大型引调水泵站水泵和装置优选方法

摘要

本发明提供了一种大型引调水泵站水泵和装置优选方法，包括：年运行长时间大型引调水泵站水泵和装置型式优选的确定原则，包括构建能量特性、可靠性和运行稳定性的空间三维指标体系，不同运行功能需求的泵站三维指标确定与赋值方法，优选方案综合评价手段与结论。本发明的有益效果是：对年运行时间长的大型引调水泵站水泵和装置型式优选确定原则，构建能量特性、可靠性和运行稳定性的空间三维指标体系，对不同运行功能要求的泵站三维指标确定提供方法、并赋值；采用模糊数学评价手段对优选方案进行综合评价。本发明为大型引调水泵站的水泵和装置优选提供一种实用的科学方法，降低能耗、减少排放，能够产生较大的经济效益。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程技术及节能减排领域，具体而言，涉及一种大型引调水泵站水泵和装置优选方法。

背景技术

由于不同的泵站具有不同的特点，例如扬程、流量工况不同，运行条件存在差异，因此泵站水泵和装置优选原则也是千差万别，相关文献提出的一般原则概括起来有5个方面，包括：(1)能符合设计扬程和设计流量的要求；(2)水泵应在高效率范围内运转；(3)机组大小和台数应使泵站投资最省；(4)便于维修和管理，运行费用较少；(5)水泵的水力特性及汽蚀(空化)性能较好。

在大型引调水泵站水泵和装置中，由于泵站扬程低、年运行时间长，因此提出的优选原则还应该包括机组设备先进、安全可靠、装置效率高、运行费用省和汽蚀(空化)性能好；机组调节灵活方便，适应流量变化的需要以及充分利用国内现有优秀水力模型等原则。因此，大型引调水泵站水泵和装置的优选原则可归纳为可靠性第一原则、一次性投资最省的原则、同型号不同泵站设备互换性原则、与环境保护相协调以及与周边建筑相适应等原则。

大型引调水泵站水泵和装置优选评价是对多目标进行综合的一系列有效方法，即多目标综合评价方法。评价是为了决策，而决策需要评价，综合性评价的要素包括：(1)评价目的：明确为什么要综合评价，评价的目标和评价的精确程度等，评价的目标不同所考虑的因素也不相同。(2)被评价对象：同类事件(横向)或同一事件不同时期的表现(纵向)。(3)评价者：保证评价结论的有效性和权威性。(4)评价指标：从总的或一系列目标出发，逐级法治子目标，最终确定各专项指标。(5)权重系数：当被评价对象和评价指标都确定时，综合评价的结果就依赖于权重系数，即权重系数确定的合理与否，关系到综合评价结果的可信程度。(6)综合评价模型：评价方法根据评价对象的具体要求不同而不同，需要注意评价方法一评价目标的匹配，并选择恰当的方法模型。(7)评价结果：综合评价工作是一件主观性很强的工作，在评价过程中必须以客观性为基础，提高评价方法的科学性，保证评价结果的有效性，由于综合评价方法的局限性，使得它的结论只能作为认识事件、分析事件的参考，而不能作为决策的唯一依据。

发明内容

本申请实施例提供了一种大型引调水泵站水泵和装置优选方法，包括：年运行长时间大型引调水泵站水泵和装置型式优选的确定原则，包括构建能量特性、可靠性和运行稳定性的空间三维指标体系，不同运行功能需求的泵站三维指标确定与赋值方法，优选方案综合评价手段与结论。

本发明的有益效果是：对年运行时间长的大型引调水泵站水泵和装置型式优选确定原则，构建能量特性、可靠性和运行稳定性的空间三维指标体系，对不同运行功能要求的泵站三维指标确定提供方法、并赋值；采用模糊数学评价手段对优选方案进行综合评价。本发明为大型引调水泵站的水泵和装置优选提供一种实用的科学方法，降低能耗、减少排放，能够产生较大的经济效益。

附图说明

图1为本申请实施例大型引调水泵站水泵和装置优选方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的介绍。

如图1所示，本申请大型引调水泵站水泵和装置优选方法包括：年运行长时间大型引调水泵站水泵和装置型式优选的确定原则，包括构建能量特性、可靠性和运行稳定性的空间三维指标体系，不同运行功能需求的泵站三维指标确定与赋值方法，优选方案综合评价手段与结论。

1优选评价主要内容确定

根据大型引调水泵站水泵和装置工程的特点，优选评价体系至少包括下列三个方面的内容：能量特性、可靠性和稳定性。

(1)能量特性指标

在优选评价时，能量特性是最重要的关键性内容，主要涉及到不同特征扬程下的流量和(装置)效率、运行范围内的加权平均效率、空化特性、变速运行时的转速合理调节范围及主电机的配套系数等。

