供水系统安全运行水力分析计算机模拟系统

项目（技术）名称

供水系统安全运行水力分析计算机模拟系统

项目（技术）负责人

吴建华

所属院系

太原理工大学水利科学与工程学院

联系人1

吴建华

联系方式

 6018740

邮箱

miwujianhua@163.com

所属领域

□矿山技术 □化工 □新能源 □材料 √节能环保 □机械自动化

□电子信息及网络应用 □建筑工程 □其他

鉴定水平

□国际领先 √国际先进 □国内领先 □国内先进 □未鉴定

知识产权形式

√未申请 □申请未授权 □发明专利□实用新型 □外观设计 □软件著作权  □其它

转化方式

√技术服务 √技术开发 √ 技术合作 √技术（成果）转让

立项情况

山西省国际合作项目（编号：2013081034）

项目（技术）简介

具体的技术内容、指标、用途；

（1） 泵站稳态运行分析系统的建立

①单级泵站稳态运行方式的优化研究：通过计算分析泵站稳态运行时的各种运行状况，便可绘制出下游所需流量的地形扬程、水泵转速及需变频的水泵台数的关系曲线，并建立该曲线的模拟函数方程，实现根据系统运行时的运行状况快速、合理地选择该泵站需变频的水泵台数及相应的转速，保证系统高效、经济合理运行，达到节能的目的。

②梯级泵站经济运行调控方式及节能研究：梯级泵站系统中上下级泵站的流量是有线性关系的，前一级泵站的流量除要满足后一级泵站所需的流量，还需另外满足这两个泵站之间的分流量。根据泵站下游的需水量及泵站之间的分流量，实时输出每级泵站应选取的水泵台数和相应的水泵转速，保证系统高效、经济合理运行，这对解决水资源紧张问题和节约能源都有十分重要的意义。

（2）泵站水力过渡计算机分析系统的建立

通过建立泵站水力过渡计算机分析系统，实现Visual Basic程序与SQL Server、Microsoft Excel等软件之间的无缝链接，具体如下：①水力过渡模拟计算程序直接调用泵站稳态运行模拟参数结果；②数值模拟与工程实际相结合，将排气阀布置在输水管路的高点、变坡点、长距离均匀坡度或者平坡的中间点，以排气阀为结点对整个输水管路分段；③利用波速调整法，将布置排气阀结点处作为管段初始边界条件，计算不同管段水力过渡计算参数；④对于负压或正压值居高不下的结点，通过调压塔或空气罐边界条件建立计算模块进行调节；⑤计算结果自动生成报表形式，并可存入SQL数据库、导出至Excel表格，绘制简单直观的压力包络线图，实现各计算节点压力、流量等参数的查询；⑥系统完成后，将大大提高水力过渡计算速度，使计算方便、快捷。

（3） 进排气阀选型模拟分析系统的建立

本研究首先采用实际气体的范德瓦尔方程的修正形式R—K方程来代替理想气体状态方程，改进空气阀的数学模型，建立新的边界条件和数值计算方程；然后在改进的数学模型的基础上，对输水管线“三点三线”上所装进排气阀不同的进排气系数、口径、设置位置和关闭规律进行数值模拟计算，提出合理的进排气阀的技术参数；再通过对输水管线“三点三线”上的进排气阀技术参数进行分析，建立快速、合理的进排气阀选型方法；最后在实验平台上验证进排气阀改进模型后的计算成果及选型方法的合理性，为进排气阀合理选型的技术研究提供实验支持。为长距离供水工程的优化设计，进排气阀系统的合理开发，高效利用，安全及经济运行规范的制定提供技术支持。

技术创新点：

①通过计算分析泵站稳态运行时的各种运行状况，绘制出下游所需流量的地形扬程、水泵转速及需变频的水泵台数的关系曲线，实现根据系统运行时的运行状况快速、合理地选择需变频的水泵台数及转速的变化量；②采用BP神经网络预测的水泵全特性曲线，并与调整波速法结合，使得实际管线中安装进排气阀的位置自动调整为特征线法的计算断面，以更准确的模拟工程实际；③在水力过渡过程数值模拟时，实现了计算机根据阀门拒动作时的模拟结果及管线的纵断图、基本设计参数，自主确定液控蝶阀的关闭行程及进排气阀的安装位置、类型、口径，解决了人为选择工作量繁重的问题，且可以查询整个管线的压力、流量；④提出了进入管道内的空气变化遵循多方过程的模式，并建立了相应的数学模型，对输水管线上所装进排气阀不同的进排气系数、口径、设置位置和关闭规律进行数值模拟计算，提出合理的进排气阀的技术参数，并开发合理的进排气阀系统，对于完善和丰富进排气阀的设计和计算理论意义重大。

经山西省科技厅组织专家鉴定，认定该技术达国际先进水平。

适用范围

农业灌溉工程，城市给排水工程以及工业供水工程等

效益分析或实例介绍

经济效益：

供水泵站在正常供水时采用优化后的泵站稳态运行方式后，解决了由于取水处水位变幅较大而产生的供水量与用水量不平衡，泵站效率低的问题，大大提高了系统的运行效率，降低了电能的损耗；且避免了利用机组开停来解决供需水量不平衡而对机组造成的损坏，降低了机组的检修费用及运行费用。另外，合理的水锤防护措施确保了工程的安全运行，避免了管线出现爆管或凹瘪所造成的巨大的经济损失。该成果对于供水工程建设中高扬程、大流量、长距离输水泵站工程的优化设计、安全调度及经济运行意义重大。

社会效益：

本研究成果有效解决了提水工程安全和经济运行的问题，由于山西省开发区域水资源自然条件差（扬程高），流量大，距离长，开发利用难度大的实际，因此该研究对于确保工程的安全运行，保障工农业生活生产用水，强化水资源配置和利用，实现人类社会的可持续性发展具有十分重要的意义。

该技术已应用于以下工程实际中：

（1） 土耳其地下天然气储库项目供水工程过渡过程数值模拟；

（2） 安哥拉马兰热省黑石农场灌溉项目供水泵站稳态计算及过渡过程数值模拟；

（3） 晋中松塔水电站寿阳供水泵站工程的优化设计及安全运行；

（4） 禹门口提水东扩工程（一期）水力控制及水力调度的计算机仿真；

（5） 小浪底引黄供水工程过渡过程数值模拟；

（6） 山西省晋中东山供水工程过渡过程数值模拟；

（7） 山西省万家寨引黄工程；

（8） 山西省应急水源工程；

等多项工程实际中。