泵站是人们为了改变水的分布情况而建造的工程, 它的功能主要体现在抗洪、灌溉、生活生产供水、提高生态环境质量等方面。在经济水平持续提高的过程中, 我国开始了南水北调这一宏大的工程, 各种规模的泵站不断涌现, 可靠、安全、低成本的泵站受到更多的欢迎和期待。泵站的运行需要用到一系列的设备设施, 其中最重要的即为机组, 机组的运行质量在很大程度上决定了泵站的安全性。在机组容量不断提升的过程中, 其检修、维护、管理工作日益复杂, 对其运行状况进行实施跟踪[5]和故障诊断, 有利于尽快地发现隐患并追溯根源, 为泵站机组的稳定、可靠运行奠定更加扎实的基础。
南水北调东线工程梯级泵站优化调度控制, 属于多目标优化问题。而泵站安全可靠运行不仅是泵站多目标优化的最基本要素, 也是泵站管理的重要任务。就目前的现状来看, 大部分学者在探讨大型梯级调水工程调度时, 都将主要的关注点放在运行成本上, 鲜有学者研究维修成本等工程运行方面的指标。如果单纯强调经济目标, 可能造成更大损失。因此, 泵站机组的安全运行, 是调度运行过程中首先要考虑的问题。能够对每一级泵站, 实现在线运行状态评价, 对长距离功能相关性的梯级泵站系统运行、维护、管理以及科学合理的调度至关重要。
目前, 梯级泵站自动化监控系统尚缺乏对于叶片调节过程稳定性、设备执行可靠性以及故障预判等方法和技术, 不能满足泵站能够根据外部的运行变化情况进行动态调整的要求。因此, 研究适合不同工况下的泵站运行状态评估技术和泵站故障检测、故障诊断技术, 提升泵站运行情况的在线监测、分析能力、进而提升泵站科学维护管理能力, 成为当前“状态检测”方式的泵站运行、维护、管理的热点和发展方向。
一、状态监测研究现状
状态监测的主要作用是采集相关的信息并据此反映出设备运行状态, 根据故障特征信息等各项监测指标进行评估, 从而了解设备设施的“健康”状况, 其监测的范围包括机组稳定性、能量性能、空化性能、发电机气隙与磁场强度、发电机局部放电等诸多方面。我国部分大型水电站已经开展了机组状态监测的应用研究, 国家相关主管部门就状态监测的内容和要求制定了一系列的规程、规定等, 例如《发电厂检修规程》 (SD230-1987) 、《水轮机组振动监测装置设置导则》 (DL/T556-94) 、《水力发电厂机械辅助设备系统设计技术规定》 (DL/T5066-1996) 等等。
二、状态评价研究现状
状态评价是非常复杂的大论证工作, 能够用于状态评价的方法有两种:其一, 定性评价, 它的原理是首先确定和目标有关的各项因素, 而后将其影响程度分为不同的级别, 基于现有的经验通过“数量”描述“级别”, 也就是通过无量纲指标评价, 然后进行一系列的数学运算, 从而获取评价的结果。常见的定性评价方法主要有逐项赋值评分、指数综合法、功效系数法等。其二, 定量评价, 这种方法的原理是通过数学方法进行计算, 得到被评系统目标值, 然后将其和预期值进行对比, 获取评价结果。定量评价方法主要包括了总分法、加权平均法。
状态评估的重点之一是评价指标权重的确定。关于指标权重或重要性分析方法很多, 笼统来看包括两种, 即主观重要性分析法以及客观重要性分析法。主观重要性分析法主要是依据决策者和专家主管信息计算重要性值, 主要有专家咨询法、层次分析法、序关系分析法等。客观重要性分析方法主要根据评价指标所反映的客观信息确定重要性值, 主要有熵权法、神经网络法、投影寻踪法等。专家咨询法, 实施简便, 直观性强, 无论评价项目是否能够进行计算的, 都适用于这种方法。但该方法缺乏扎实的科学理论依据, 对专家的选取要求较高。层次分析法是针对复杂系统的决策思维过程, 适用于具有多层次结构的多目标复杂问题的决策分析。将定量分析与定性分析相结合, 是一种系统化, 层次化的分析方法。在定量数据信息较少时具有明显优势;在指标过多时, 数据统计量大, 权重难以确定。序关系分析法过程清晰、明确、方法简单、无需判断矩阵, 适用于评判准则较多时的多目标复杂系统。投影寻踪法通过对数据降维处理, 能够有效地发现高维数值的结构和特征, 稳健性较好, 但是计算量大, 能解决的问题有限。熵权法对数据标准化之后求各指标信息熵, 根据指标变异性的大小来确定客观权重, 所得结果精度较高, 客观性较强, 结果更易解释。适用于任何需要确定权重的过程。但只能用于权重确定, 因此使用范围有限, 解决的问题有限。