(2)可靠性指标

在优选评价时，主要是根据类似结构的泵运行、维护数据统计分析，对所选择的大型引调水泵站水泵和装置进行可靠性预测，主要包括：可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均检修时间和有效度(可用度)等5个主要指标。

(3)运行稳定性指标

对于年运行时间较长的大型引调水泵站水泵和装置，运行的稳定性是不可忽视的重要因素，而影响机组运行稳定性的因素又极为复杂，既有机械、电气方面的，也有水力方面的，例如压力脉动、漩涡、脱流和空化特性等。在优选评价时，主要是考虑所选择的泵型水力因素对稳定性的影响，包括不同特征扬程下的压力脉动和运行范围内的加权平均压力脉动。

2优选评价指标体系的确定

根据大型引调水泵站水泵和装置特点建立优选评价体系，主要包括目标层、效果层和指标层等三个层次。目标层有能量特性、可靠性和稳定性3部分，共8子项、20个评价指标。

表1大型引调水泵站水泵和装置型式优选评价指标体系表

3合理性评价指标的计算方法

3.1能量特性指标

能量特性指标的计算主要根据模型水泵或模型装置的试验结果，按照特征扬程确定对应的流量和效率，为便于计算机分析计算，通常可将性能曲线的扬程、效率用方程表达成为流量和叶片安放角的关系：

根据泵站的运行特点，即不同特征扬程下的权重不同，按式(2)计算运行范围内的加权平均效率：

同样，根据模型装置试验成果可以得到不同叶片安放角下的NSPH值与流量的关系。

对于变速运行的泵站，由于不同型式的泵和装置在不同扬程下的经济合理变速范围不相同，因此应根据所选择的泵型和装置型式分析变速范围给出确定经济合理变速范围的方法。

由于变速运行采用的是变频装置，变频装置的一个重要特点是在额定频率以上时是恒功率运行，因此如果所选择的泵型考虑其运行工况会超出额定频率，则必须分析电动机(含变频装置)的配套系数，即配套功率所具有的裕度。根据相似定律，功率与转速(即频率)成三次方的关系，即

配套系数

3.2可靠性指标

可靠性指标的数值系根据不可修复产品和可修复产品分别确定的，不可修复产品仅存在一次(第一次)寿命，可修复产品在故障后进行修复后可继续运行，对于泵及装置而言，除了部分易损件外，基本上都属于可修复产品。

设备的可靠性指标包括：可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均检修时间和有效度等。

(1)可靠度(无故障工作)概率R(t)

在确定的运行条件下，在给定的时段t内，产品(部件、机组)保持原定的技术性能不发生故障的概率：

式中，R(t)为在时间t时产品的可靠度概率；λ(t)为故障率，某种设备的故障率λ(次/台年，次/台，小时)表示这种设备平均每台每年(或每小时)故障的次数。

函数R(t)是减函数。当t＝0，R(0)＝1；而当工作时间t＝∞，R(∞)＝0。因此，R(t)在0≤R(t)≤1范围内变化。无故障工作概率R(t)的统计学定义：

式中，N

无故障工作概率的补函数是故障概率F(t)，即设备转入故障状态的概率。因此：

不同分布规律的无故障工作概率：

(2)故障频率f(t)，即故障分布密度函数

概率定义：

统计学定义：在确定时段内故障产品(部件、设备)的数目，与运行产品(部件、设备)的原始数目之比。近似表示：

式中，Δn(t)为在时段从

(3)故障率h(t)

概率定义：产品(部件、机组)在给定时刻t以后单位时间内发生故障的频率：

统计学定义：在单位时间内故障产品(部件、机组)数目与持续正常运行产品(部件、机组)的平均数目之比。近似公式：

式中，Δn(t)为在时段从

全部产品(部件、机组)发生故障后不修复。

(4)平均无故障工作时间MTBF

概率定义：可修复产品(部件、机组)在相邻两次故障之间无故障工作的平均时间：

(5)设备有效度(可用度)A

定义：产品(设备、机组)实际能够正常运行的，包括备用的效用在内，保持可用装置的时间概率，也就是设备的可利用小时在一年内所占的比例。如果水泵机组的A＝0.95，表示这台机组有95％的时间可以利用。

实际上常用固有有效度A

失效度(不可用度)

