长距离调水工程水力控制问题及研究进展

随着现代控制理论的发展,调水工程中的水力控制理论也不断地发展和完善,特别是在跨流域调水工程中,水力控制理论的应用对于优化渠道的设计布置、控制和调节渠道中的水量、提高供水保证率发挥了重要作用。早期的控制方法是控制渠道上下游闸门的开度来保持渠道内的水位,或以控制各渠段的容量变化最小为最优控制目标,即等水位控制或等容量控制。在该阶段的控制优化模型中,应用了控制理论的闭环控制系统,将水位传感器和过滤器、流量和闸门开度的检测信号、水泵或变速泵的调节器、渠道和涵管的几何参数等都转为控制系统可识别的量,根据设定的控制目标,通过计算机程序计算,输出闸门(或阀门)开度变化或改变水泵运行参数,以满足各终端用户的用水要求,并实现现代化的集中管理。目前微机工作站和卫星或微波通信技术为调水工程的全线自动化监控和运行管理提供了更先进可靠的技术。

上述技术是在一个调水工程已确定了规划和设计目标前提下进行的水力运行控制优化,对于一个复杂的调水工程,首先应做到规划合理,即从水资源规划阶段做起。杨立信在《国外调水工程》中介绍了英国学者D.G.詹姆森提出的“分阶段近似法”的分析方法,该方法起到一个筛子的作用,仅让最有希望的方案通过,到后面的阶段再作进一步详细的研究。该近似法有3层结构,即规划模型、设计模型和运行模型。通过规划模型确定:

1)应当开发哪些水资源。

2)修建哪些调水联结建筑物。

3)选择开发时间和顺序。规划模型主要还是以线性规划或其他类似方法为主,考虑各种水资源的组合、渠槽的连接,以满足现有需水量的最小费用方案。设计模型是在选定了某一调水方案后进行系统设计,确定各组成部分的规模(如水库、水泵容量、渠道等),其手段是建立设计模型,最大的优点是采用程序模块结构进行模拟,从而可以迅速有效地评估各系统。这种近似法目前已扩充到不仅可以考虑水量,还可以考虑水质,以及极端事件发生对系统的要求等。运行模型是根据供水目标确定工程中各子环节的运行方式,其目标是运行费最小。

由于跨流域调水工程组成复杂、线路长、沿程用户用水不同要求等特点,《国外调水工程》认为对跨流域调水工程应具有由综合性的控制策略所确定目标的子系统,其最优或接近最优,可使整个系统达到最优控制、差异最小或没有实际差异。后来又提出一个分层控制的大型调水工程运行原理,作为整个系统最优控制的手段,由控制子系统的联机计算分析处理来实现。经过几十年的现代调水工程实践,形成了调水工程三个阶段(规划、工程设计、运行管理)的规划设计理论、优化决策方法、运行管理模型。现代计算机及通讯技术为调水工程实现现代化的管理提供了重要的技术支撑。(www.xing528.com)

我国在过去的30年里,陆续建设了引滦入津、引黄济青、引大入秦、引黄入晋等大型跨流域调水工程。目前已开工的南水北调中线工程、引额济乌工程,陆续将建设的南水北调东线工程以及国内其他若干大型跨流域调水工程,都是为解决我国北方部分地区、大城市水资源不足的问题。早期建设的调水工中的水力控制基本是基于传统的水力学计算方法来考虑系统中各闸门的运行控制。

在20世纪80年代中期进行引黄济青调水工程建设时,由于该工程没有条件建设调蓄水库,若继续沿用传统的分散管理和调度方法,当渠道在运行期间遇到分水、停泵、冰塞或其他突发事件时,由于水流的惯性则会发生水位突涨突落,导致水量损失、边坡破坏、增加运行管理费、甚至引起用水矛盾等,因此对渠道断面的设计、闸门的运行控制提出了很高的要求。该工程借鉴了美国加州调水工程的设计理念,采用了明渠瞬变流最优等容量控制模型。根据Corriga提出的控制原理,将圣维南方程与现代控制理论相结合。这种设计理论的最大优点是当渠道发生流量变化时,全渠道所有控制闸门都能按计算机控制软件指令同时操作,利用渠道自身的调节能力,使各渠段水体容量变化最小,因而达到水深变化最小,维持设计水深的目的。这种控制模型的建立是以考虑渠道水力学特性为主,运行时控制复杂,闸门运行频繁。

20世纪90年代末结合引黄入晋的调水工程设计研究,使其水力控制调节模型更加完善,即考虑了多级泵站的中常规水泵和变频泵的运行组合,研究了同步电机的调速模型和变速泵控制前池水位的自动调节模型,讨论了转速调节器的参数Pn和dt按照负载变化力矩为恒定值考虑系统存在的问题,提出了描述变速泵控制前池水位动态特性的数学模型。结合工程的设计,研究了PID 水位调节器控制参数比例增益、积分增益、微分增益和转速限制器等对前池水位调节的影响。这种模型的提出大大提高了对该工程的水力控制精度,也为整个系统自动化控制的核心基础之一。

南水北调中线工程是目前世界上在建的、工程规模最大的跨流域调水工程,远期规模年调水量达400亿m3,调水总长度1390km。该工程的特点之一是沿线千余公里长的输水干线上没有大型调蓄水库,这给工程的设计和运行控制带来了极大的难度和高风险。

水力控制是研究用工程的或者非工程的措施和方法将水流的运动限制在预先规定范围内的课题。现代调水工程的水力控制是一门新的、高度综合性的问题,主要研究在调水工程建设过程中的水力控制问题,涉及到明渠和管道水力瞬变理论,冬季冰期输水理论,水力机械理论,自动控制理论,变速电机调节理论,大系统的运行最优化理论,水力检测信号处理理论,以及现代计算机数字三维仿真等高新科技。它主要研究两类命题,其中正命题是:在已知水工、机电、自动监测监控系统配置的条件下,研究整个工程水力控制的、动/静态特性及其最优控制策略和方法(过去以往工程中普遍使用的方法);其中反命题是:在已知调水工程水力控制要求的条件下,研究水工、机电、自动监测监控系统的最优配置。将设计过程转换为水力控制研究的反命题,即根据目前或者近期可以达到的理想调水工程水力控制系统要求,有目的地对调水工程的水工设施、机电设备、自动监测监控系统进行最优配置,以达到预设目的。