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基于时序控制的集水井来水量计算方法

2024-11-28 83 上传者：管理员

摘要：集水井来水量是防止水淹厂房的重要监测指标，目前多采用历史数据进行预估计算。为了提高集水井来水量计算的精度和效率，提出了一种适用于不同集水井的来水量动态计算方法，实现了集水井来水量的实时测算。计算结果表明，该方法误差在10%以内，可应用于水电站集水井来水量实时计算。

关键词：
厂房渗漏水
时序数据
来水量
水电站
集水井
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防止水淹厂房是水电站的一项重要风险管控措施。水电机组的检修排水集水井和地下洞室厂房诸多的渗漏集水井的来水量反映了厂房渗漏水的量级及趋势，是防止水淹厂房的一个重要监测指标[1]。目前的集水井来水量采用历史数据进行长周期的趋势预估计算[2],这种计算方式获得的结果会因水库上下游水位变动、发电机组检修排水、突发性大量渗水等多重因素导致计算精度出现大范围波动，从而无法确定计算值可靠性；而且长周期趋势预估无法准确表示各时间段的来水量，也就难以准确定位来水异常的具体时间段，计算出的结果时效性能低下，不能及时监控与应急处理厂房渗漏水[3-4]。

本文提出一种基于时序控制的集水井来水量计算方法，目的是进行水电站集水井来水量的实时计算，以解决传统的长周期趋势预估算法时效性低的问题。

1、问题的提出

目前水电站集水井来水量计算等效公式为

式中：Q为集水井来水量；Δhn为集水井水位差；Δtn为水位差对应时间差；Tn为等效时间；S为集水井底面积。

以某电厂检修排水系统为例，检修排水系统抽排水主要由地下廊道渗漏水、机组尾水检修门渗漏水、机组检修时过流部件(压力钢管、蜗壳、尾水管等)存水排水几部分组成[5]。集水井由2个底坎高程不一致但相互连通的子井组成，机组检修排水及渗漏水通过一条长约295m的地下排水廊道汇入集水井。因检修排水廊道较大的容积，导致传感器测量到的集水井水位存在一个明显的速率变化拐点(330.4m),故在水位变化曲线上将一次启泵周期分为了4个时段，如图1所示。

图1 检修集水井水位变化曲线

图1中：时段1表示集水井水位低于排水廊道高程时水位上升情况；时段2表示水位高于排水廊道顶部高度后水位上升情况；时段3表示排水泵启泵后水位高于排水廊道顶部高度的水位下降情况；时段4表示排水泵启泵后水位低于廊道顶部高度的水位下降情况。

传统上的计算方法因无法获得排水廊道等效面积等参数导致时段1无法计算；由于某电厂检修排水系统采用10 kV水泵，水泵流量与10 kV系统电压、泵扬程、水库上下游水位有多重关联因素，导致泵铭牌参数与实际流量存在一定差距，故也无法使用时段3、4进行排水量计算。可看出公式(1)仅在时段2可用，但整个启泵周期仅采用时段2的值进行等效计算并不能完全表示集水井整体来水情况，同时在实际工作中会出现来水量突变、来水量缓变等因素导致无法计算出来水量的情况。

2、基于时序控制的集水井来水量计算方法

为此，提出一种基于时序控制的集水井来水量主动计算方法，该算法将集水井水位变化曲线的4个时间段均纳入计算范围，将计算机采集到的进水井水位时序数据利用微分思路，计算分钟级来水量数据，并使该算法具有自动调整计算精度的能力，以降低水位缓变或突变造成的计算误差。

改进后算法等效数学公式如下式所示：

为了将图1中各个时间段均纳入计算，将集水井水位分为4个区间，各个水位区间分别对应于图1中各个时段，具体计算步骤如下：

步骤1:数据初始化，将水位差值缓存Δhn及时标差值缓存Δtn赋值为零，如式(3)所示。

步骤2:通过布置于集水井的液位计以固定频率f采集集水井水位hn、时标tn。

步骤3:计算水位hn与低水位定值H0差值，当低水位差值大于等于设定的水位差值ΔH0参数时，低水位判据满足，其中H0为集水井对应停泵水位值。

步骤4:当低水位判据和时标差值缓存Δtn=0两者同时满足，并超过设定的时间定值t后，开始流程周期Tn计算。

Tn=Δtn·f (4)

步骤5:采集所有排水泵运行状态，计算排水泵集合态参数P。当排水泵集合态参数P等于1时，泵启动；当排水泵集合态参数P等于0时，泵停止，计算公式如式(5)所示。

式(5)中pi为单台排水泵状态参数，如果排水泵运行Pi=1,如果排水泵停运Pi=0。

步骤6:计算流程周期T与设置周期差值，当周期差值大于等于设定的周期差值ΔTset时，周期判据满足。

|T-Tset|≥ΔTset(6)