式中，T

机组处于运行状态U的概率：P

机组处于停机状态D的概率：

故障密度：

从U到D的转移强度：

因此：

可修复设备的平均循环时间：T

3.3稳定性指标

采用精确的数学方法或试验手段均难以准确预测机组的稳定性，因此，到目前为止有关水泵机组运行稳定性，尤其是低扬程大型轴流泵和混流泵的稳定性研究成果极少。本发明从水泵的基本方程出发，建立的水力不稳定性即紊流损失计算方程式是一种简单易行的定量评价方法，对水泵机组在不同的正常运行工况下的稳定性进行分析。任意工况下的紊流损失可以表示为：

式中，H

按照泵站的运行特点，即不同特征扬程下的权重不同，按式(16)计算运行范围内的加权平均紊流损失。

4通过模糊综合评价确定最优方案

4.1确定评价因素和评价等级

设U＝{u

V＝{v

4.2构造评价矩阵和确定权重

首先对着眼因素集中的单因素u

r

这样m个着眼因素的评价集就构造出一个总的评价矩阵R。即每一个被评价对象确定了从U到V的模糊关系R，它是一个矩阵：

其中r

一般来说，主观或定性的指标都具有一定程度的模糊性，可以采用等级比重法。用等级比重确定隶属矩阵的方法可以满足模糊综合评价的要求。对于客观和定量指标，可以选用频率法。频率法是先划分指标值在不同等级的变化区间，然后以指标值的历史资料在各等级变化区间出现的频率作为对各等级模糊子级的隶属度。

得到这样的模糊关系矩阵，尚不足以对事物做出评价。评价因素集中的各个因素在“评价目标”中有不同的地位和作用，即各评价因素在综合评价中占有不同的比重。现引入U上的一个模糊子集A，称权重或权数分配集，A＝(a

权数乃是表征因素相对重要性大小的量度值。确定权数可以利用数学的方法(如层次分析法)，尽管数学方法掺杂有主观性，但一方面主观性有客观的一面，一定程度上反映了实际情况，另一方面数学方法严格的逻辑性而且可以对确定的“权数”进行“滤波”和“修复”处理，以尽量剔除主观成分，符合客观现实。

这样，在这里就存在两种模糊集，一类是标志因素集U中各元素在人们心目中的重要程度的量，表现为因素集U上的模糊权重向量A＝(a

4.3进行模糊合成和做出决策

R中不同的行反映了某个被评价事物从不同的单因素来看对各等级模糊子集的隶属程度。用模糊权向量A将不同的行进行综合，就可得到该被评事物从总体上来看对各点模糊子集的隶属程度，即模糊综合评价结果向量。

引入V上的一个模糊子集B，称为模糊评价或决策集，即：

B＝(b

通过模糊变换得到B，即B＝A*R(*为算子符号)，对不同的模糊算子，就有不同的评价模型。常用、也是最为简单的方法是普通矩阵乘法(即加权平均法)，即让每个因素都对综合评价有所贡献，比较客观地反映了评价对象的全貌，这时的算子为普通积。

如果评价结果∑b

B是对每一个被评价对象综合状况分等级的程度描述，它不能直接用于被评价对象间的排序评优，必须要更进一步的分析处理，待分析处理之后才能应用。通常可以采用最大隶属度法则对其处理，得到最终评价结果。为了充分利用B所带来的信息，可把各种等级的评级参数和评价结果B进行综合考虑，使得评价结果更加符合实际。此时，可假设相对于各等级v

C＝(c

则得出等级参数评价结果为：B*C＝p，p是一个实数。它反映了由等级模糊子集B的等级参数向量C所带来的综合信息，它就是进行大型引调水泵站水泵和装置型式优选综合评价十分有用的综合参数。

5优选示例

5.1典型泵站机组可靠性指标的计算

以某泵站为例，分析大型引调水泵站水泵和装置的可靠性指标。该泵站共安装7台叶轮直径3100mm、液压全调节的立式轴流泵、配油冷却水导轴承。根据运行记录，机组首次故障前的运行时间(含备用时间)如表2所列。

表2机组运行时间统计表

计算时间间隔：

表3按时段的计算表

故障前平均故障时间――数学期望：

因此，偏差：

F

表4|F

从表4中可以发现，最大偏差D

(1)机组可靠性指标计算

1号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：32640、58200、58200、58200。

2号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：7320、24120、49680、49680、66720。

3号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：24120、24120、24120、24120、49680、58200。

4号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：15600、15600、15600、49680、49680、65280。

5号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：7320、7320、58200、58200、66720。

