抽水蓄能电站泵水系统优化设计研究

抽水蓄能电站泵水系统优化设计研究

何润林

中国水利水电第十二工程局有限公司  浙江省杭州市  310030

摘要：

抽水蓄能电站具有能量存储和调峰填谷的双重功能，对电力系统的稳定运行和可持续发展起着至关重要的作用。而其中的泵水系统作为其核心组成部分，直接影响着电站的运行效率、经济性和环境友好性。因此，对抽水蓄能电站泵水系统进行优化设计研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文将以抽水蓄能电站泵水系统优化设计为目的，通过对水泵选型与配置、管道设计与布局、自动化控制系统的设计与实现等方面展开深入研究，以此来提高泵水系统的效率和可靠性，降低运行成本和能耗，推动抽水蓄能电站的可持续发展。

关键词：抽水蓄能电站；泵水系统优化；设计

引言：

随着可再生能源的不断发展和清洁能源的日益重视，抽水蓄能电站作为一种重要的储能方式，受到了广泛关注。在此背景下需要重视抽水蓄能电站泵水系统的设计，在实际中通过优化泵水系统的设计，可以显著减少能量损失，提高整个电站的运行效率，并延长设备寿命，减少维修和更换频率，从而降低长期运营和维护成本。抽水蓄能电站泵水系统优化设计能够有效提升能源效率、降低运营成本、提高电力系统稳定性并促进可再生能源的有效利用。

一、抽水蓄能电站泵水系统设计的工具与技术

（一）数学建模与仿真分析

数学建模与仿真分析为抽水蓄能电站泵水系统的优化设计提供了科学依据和有效工具，建立精确的数学模型可以对系统的各个组成部分及其运行状态进行深入分析和预测。数学建模包括对水力系统和能量转换过程的建模，这涉及水泵的特性曲线、管道系统的流体力学方程以及储水库的水量平衡方程等。基于这些方程，可以描述系统在不同运行条件下的行为。而仿真分析是利用数学模型对系统进行动态模拟，通过仿真软件，如CFD（计算流体力学软件）可以详细分析流体在管道中的流动情况，水泵的工作效率以及系统的能量损失，仿真结果能够帮助识别系统中的瓶颈和优化点[1]。

（二）优化算法的应用

在抽水蓄能电站泵水系统的优化设计中，优化算法依据数学建模和计算方法来对泵水系统进行优化，包括水泵选型与配置、管道设计与布局、控制策略优化等。传统的优化算法如线性规划和动态规划能够在给定的约束条件下找到最优解，帮助确定最佳的设备配置方案和运行策略。而智能优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，则能够在多维度参数空间中搜索全局最优解，对于复杂的系统优化问题具有较好的适用性。通过优化算法，可以使得泵水系统在保证供水需求的同时，最大程度地提高能源利用效率，降低运行成本，延长设备寿命。

二、抽水蓄能电站泵水系统优化设计的实践

（一）水泵选型与配置

在抽水蓄能电站泵水系统的优化设计中，水泵选型需要综合考虑多种因素，包括流量、扬程、效率、可靠性和成本等。不同类型的水泵，如离心泵和轴流泵，具有各自的优缺点，离心泵适用于较高扬程和中等流量的场合，而轴流泵则适用于低扬程和大流量的情况，通过对泵站实际运行工况的详细分析，可以确定最适合的水泵类型。同时需要重视水泵的配置方案的设计，合理的水泵组合和配置可以显著提高系统的运行效率，多泵并联或串联运行可以灵活调节流量和扬程，满足不同运行条件下的需求[2]。例如，在低负荷运行时，可以选择小流量的水泵，来减少不必要的能耗；在高负荷运行时，则需要大流量的水泵或多泵并联运行，确保供水稳定。在优化配置过程中，还需考虑水泵的启动特性、运行稳定性和维护便捷性，确保系统的长期可靠运行。

以下将以某位于山区抽水蓄能电站作为例子，该电站拥有大规模的水库和水泵系统，水泵系统中存在高峰期间水泵系统供水流量不足，导致无法满足电力系统的需求的情况，为了提高电站的供水流量进行了水泵选型与配置的优化设计。通过对电站的水资源情况、电力系统负荷特性以及水泵工作条件进行分析，确定了所需的水泵流量和扬程，选用了高效率、低能耗的离心泵作为主要水泵设备，并采取了多泵并联的设计方案将多台离心泵并联运行，灵活调节水泵系统的供水流量和扬程，确保在不同负荷工况下都能满足电力系统的需求。

