[发明专利]一种用于大流量低扬程泵站的协同优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种大流量低扬程泵站的协同优化设计方法，主要用于解决大流量低扬程泵站泵房及泵机组结构设计与泵装置水力设计之间复杂的协同问题，以获得泵站整体设计的最优解。

背景技术

大流量低扬程泵站适合应用于广阔的平原地区，由于其抽水流量大，可在平原地区的抗旱排涝、水资源调配和水环境改善等工程中发挥关键作用。这种泵站的抽水系统较为复杂，由水泵、进水流道、出水流道、机组支撑体、泵房基础等多个子系统构成，涉及水力设计和结构设计两个方面。泵装置水力性能与泵房及泵机组结构安全度一般情况下并不一致，有时是矛盾的。现有设计方法是对各子系统分别进行设计，这样做的后果由于泵房及泵机组结构设计与泵装置水力设计缺乏协同、配合不佳，常导致泵站水力性能差，甚至会导致机组振动、设备损坏，影响泵站的正常运行。经检索，尚未见到大流量低扬程泵站的协同优化设计方法的文献报道及专利申请，仅有一些学者对泵装置优化水力设计进行了研究。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有方法的缺陷，提供了一种大流量低扬程泵站的协同优化设计方法，对泵站的水力设计和结构设计两个方面的设计进行协调结合和协同优化，以满足泵站安全、稳定、高效运行的总体目标，最终实现泵站整体设计的最优化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

在进行泵站协同优化设计之前完成如下基础工作：

(1)建立低扬程泵装置水力设计和泵房及泵机组结构设计参数化数学模型，列出对泵站协同优化设计具有重要影响的水力设计变量、结构设计变量和互相关设计变量等3种类型的变量，并对其影响泵站水力设计、结构设计的规律进行研究，按影响程度的大小将所述3种变量分别分为主要变量、次要变量和一般变量等3个层次；

(2)对已有泵装置水力设计研究及应用成果进行分类归纳整理，建立泵装置水力设计数据库；

(3)建立泵装置的分层次优化水力设计方法；

(4)建立泵房及泵机组的分层次结构设计方法和安全度评价方法；

(5)建立泵装置与泵房及泵机组分层次协同优化设计方法。

在上述工作的基础上进行大流量低扬程泵站的协同优化设计，其设计步骤如下：

(1)建立泵装置优化水力设计的目标函数、确定边界条件和约束条件；

①建立泵装置进水流道和出水流道优化水力设计的目标函数，进水流道为流道出口流速均匀度，出水流道为水头损失系数；②根据泵装置中进水流道和出水流道的水流流动状态，确定进水流道和出水流道三维湍流流动数值计算的边界条件；③确定泵装置进水流道和出水流道优化水力设计的约束条件。

(2)根据泵站基本设计参数、泵装置型式和相关设计准则，参考泵装置水力设计数据库中的相近方案，确定泵装置优化水力设计的初步方案。

(3)进行泵装置优化水力设计；

①基于CFD方法对泵装置初步方案水力性能进行三维湍流流动数值计算；②计算泵装置水力设计目标函数，并对泵装置优化水力计算结果进行判断；③若泵装置水力性能未达最优，则根据水力设计变量影响泵装置水力性能的规律，确定流道控制尺寸取值范围，在此范围内针对水力设计变量分层次地进行进水流道和出水流道的优化水力设计，直至泵装置水力性能达到最优；若泵装置水力性能已达最优，则进入第(4)步。

(4)进行泵房及泵机组结构设计和安全度评价；

①在第(3)步工作的基础上，进行泵房及泵机组的布置；②进行泵房稳定分析；③进行泵房主要构件及机组支撑体内力计算；④对泵房及泵机组进行抗振安全度验算，并检验其是否满足《泵站设计规范》的要求；⑤若抗振安全度满足要求，则转入第(7)步；若抗振安全度不满足要求，则进入第(5)步。

(5)进行水力设计与结构设计的互相关变量调整；

在对泵房及泵机组抗振安全度指标进行分析的基础上，根据互相关变量对泵装置水力性能和泵房及泵机组抗振安全度的影响规律，分层次地对互相关变量进行适当调整。

(6)进行泵装置水力设计与泵房及泵机组结构设计协同优化；

返回第(3)步，并反复进行第(3)、(4)、(5)步的工作，直到泵机组抗振安全度满足要求，同时又使泵装置水力性能达到可能的最优化。

(7)生成并输出低扬程泵站协同优化设计成果。