6号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：15608、41160、49680、83760。

7号机组从1977年到2002年运行时间按大小顺序的统计子样为：5880、32640、32640、41160、66720。

按照前述分析，机组的可靠性指标符合正态分布，1号机组运行时间统计计算结果见表5。

表5 1号机组运行时间统计计算表

根据正态分布(Guass)规律，机组寿命T

表6机组可靠性计算结果汇总表

根据计算结果，可以发现采用液压全调节的立式轴流泵、配油冷却水导轴承平均意义上的可靠度为0.9466，故障频率为6.91×10

5.2理性评价体系的确定

根据大型引调水泵站水泵和装置技术特点，建立合理的性评价体系需要考虑许多因素，将表1中因素集分为三级，各因素可由下一级因素构成，并进行权重赋值，括号中权重由10位同行专家打分得出，如表7所列。

表7优选评价指标体系三级模型

5.3南水北调东线工程泵站优选评价

(1)基本概况

南水北调东线一期工程长江至东平湖设计总水头差为40.0m，沿线设13个梯级、共34座泵站抽水入东平湖，总装机台数160台，总装机容量364.95MW，总装机流量4447.6m

表8江苏省境内泵站装机情况统计表

由于皂河一站的改造不涉及到泵型选择问题，因此本课题对除皂河一站外的其余16座泵站泵型选择合理性进行综合评价。16座泵站初步选型后的特征扬程下的主要性能参数如表9所列，机组的主要结构特征汇总于表10中，均属于大型引调水泵站水泵和装置。

表9江苏省境内泵站主要性能参数表(1)

表9江苏省境内泵站主要性能参数表(2)

表10江苏省境内泵站机组结构特征表

(2)定量参数及定性参数的分级

在被评定的因素中，许多是定量指标，包括效率、流量、配套功率、配套系数及NPSH等，例如表9中的模型泵效率，根据效率越高越好的基本原则分为4个等级(区间)，对不同等级给出统一的标准分值，如表11所示。其它定量指标亦分别进行分级并给出标准分值。

表11效率评价指标的标准分值

对应于定性参数，例如可靠性的4个因素可以根据表10的结构特征由不同类型的人员进行分等级进行赋分，根据模糊数学的方法将其划分为7个等级，即评语集：

V＝{很容易(好)，容易(好),较容易(好)，一般，较困难(差)，困难(差)，很困难(差)}

考虑到在拟定的有限个非劣方案中指标不可能存在最完美或不可行的情况，故将“很容易”状态置于0.8的满意度，将“很困难”状态置于0.2的满意度，中间状态按线性分别考虑，故得到上述评语集的满意度为：

V＝{0.8,0.7,0.6.0.5,0.4,0.3,0.2}

对表10中的结构特征进行分类，并按照上述评语集赋分，结果如表12所列。

表12不同结构特征分类与可靠性指标赋分表

(3)评价模型

(a)单级评价模型

①将因素集U按属性的类型划分为k个子集(如表7所列)，即影响U的k个指标记为：

U＝(U

且应满足：

②确定权重A

权重向量矩阵A＝(a

按照计算原则及由专家仔细研究商定的第一行各特征值，可确定所赋各因素的权向量为：

为使该式满足0≤a

所得到的权重标注在表7中。

③通过对定量数据的分级和定性数据的综合打分，求得归一化指标关于等级的隶属度，从而得到单因素评价矩阵。

④单级综合评价：

(b)多层次综合评价模型

考虑多因素，采用分层的方法进行综合评价。

(4)综合评价

根据表7，因素集U分为三层：

第一层为U＝{u

第二层为u

第三层为u

现对16座泵站的优选结果进行评价，决断集V＝{A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P}代表16座泵站的泵型和装置选择，对于越大越优的因素，如效率、流量等，其优的隶属度可表示为：

对于越小越优的因素，如电动机配套系数、NSPH值等，其优的隶属度可表示为：

数据处理后得到诸因素的模糊综合评价如表13所示。

(a)分层综合评价

第三层评价：

u

M(.,+)计算得到：

B

u

B

u

表13优选方案的模糊综合评价

B

u

B

第二层评价：

由u

由u

(b)高层次综合评价

U＝{u

因此，综合评价的结果(按照优劣顺序)是：宝应泵站、睢宁二站、洪泽泵站、淮安四站、江都三站、皂河二站、邳州泵站、解台泵站、刘老涧二站、淮阴三站、淮安二站、泗阳泵站、刘山泵站、江都三站、金湖泵站、泗洪泵站。

根据约定，综合评分在0.68以上为优良，0.60以下为不合格，在0.68～0.60之间为合格，因此16座泵站中优良的有5座、占31.25％，合格的8座、占50％，不合格的3座，占18.75％。

以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。