大型旋转设备运行状态评价分析方法有层次分析法, 灰色聚类法, 基于模型分析法, 人工神经网络法, 主成分分析法等。层次分析法将问题分解, 然后确定相同层次里面各个指标的权重, 把定性的问题转变为定量问题, 从而获取更为科学的评价结果。这种方法的主要优势在于充分考虑了所有因素和结果之间的关系, 尽量降低主观的影响。不过在数据较少的情况下, 权重值很难准确确定, 最终得到的结果可信度并不高。灰色聚类法通过关联度分析, 寻找数据变化规律, 并建立模型预测事物发展趋势。适用于对含有不确定因素的系统进行预测。在使用基于模型的状态评价方法时, 需要创建研究对象的模型, 然后利用模型进行评估。评估结果可靠性高, 但对于复杂系统难以建模, 且建模后验证困难。人工神经网络方法的原理是学习经验样本, 然后通过权值以及阈值的形式, 把经验知识保存在神经网络里面。这种方法尤其适用于非线性系统无法创建精确数学模型的问题。主成分分析法可消除评价指标之间的相关影响减少指标选择的工作量;当评级指标较多时还可以在保留绝大部分信息的情况下用少数几个综合指标代替原指标进行分析。
三、泵站标准研究现状
为了推动本国泵站的规范性发展, 很多发达国家都拟定了这方面的技术标准, 比如美国的《泵站进水设计标准》、日本的《泵站工程设计规范》等。在大型水泵性能、泵站装置效率以及经济运行等方面, 日本、荷兰获得的研究成果更为丰富, 无论是从泵站建设还是管理方面来看, 都更为全面。
20世纪80年代, 我国制定并推出SD140-85《泵站现场测试规程》、SD-141-85《泵站技术改造通则》等。20世纪90…年代以来, 在积累了一定的经验后, 我国又推出了国家标准B/T50265-97《泵站设计规范》, 水利部标准SL234-1999《泵站施工规范》、SL254-2000《泵站技术改造规程》等技术标准。上述标准的建立和应用, 为泵站工程建设和管理提供了规范, 为国内机电排灌事业的发展注入了有力的动力。另外, 这些标准也在实践的过程中不断调整, 比如SD141-85《泵站技术改造通则》被废止, 实施新的SL254-2000《泵站技术改造规程》;SD204-86《泵站技术规范》 (技术管理分册) 被废止, 实施新的SL255-2000《泵站技术管理规程》。如今, 为了促进大型泵站的现代化发展, 我们必须制定并实施更符合我国实际情况的新标准, “十一五”国家科技支撑计划重点项目明确提到了这一点, 《泵站更新改造技术规程》已经开始审核, 相信在不久后的将来即将推出, 还有一些标准的调整也在紧密锣鼓地进行。
四、存在的问题与分析
梯级泵站构成的复杂系统, 宏观上具有复杂关联、迟滞作用和非线性特征。复杂关联性表现在, 各级泵站之间通过渠系相连, 形成级间泵站的水力 (水位、流量) 联系;全系统水力状态形成对各泵站运行的约束, 进而形成级间机组运行状态的网络联系。迟滞作用表现在:级间距离较大, 级间作用和联系存在一定滞后性, 形成缓变和迟滞网络影响。非线性过程是指, 串联、并联等多重连接结构, 使得全系统的可靠性、安全性、最佳效能, 不等于各泵站运行状态的线性叠加。微观上, 单一泵站的运行状态, 受水力、机械、电磁耦合作用, 影响其效率或形成故障的因素往往存在多重映射。同时时变多模态特性显著, 时变主要指泵站设备老化或者进出水流异常等导致的运行特性变化, 多模态主要指机组运行具有启停、叶片调节、转速调节等不同工况下的不同稳态或过度态。
因此, 梯级泵站是一种随机、缓变/瞬变、多模态、多要素耦合、非线性相关的大型系统。泵站实时运行状态评估的技术难题主要有: (1) 如何准确认知和描述机械、水力、电磁多因素耦合的泵站机组运行变化机理; (2) 如何从分析确定宏观层面并联、串联梯级泵站机组运行状态的大时延网络相关性和微观层面多因素耦合的泵站机组运行变化的相关性及作用关系; (3) 如何确定梯级泵站机组时变多模态下的性能曲线, 如何确定运行评价指标体系和指标重要性; (4) 如何利用海量监测数据进行多因素耦合下多重故障早期非显性特征提取与诊断, 以及机组健康运行的评估。
摘要：泵站在灌溉、调水、抗洪、排涝、航运及改善生态环境等方面应用广泛。大型梯级泵站往往具有扬程髙、提水量大、输水流道复杂、运行时间长、机组多、能耗大等特点。南水北调东线工程梯级泵站的安全运行关系着沿线地区经济发展、社会进步及环境保护等诸多方面。对于梯级泵站, 每一级泵站出现故障, 都可能影响全局, 其进一步扩大, 可能造成重大的经济损失和严重的社会影响。因此, 实现梯级泵站优化调度目标, 研究适合不同工况下的泵站运行状态评估技术, 具有重要的现实意义。
关键词：运行状态,评估技术,现状分析