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南水北调东线泵站（群）运行的相关优化方法研究

作　者: 龚懿
导　师: 程吉林; 吉庆丰
学　校: 扬州大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 南水北调东线工程优化运行大系统理论动态规划分解聚合
分类号: TV675
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 47次
引　用: 4次
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内容摘要

南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺的重大举措,是关系到我国经济、社会可持续发展的重大水利基础设施建设项目。由于其输水线路长、扬程高、流量大,且涉及自然科学、社会科学等多个领域,是一项结构复杂、形式多样的多水源、多地区、多目标的高维复杂系统。工程分东、中、西三条线路,其中东线工程是我国水资源总体格局中的重要组成部分。从长江下游引水,基本沿京杭运河逐级提水北送,向黄淮海平原东部供水,终点天津。东线工程的实施,将促进地区经济发展和社会进步,有效扼制生态环境不断恶化的状况,改善人民生活质量,此外,东线工程疏浚和治理河道、湖泊,还将极大改善防洪、航运和生态环境条件,有着巨大的综合效益。南水北调东线一期工程设有13级泵站,总装机容量392.59MW,年运行时间一般为5000-6000h,年运行费用达9.8-11.8亿元。由于运行时间长,装机容量大,优化、高效运行对降低调水成本、实现工程良性运行至关重要。因此,采用现代决策理论的最新成果,结合工程管理决策的实际情况,对该跨流域调水系统运行开展优化运行研究,提出先进、实用的系统优化理论与方法,对提高复杂环境下工程运行优化决策质量(包括决策成果的精度、有效性、成本等)具有重要意义。目前,针对泵站(群)系统优化运行的相关研究大多对优化模型作了大量简化,且采用复杂系统理论研究较少,其成果不能充分利用大型泵机组的工况调节功能来进一步节省能耗、降低运行成本。本文提出了大系统分解-动态规划聚合等方法,对泵站多机组(淮安四站、淮阴三站)、并联泵站群(淮安一、二、四站,淮阴一、三站)、梯级泵站群(淮安一、二、四站～淮阴一、三站)开展了全面的研究,主要有以下几个方面：(1)考虑峰谷电价影响,系统针对泵站多机组、并联泵站群、梯级泵站群开展了全面的研究,提出了一整套优化运行理论方法。①提出了大系统分解-动态规划聚合法,求解泵站多机组叶片全调节日优化运行数学模型,以淮安四站为工程实例,获得一系列日优化运行方案；并与采用动态规划逐次逼近法获得的优化成果进行比较分析。该方法可以解决安装不同型号泵机组或同型号各机组性能存在差异的泵站多机组日优化运行问题。②采用大系统分解-动态规划聚合法,求解泵站多机组变频变速日优化运行数学模型,考虑变频装置效率随机组转速变化情况下,以淮阴三站为工程实例,获得一系列日优化运行方案。③提出了大系统二级分级-动态规划聚合法,针对并联泵站群日优化运行问题,分别考虑站间相同调节方式、不同调节方式下,求解并联泵站群日优化运行数学模型,分别以淮安一、二、四站并联站群(叶片全调节优化运行)、淮阴一三站并联站群(淮阴一站叶片全调节优化运行,淮阴三站变频变速优化运行)为例,获得并联泵站群优化运行方案。该方法可以解决并联泵站群各站间不同调节方式、不同时段划分、及不同日均扬程下的日优化运行问题。④采用并联泵站群优化运行与级间输水渠道一维非恒定流数值模拟(流量～水位关系)相结合的方法,针对梯级泵站群优化运行问题,初步提出了上下梯级泵站提水扬程与泵站优化运行相结合的综合优化方法。以淮安一、二、四站～淮阴三站梯级泵站群为例,获得了梯级泵站群优化运行方案。⑤在泵站单机组日优化运行数学模型求解基础上,考虑峰谷电价影响,分别采用动态规划法和线性规划法,针对单机组叶片全调节日优化运行与定角恒速运行,开展了受潮汐影响的泵站最优开机时刻研究,分析了月内最优开机时刻的规律性分布。(2)提出的一整套泵站多机组叶片全调节日优化运行、泵站多机组变频变速日优化运行、并联泵站群同工况调节、不同工况调节日优化运行、梯级泵站群优化方案,丰富和发展了跨流域调水理论,获得的研究成果对南水北调东线大型泵站(群)优化运行具有较高的应用价值。(3)提出的大系统分解-动态规划聚合法、大系统二级分解-动态规划聚合法,对形如泵站多机组日优化运行数学模型、并联泵站群日优化运行数学模型的复杂非线性数学模型求解具有一定指导意义,丰富和发展了大系统理论。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-16
1 绪论  16-33
  1.1 研究背景及选题来源  16-17
    1.1.1 研究背景  16-17
    1.1.2 选题来源  17
  1.2 研究目的和意义  17-18
    1.2.1 研究目的  17
    1.2.2 研究意义  17-18
  1.3 国内外研究进展  18-28
    1.3.1 国内外调水工程现状  18-20
    1.3.2 泵站优化运行研究进展  20-24
    1.3.3 大系统理论研究进展  24-28
  1.4 存在问题  28-29
  1.5 主要研究内容及创新点  29-33
    1.5.1 主要研究内容  29-31
    1.5.2 创新点  31-33
