正??焖傧陆担矔?huì)造成踏冰現(xiàn)象,將嚴(yán)重破壞泵站渠道。也不能突然停機(jī),否則會(huì)帶來相同的破壞事故。
(3)嚴(yán)格控制閘門,將水位進(jìn)行抬高,從而將冰蓋下的過水面增大,避免冰蓋不利于輸水。
(4)切忌在低水位停水。
(5)禁止突然分水,否則會(huì)降低下游水位,破壞冰蓋。
(6)忌驟增驟減水量,否則會(huì)在頃刻間將水位升降,造成渠道冰塞。
2.5 模擬輸水過程
模擬輸水過程是對(duì)已竣工的工程進(jìn)行調(diào)度試運(yùn)行的檢驗(yàn),以檢測(cè)調(diào)水過程中存在的問題,一旦檢測(cè)到問題將進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。通常的方案一是直接測(cè)試,但耗費(fèi)成本,二是物理模型試驗(yàn),成本也很高,三是電子模擬方案稍微好些,但成本仍然較高,四是現(xiàn)代化的數(shù)字模擬方案,這是最經(jīng)濟(jì)最易操作的方案,成本較低。數(shù)字模擬通過計(jì)算機(jī)利用有限差分法實(shí)現(xiàn)的,能實(shí)現(xiàn)對(duì)正常和異常情況中運(yùn)行的模擬,并且能夠自動(dòng)化的控制算法。假設(shè)溝渠如圖4所示。
圖4 仿真渠道示意圖
其中主干渠的長(zhǎng)度為17km,設(shè)有倒虹吸以及水泵站、閘門,北干渠的長(zhǎng)度為21.5km,南干渠的長(zhǎng)度為8.5km,渠道粗糙率為0.02,主干渠前8km為邊坡,底部的寬度為12Km,底部的寬度為10.8m。可以將河流進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的劃分,其中主干渠占據(jù)了1~47個(gè)節(jié)點(diǎn),后續(xù)的21個(gè)節(jié)點(diǎn)為北干渠,而18個(gè)節(jié)點(diǎn)為南干渠。溝渠上的建筑物的分布如圖5所示,主干渠中兩個(gè)閘門的開度為0.8m和0.9m,南干渠中閘門的開度為0.9m,北干渠的閘門的開度為0.8m,如果在上述的情況下,水泵站中的3臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)停車故障,在這個(gè)過程發(fā)生之后將閘門的開度減小0.3m,然后對(duì)結(jié)點(diǎn)水流的變化進(jìn)行了仿真的結(jié)果,如圖6所示。
圖5 第8節(jié)點(diǎn)處水位變化
圖6 第19結(jié)點(diǎn)水位變化
2.5.1 正常輸水情況下的研究
對(duì)于正常輸水來講,要求在輸水期間輸水應(yīng)符合各項(xiàng)這幾指標(biāo),輸水狀態(tài)要正常,水流量和速度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi),以免造成破壞。
2.5.2 緊急情況下的研究
在輸水運(yùn)行中,調(diào)度工作要對(duì)停電情況、設(shè)備出現(xiàn)意外的情況進(jìn)行預(yù)備應(yīng)對(duì)方案,并對(duì)有關(guān)損壞進(jìn)行分析研究。當(dāng)進(jìn)行緊急關(guān)閘后,應(yīng)對(duì)水位的波幅進(jìn)行研究,觀察其是否會(huì)超過初砌位置,而對(duì)于水位降速要求可取消限制。在水道水流量變化之后,緊急情況下水位和水流的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。
TV68
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1672-2469(2016)08-0021-03
2015-12-10
劉 偉(1982年—),男,工程師。