步骤7:如表1所示，通过水位与水位区间进行比较，获取水位区间判据。其中H1为拐点水位值，对应图1中h1水位值，H2为高点水位值，对应图1中h2水位值，hn为计算水位值。

表1 水位区间判据逻辑

步骤8:当第一水位区间、周期判据、排水泵停止态参数三者同时满足，并超过设定的时间定值t后，计算n个周期T的等效来水量Q1,计算公式如式(7)所示。

其中，S1为第一水位区间集水井等效底面积。

当第二水位区间、周期判据、排水泵停止态参数三者同时满足，并超过设定的时间定值t后，计算n个周期T的等效来水量Q2,计算公式如式(8)所示。

其中，S2为第二水位区间集水井等效底面积。

当第三水位区间、周期判据、排水泵启动态参数三者同时满足，并超过设定的时间定值t后，计算n个周期T的等效来水量Q3,计算公式如式(9)所示。

Q3=Qp·Tn·S3(9)

式中：S3为第二水位区间集水井等效底面积；Qp为排水泵等效排水流量，其计算公式为

Qp=q·i (10)

式中：q为单台排水泵排水流量；i为启动的排水泵数量。

当第4水位区间、周期判据、排水泵启动态参数三者同时满足，并超过设定的时间定值t后，计算n个周期T的等效来水量Q4,计算公式如式(11)所示。

Q4=Qp·Tn·S4(11)

其中，S4为第4水位区间集水井等效底面积。

步骤9:计算等效来水量Qn(n=1,2,3,4)与设定值Qset进行差值比较，当差值小于等于门槛值ΔQsey,来水量计算值有效判据满足。

|Qn-Qset|≤ΔQset(12)

步骤10:计算重置，将水位差值缓存Δhn及时标差值缓存Δtn赋值为零。

步骤11:来水量计算值有效判据满足时，计算单位时间等效来水量Q,计算公式如式(13)所示。

3、实例应用

采用本文方法与传统的计算方法分别计算某电厂机组检修排水集水井的来水量，并引入相对误差对计算结果进行对比验证，相对误差计算公式如式(14)所示，验证结果如表2所示。

表2 时序数据来水量算法验证

本文方法采用实时计算方式，计算过程中将排水泵启泵排水过程也纳入了计算范围，而由于集水井不同时刻运行水头不同、不同效率的排水泵轮换运行排水流量差异导致排水泵的流量也会有差别，造成了日来水量误差相比短时期偏大。计算结果表明本文提出方法所得结果与长周期测算结果相差不大，平均相对误差在10%以内，验证了该算法的正确性。

将上述算法应用于电厂机组检修排水集水井来水量计算，在2022-04-08日左岸机组压力钢管、蜗壳、尾水排水期间，左岸检修集水井来水量突然增大，反映到监控系统的情况是检修排水集水井水位迅速上升，通过该算法实时计算得出，在此次机组排水期间检修集水井来水量由排水前的20 m3/d上升到最高1 841 m3/d, 计算结果如图2所示。从计算结果还可以看出，机组排水完毕的时间节点为当日23:30,23:30 后水位略有上升是由于机组排水阀未完全关严，从算法计算结果曲线可看出算法结果能够正确反映出实际工况，并且较传统计算方式可以更快在机组排水时得到检修集水井来水量的计算结果。

图2 机组排水期间算法计算结果

4、结语

本文针对传统集水井来水量计算方法时效性低的缺点，提出了一种基于时序控制的集水井来水量计算算法，适用于集水井来水因素复杂、对来水量监测具有一定时效要求的生产场合。计算结果能实时表征集水井来水情况，能较准确定位异常来水情况下的时间点、持续时间、水量。算法较传统计算方法时效性、准确度均有提高。

参考文献:

[1]李同青.水电站利用下游消落水位发电时厂房水位流量关系探讨[J].黑龙江水利科技,2019,47(10):105-106,246.

[2]解志,杨升正,薛锋,等.一起水电站厂内渗漏集水井来水异常分析及处理[C]//2023年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集(上册).南宁:中国电力技术市场协会,2023:156-162.

[3]马莹,沈振中,张凤翔.基于三维有限元法的基坑排水井渗流量计算方法[J].水力发电,2017,43(3):72-76.

[4]罗前林,陶吉全,段韦,等.某水电站机组主轴密封漏水问题分析及处理[J].电力设备管理,2022(S1):153-155.

[5]陈源,胡清娟,蒋明东,等.大型抽水蓄能电站防水淹厂房事故演算与风险分析[J].水力发电,2019,45(4):84-87.

文章来源:谢长鹏,苏宇,李游,等.基于时序控制的集水井来水量计算方法[J].水电与新能源,2024,38(11):18-21.