多级结构（精选7篇）
多级结构 篇1
1 引言
随着人类对矿山资源的需求不断加大, 地表资源逐渐枯竭, 开采不断地向地下深入, 使得地下水的排出量不仅加大而且输送高度增加, 所以, 多级泵的生产制造越来越大型化, 需求量也不断增加。
多级泵的轴向力平衡直接关系到泵运行的可靠性和泵的寿命, 因此一直是一个研究的重点。目前, 多级泵的轴向力平衡大多采用平衡盘, 大型的多级泵其轴向力可达到上百甚至数百吨。制造误差、装配误差都可能造成平衡盘/平衡环的不间断的摩擦接触, 这种情况下, 平衡盘/平衡环的磨损非常快 (有时候几天时间就无法使用了, 这种情况偶有发生) 。另外, 井下泵组频繁的启停造成的平衡盘磨损累计也是一个不小的量。如果同时输送介质有腐蚀性或 (和) 含有颗粒、泥沙等杂质, 平衡盘/平衡环的磨损就更大了。平衡盘/平衡环磨损达到一定值后, 泵的性能下降, 机组运行稳定性和安全性严重下降, 必须更换。井下大型泵更换平衡盘/平衡环等维修工作既麻烦又不容易, 成本也非常大, 有时宁肯更换一台新泵而不维修 (指大修) 。如果有一种结构能够降低平衡盘/平衡环的更换频率甚至不用更换, 即使增加制造成本同时牺牲部分水力性能也是可取的。
2 改型设计
本文就如何改造多级泵的轴向力平衡系统结构结合D450-60型多级泵作了一些探讨性的工作。D450-60型泵属于大型多级泵, 设计流量Q=450m3/h, 额定 (单级) 扬程H=60m, 设计最高级数为9级, 9级泵标定轴功率为840k W, 配用电机功率为1000k W。泵结构见图1。
粗略估算D450-60×9泵的轴向力数值F:
式中:F-总轴向力, kg;H1-单级叶轮的扬程, m;γ-液体重度, kg/m3;Rm-叶轮密封环半径, m;rh-叶轮轮毂半径, m;i-叶轮的级数, 个数;K-轴向力系数, 与ns有关, 当ns=30~100时, K=0.6;当ns=120~220时, K=0.7;当ns=240~280时, K=0.8。
本型号泵ns=88, 取K=0.6, 水的γ=9800kg/m3, Rm=0.21m, rh=0.125m, 级数i=9代入计算:
粗略估算9级泵的轴向力达到280t, 该泵的轴向力相当大, 所以当存在一定的制造误差、装配误差、固体颗粒时引起的平衡盘/平衡环的磨损就可能相当大。
上述对D450-60型泵的轴向力的估算仅仅是为了说明该泵的轴向力很大, 平衡盘/平衡环造成的磨损可能很快, 从而说明大型多级泵新型无平衡盘/平衡环轴向力平衡机构的可取性和必要性。
改造的泵命名为D450-60 (P) , (P) 意为自平衡型。与D450-60型泵的主要不同点如下:
(1) 取消平衡盘/环系统, 也就不存在转子串动的问题, 运行安全性提高; (2) 叶轮采用对称布置, 能够抵消大部分的轴向力; (3) 采用长程螺旋副增压来强制平衡两侧的压差; (4) 后轴承部件采用一对角接触轴承来平衡残余的轴向力; (5) 采用螺旋增压来降低填料函体内的压力, 降低填料压紧力, 同时减小轴套和填料的磨损。
上述第 (5) 点无关轴向力的平衡。
如图2, 以六级 (偶数级) 泵为例进行定性分析。吐出段居中, 左侧 (吸入侧) 为3个正向叶轮, 右侧为3个反向叶轮, 叶轮正反向对称布置。这样由叶轮本身引起的轴向力抵消了。假定泵吸入口压力为P0, 正向最后一个叶轮背后的压力为P1, 反向第一个叶轮入口的压力为P3, 反向最后一个叶轮背后的压力为P4。如果吐出段两侧-正向叶轮和方向叶轮两侧间没有泄漏, P4-P3=P1-P0, 那么偶数级泵的轴向力可以说基本上抵消了。但实际上泵转子部件穿过吐出段形成流体间隙, 存在吐出段右侧 (高压侧) 向左侧 (低压侧) 流动的现象, P4降低, P1增加, 因此P4-P3
在轴向力平衡改造中, 增压的螺旋轴套是一个重点 (图3为螺旋轴套示意图) 。在设计计算中, “螺纹”加压侧一般采用直齿以增加轴向的螺旋力, 涉及的主要参数有:螺纹螺距、螺纹头数、牙深, 其最主要的是螺纹导程 (螺距×螺纹头数) 。
3 试验
