申同嘴水库流量平衡方案

1.水泵投切对前池的水力特性的影响

图5-1表示了这样一个过程：由于前池水位下降，在细线标出的时刻，两台水泵被切除，出水的流量减少了大约12.5m3/s。

图5-2中示出了由于申同嘴水库流量变化引起水泵投切的过程，它引起进水流量的剧烈波动，但是针对流量变化反映出的前池水位变化要平稳得多。另外还表示出了响应过程的缓慢。对应申同嘴水库流量下降约6m3/s，两台水泵被切除，此后需要大约1h才能将前池水位升高85cm，相当于大约每秒1.4cm（图5-1、图5-2中示出的前池最小水位低于实际最小水位，这样做只是出于测试的目的，并不是为了反应实际系统的运行）。如果考虑到水位传感器的不精确性以及GM3前池可能存在的波动等情况，前池这样缓慢的水面移动有可能不能以分钟的时间间隔可靠地测量出来。

2.申同嘴水库下泄流量的数值计算

为了控制从申同嘴水库下泄的流量，必须对该流量进行测量。流量计FT5（位于总干6号隧洞）是流量闸门下游的第一个流量计，距离闸门大约200m。流量在48m3/s时水的流速是2.5m/s，这意味着申同嘴水库下泄流量的变化要在1min后才能记录下来。

图5-3中的图形是根据明渠中关于水的流速的公式得来的：

式中 V——水的流速；

n——曼宁系数（对于混凝土衬里为0.014）；

图5-1　GM3泵站水泵的投切对前池水位的影响

R——水力半径；

So——隧道地基坡度。

这个公式可以经过转化，用流量Q作为水流横截面积A和水力半径R的函数来表示：

式中 A——水流通过的横截面积。

对于有固定宽度的矩形隧洞，流量变成了水深的函数。

式中 b——隧洞宽度，取5m；

h——水深。

Q=f（h）的逆函数绘于图5-3中。

从上面公式可以得到，当流量为48m3/s时，水的流速为2.5m/s，闸门在1min移动的最小距离是0.1m，也就是在40m3/s的初始流量下有2m3/s的改变时产生的移动。但是新出现的流量只有在到达流量计的安装位置时才能被检测出来。这种检测流量的变化时间上的较大延迟是带有死区时间（Dead time）的过程的一个特性。

图5-2　申同嘴水库流量变化引起GM3水泵的投切

图5-3　水深作为流量的函数

对这种带有固有死区时间的过程的控制通常是基于这样一种模型：该模型可以预测出过程变化的影响（流量闸门的移动）。对申同嘴水库而言，该模型将针对水库的一个给定水位和闸门开度生成对应的流量。初始阶段模型将基于引黄公司从物理模型测试中得到的闸门特性曲线，在系统调试阶段和实际运行过程中，将对它进行调节以提高近似度。模型在计及可变的死区时间的同时，将估算出测量流量与计算流量之间的偏差，这个偏差将被用来评估预测流量的正确与否。模型生成的数值是指稳定状态下的流量，而不是过渡过程中的流量。

3.基于流量控制的放水方式

要求能够执行运行计划的放水方式是流量控制方式。这种方式是用于输送精确流量的水流。该控制存在几个关键目标，包括：通过调节流量调节阀的位置来补偿申同嘴水库水头的变化；通过调节流量设定值来消除流量累计误差；在闸门和阀门移动之间切换从而恢复使用阀门来调节的流量的可控性。

4.控制策略(www.xing528.com)

提出采用PI控制器来调节从申同嘴水库下泄的流量。但是，有很多因素致使采用传统的PI控制器来调节变得十分困难，这些因素包括：

（1）阀门纠正流量误差的特性与闸门的不一致，相对于申同嘴水库水头，阀门和闸门的流量特性是一个非线性函数，由闸门引起的实际流量误差并不知道，对流量控制的处理过程有一段相当长的死区时间，相比闸门的流量调节范围，阀门的调节能力是非常有限的，水工建筑物建造时的误差所产生的不可知的影响，相比阀门移动的速度，阀门位置的修正将是不够快的。