（二）管道设计与布局

抽水蓄能电站泵水系统的管道设计与布局是决定系统效率和可靠性，管道设计需综合考虑流体力学性能、材料选择、经济成本以及施工可行性等多方面因素。其中管道的直径和长度对流体阻力和能量损耗有直接影响。较小的管径会增加流体阻力，导致能量损失增大，而过大的管径虽然可以减少流体阻力，但会增加管道材料和安装成本。因此，需要在流体力学计算基础上，选择合适的管径以实现能耗和成本的平衡。在管道设计中常用的管道材料包括钢、铸铁和塑料等，不同材料在耐腐蚀性、强度、耐用性和成本等方面存在差异，对于抽水蓄能电站这种长时间运行且流体特性复杂的系统，通常选用具有高强度和耐腐蚀性能的材料来确保管道的长期可靠运行[3]。在布局设计方面，管道的走向和布置方式需要充分考虑地形、空间和施工条件，合理的管道布局应尽量减少弯头、阀门和其他阻力元件的使用，以降低流体阻力和能量损失。同时，管道布置要便于维护和检修，避免复杂的交叉和重叠。在高低落差较大的场合，需特别设计防止水锤和气蚀等现象，通过设置缓冲罐或调节阀门等措施来保证系统的安全稳定运行。

该电站由于地势起伏较大，水泵系统需要跨越不同高度的地形，因此管道的设计与布局对于水流的稳定和能量转换的效率至关重要，基于这一分析进行了管道设计与布局的优化，在水泵出口处采用较大直径的管道，用来降低流速和阻力；在水泵出口向水库方向逐渐减小管道直径，以此提高流速和水流能量。并根据地形起伏和水流路径，避开地形障碍和减少弯曲，尽可能地减少了管道的阻力和能量损失。

（三）自动化控制系统的设计

自动化控制系统在抽水蓄能电站泵水系统中的应用可以实时监测和调节各种运行参数，实现对泵水系统的智能化管理，自动化控制系统需要对水泵、电机、阀门以及水位、流量、压力等参数进行实时监测。为此，需要布置高精度传感器和数据采集装置，并将这些数据传输到中央控制系统进行处理。而控制算法的设计是自动化控制系统的核心，基于采集的数据，控制系统可以采用先进的控制算法，如模糊控制、PID控制、神经网络和机器学习等，对水泵的启停、速度调节和流量分配进行精准控制，这些算法能够根据实际工况动态调整控制策略，确保系统在各种负荷条件下都能高效运行。自动化控制系统还需要具备故障检测和诊断功能，当系统发生异常或设备故障时，控制系统能够迅速识别问题，并采取相应的应急措施，如切换备用设备或调整运行参数，确保系统的安全稳定运行。

该抽水蓄能电站在泵水系统中引入了自动化控制系统的设计，采用自适应PID控制结合模糊控制的混合控制策略，提高了泵机组的响应速度和稳定性，并利用DCS系统收集的大量运行数据，应用大数据分析技术，优化了泵机组的启停策略，减少了能耗。同时利用物联网（IoT）技术，实现对泵水系统的远程监控和故障诊断，通过互联网或专用通信网络，监控泵机组的运行状态，结合远程监控与诊断系统，实现了对关键部件的实时监控和故障预测。

总结：

抽水蓄能电站作为一种高效的电能储存和调节装置，能够在电力需求低谷时利用富余电能抽水至上水库储存，在电力需求高峰时释放储水发电，起到削峰填谷、稳定电网、提高电能利用效率的作用。通过优化泵水系统的设计，可以进一步提高抽水蓄能电站的运行效率和经济性，对可再生能源的间歇性和不稳定性起到平衡作用，减少能源浪费和环境污染，促进可再生能源的消纳和利用，推动能源结构的绿色转型，对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要的理论和实际意义。

参考文献：

[1]周培勇.抽水蓄能电站输水系统设计重难点探讨[J].东北水利水电,2022,40(02):14-16+27.

[2]孙建超,王翰龙,徐鹏飞,陈炎.抽水蓄能电站智能作业安全管控系统设计与应用研究[J].水力发电,2021,47(02):60-63.

[3]刘寅.抽水蓄能电站输水系统设计[J].科技风,2020,(13):188.