2 受潮汐影响的泵站最优开机时刻确定方法研究  33-44
  2.1 问题的提出  33
  2.2 单机组日优化运行研究概述  33-36
    2.2.1 单机组日优化运行数学模型  33-34
    2.2.2 单机组叶片全调节日优化运行方法研究进程  34-35
    2.2.3 单机组变频变速日优化运行方法研究进程  35
    2.2.4 单机组叶片全调节与变频变速组合日优化运行方法研究进程  35-36
  2.3 受潮汐影响的泵站最优开机时刻研究  36-43
    2.3.1 泵站单机组叶片全调节日优化运行数学模型  36
    2.3.2 相关定义  36-39
    2.3.3 模型求解方法-动态规划法  39-40
    2.3.4 受潮汐影响的泵站最优开机时刻确定方法  40
    2.3.5 江都四站考虑峰谷电价时最优开机时刻优化成果及分析  40-43
  2.4 本章小结  43-44
3 泵站多机组日优化运行的大系统分解-动态规划聚合方法  44-80
  3.1 问题的提出  44
  3.2 泵站多机组日优化运行数学模型  44-45
  3.3 泵站多机组不同型号叶片全调节日优化运行方法研究  45-60
    3.3.1 泵站多机组不同型号叶片全调节日优化运行数学模型  45
    3.3.2 模型求解方法—大系统分解-动态规划聚合法  45-53
    3.3.3 淮安四站叶片全调节日优化运行的大系统分解-动态规划聚合法  53-60
  3.4 泵站多机组同型号叶片全调节日优化运行方法研究  60-69
    3.4.1 泵站多机组相同型号叶片全调节日优化运行数学模型  60-61
    3.4.2 模型求解方法  61-62
    3.4.3 淮安四站多机组叶片全调节日优化运行的动态规划逐次逼近法  62-67
    3.4.4 基于大系统分解-动态规划聚合法与动态规划逐次逼近法的淮安四站多机组叶片全调节日优化运行比较  67-69
  3.5 泵站多机组变频变速日优化运行方法研究  69-78
    3.5.1 泵站多机组变频变速日优化运行数学模型  69-70
    3.5.2 模型求解方法—大系统分解-动态规划聚合法  70
    3.5.3 淮阴三站变频变速日优化运行的大系统分解-动态规划聚合法  70-78
  3.6 本章小结  78-80
4 并联泵站群日优化运行的大系统二级分解-动态规划聚合方法  80-107
  4.1 问题的提出  80
  4.2 并联泵站群日优化运行数学模型  80-81
  4.3 并联泵站群相同调节方式日优化运行方法研究  81-97
    4.3.1 并联泵站群叶片全调节日优化运行数学模型  81-82
    4.3.2 模型求解方法—大系统二级分解-动态规划聚合求解法  82-89
    4.3.3 淮安并联站群叶片全调节日优化运行计算实例  89-97
  4.4 并联泵站群不同调节方式日优化运行方法研究  97-104
    4.4.1 并联站群不同调节方式日优化运行数学模型  97
    4.4.2 模型求解方法—大系统二级分解-动态规划聚合法  97-99
    4.4.3 淮阴并联站群日优化运行计算实例  99-104
  4.5 本章小结  104-107
5 南水北调东线江苏境内典型输水系统模拟  107-116
  5.1 问题的提出  107
  5.2 南水北调东线江苏境内输水系统模拟方法  107-111
    5.2.1 一维明渠非恒定流模型  107-108
    5.2.2 模型求解方法  108-111
  5.3 淮安-淮阴段苏北灌溉总渠输水河道一维非恒定流模拟  111-115
    5.3.1 主要河道基本资料  111-113
    5.3.2 级间输水河道沿线用水户用水情况  113
    5.3.3 初始条件及边界条件设定  113
    5.3.4 方案选定  113-114
    5.3.5 求解结果  114-115
  5.4 本章小结  115-116
6 梯级泵站群优化运行方法研究  116-135
  6.1 问题的提出  116
  6.2 梯级泵站群优化运行思路及方法  116-119
  6.3 梯级泵站群优化运行数学模型  119
  6.4 梯级泵站群优化运行模型求解方法  119-122
    6.4.1 模型分解  119-120
    6.4.2 求解过程  120-122
  6.5 淮安-淮阴梯级泵站群优化运行实例分析  122-134
    6.5.1 梯级泵站群水泵性能曲线方程确定  123
    6.5.2 并联泵站群日运行负荷确定  123-125
    6.5.3 级间输水河道概化  125-126
    6.5.4 级间输水河道用水户水量概化  126
    6.5.5 淮安-淮阴梯级泵站群优化运行过程  126-127
    6.5.6 梯级优化方案综合比选  127-134
  6.6 本章小结  134-135
7 总结与展望  135-137
  7.1 全文总结和创新点  135-136
  7.2 研究展望  136-137
参考文献  137-145
附录  145-153
致谢  153-154
攻读博士学位期间发表的学术论文和参与的科研课题  154-157

南水北调东线泵站（群）运行的相关优化方法研究

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