（2）流量调节阀的调节，提议这样来实施控制器：将P环节作为基于修正流量的阀门模型来实施。阀门模型计算出阀门应该移动的尺寸，以将流量带回设定值（消除流量误差）。模型将以流量调节阀的流量特性曲线为基础，并通过一个对照表来实施，它将只生成稳定状态下的流量数值。模型将不捕捉阀门移动时出现的过渡状态，但是，考虑到较大的死区时间以及在长距离隧洞中的无压流动，过渡状态是可以忽略的。

（3）IE控制，控制器的I环节将以累计误差IE控制为基础。这种应用IE控制的方式还可叫作编目控制，因为它的控制目标是消除物品传输过程中的多余部分或缺失部分。与传统的I环节控制不同，它在返还过程变量到设定值的时候不会补偿此前偏离于设定值的偏差。

用于实施数字控制的差分公式为：

式中 IEi——当前i控制器周期的累计误差；

IE i-1——i-1控制器周期的累计误差；

SP i-1——i-1控制器周期的设定值；

PV i-1——i-1控制器周期的过程变量，为总干6号隧洞流量计FT5的实际量值。

在每一个控制器周期，IE都要重新进行计算，根据下列公式算出修正的设定值：

式中 SPi——当前i控制器周期的修正设定值；

SP init——起始设定值，当IE（累计误差）减小到零时修正设定值等于起始设定值；

T I——积分时间，与传统的PI控制器采用相同的因子。

上面所叙述的IE控制的效应如图5-4中所示。

图5-4　累计误差控制的效应

以后的图中数据是从总误差等于10时开始绘制的，起始设定值（目标值）等于43，回落时间等于10的单位倍数。基于这样的初始条件，控制器对设定值进行修正以减小流量，并消除前面多余的下泄流量。这种基于模型的流量补偿方式将实际流量调节到新的设定点（或接近新的设定点，这取决于阀门位置的精度）。在下一个控制器周期，将重复进行该控制行为。在每个周期后累计误差将被减小。在42这个时间点，又出现了新的流量扰动，该扰动引起累计误差达到-15，这表示下泄流量出现了不足。控制器对此作出的反应是将设定值增大，以超过目标流量。一段时间以后，累计误差减小到零，控制器的设定值又重新返回到目标流量。

流量闸门和阀门之间的切换：在正常运行过程中，申同嘴水库的水位将在最高水位和最低水位之间持续地升高或降低，这将引起通过闸门的流量持续增大或减小。为了维持这个流量的恒定，在通过闸门的流量增大时，调节阀将持续移动以减小流量，在通过闸门的流量减小时，调节阀则持续移动以增大流量。这两种情况都将使阀门达到其调节极限，即阀门全部打开或全部关闭，此时闸门必须及时地逐步地移动，以使调节阀能够向相反方向移动，从而恢复它的调节能力。这个过程示于下图5-5。

图5-5　从申同嘴水库维持下泄流量的过程

闸门阀门之间切换的目标就是将流量调节阀朝相反方向移动，并通过移动闸门来恢复总的下泄流量直至目标设定值。阀门关合的一个全过程所需的时间应该和前面估计的切换过程时间（2min）具有可比性。

执行闸门阀门之间的切换时，提出采用下列步骤：

（1）将用于补偿水头变化的流量调节功能禁止掉。

（2）将调节阀向相反方向移动，达其20%或80%位置。

（3）等待，直至流量变化被流量计检测出来，并估算出流量的变化量。

（4）移动闸门（用最小的速度），以消除偏离设定值的偏差。

（5）重新启动用于补偿水头变化的流量调节功能。

这个切换过程将引起累计误差增大，一旦流量调节阀的调节功能恢复，该误差就会被消除。根据估算，这个由闸门阀门切换引起的流量扰动持续的时间不会超过8min，对GM3泵站前池的水位不会有冲击。