基于上述5点对D450-60多级泵进行了设计改造, 制造了一台4级泵即D450-60 (P) ×4型多级泵样机。在龙岩九龙水泵制造有限公司的试车台上进行试验, 开机运行1h后主要参数如下 (同D450-60×4比较) :Q-H基本保持不变;效率下降2%, 这主要是两对螺旋副和轴承消耗了额外的能量;振动与噪音正常;前轴承 (单轴承, 滚子轴承) 温升10℃, 后轴承 (一对角接触球轴承) 温升20℃, 轴承工作良好。虽然试验结果表明泵效率略有下降, 但这是在预料之中的, 改型设计的目的是取消平衡盘机构, 这一目的是达到了, 证明设计改造取得了成功。
4 结语
上述的研究与试验, 表明采用一对螺旋副增压来强制平衡两侧的压差是可行的。当然, 泵级数的不同, 其需要平衡的轴向力数值也不同, 所以理论上不同级数泵的螺旋副的参数是不同的。实际上增加通用型, 通常的作法是选择最中间的级数来设计螺旋副, 这样其余级数偏离中间级数都不大, 未被平衡的轴向力数值不大, 其残存的轴向力可由一对角接触球轴承承担。
摘要：传统的D型多级泵的轴向力平衡采用平衡盘/平衡环机构进行平衡, 但是井下大型多级泵的平衡盘/平衡环更换麻烦, 维修工作量大, 如果有一种结构能够降低平衡盘/平衡环的更换频率甚至不用更换, 即使增加制造成本同时牺牲部分水力性能也是有益可取的。文中通过定性分析探讨了一种无平衡盘/平衡环结构的多级泵。
关键词：平衡盘,多级泵,结构设计
参考文献
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多级结构 篇2
在工程实践中, 经常遇到一些多目标决策问题, 设计方案优选是常见问题之一, 在这类决策问题中, 一般有多个决策人员对多方案从多个目标进行评价和选择。对这些目标的评价, 有些目标是可以得到定量值 (如工期、造价等) , 而有些目标则较难得到定量值 (如技术难度、环境因素等) , 决策人员往往只能对这些目标给出定性的估计和评判。由于实际问题的复杂性及客观存在着的模糊性, 使方案优选问题存在着模糊性, 在这种情况下, 应用模糊数学理论进行研究, 问题将得到改善。
模糊决策作为模糊数学的一种具体应用方法, 最早是由我国学者汪培庄教授[1]提出的。由于其数学模型简单, 容易掌握, 对多因素、多级次的复杂问题评判效果比较好, 被广泛应用与工程设计方案的优选。何夕平[2]应用模糊综合评价方法进行了基坑支护方案的比选;胡国祥等[3]根据模糊优选理论建立了桥梁方案优选模型;赵可等[4]应用模糊综合评判进行了桥梁结构设计方案优选, 并通过工程实例说明了该法的有效性;王成等[5]将灰色系统理论的关联分析方法用于桥梁方案优选;蒙晓红等[6]建立了桩基础选型优化的多目标模糊优选方法;肖盛燮等[7]对模糊综合评判方法在土木及水利工程中的应用进行了系统研究;王会利等[8]引入两级模糊优选模型及非结构性模糊决策理论, 进行了桥梁工程的设计选型优化;Feng[9]等基于模糊决策理论和级次分析法 (AHP) 建立了地基处理方案优选的多级模糊优选模型;张哲等[10]结合文献[11]提出的多目标模糊优选理论, 建立了桥梁方案优选的多级多目标模糊优选模型;Wang[12]等基于模糊模式识别方法建立了海洋平台选型优化模型。
桥梁结构选择要综合考虑各种因素, 在现代的桥梁结构工程实践中, 开发了大量的各式各样的桥梁结构形式, 而且一些新的桥梁结构形式还在不断地涌现。对于某一个具体的工程而言, 采用什么样的桥梁结构形式一个需要慎重对待、关系甚大的问题。成功的桥梁结构形式应该尽可能选用技术性能更好、经济效益更高以及适合现有施工条件的桥梁结构形式。
自日本学者Sugeno[13]首次定义了模糊测度, 并相应定义了可测函数关于模糊测度的积分, 模糊积分理论便成为模糊数学理论与应用研究中的一项重要内容[14,15,16,17,18,19,20,21,22]。由于模糊积分是以模糊测度为基础的非线性积分, 能有效评价具有模糊型的指标, 并且能够保证评价过程中考虑所有影响因素。为了在桥梁结构选型优化中综合考虑各种定性、定量因素的影响及各指标的模糊性特征, 获得经济上合理、技术上可行的最优桩型, 作者对Sugeno模糊积分进行了改进, 提出了分级改进Sugeno模糊积分模型, 并成功地应用该分级改进Sugeno模糊积分模型进行了桥梁结构选型优化。
2 Sugeno模糊积分的基本原理
本文无意对模糊测度和模糊积分理论进行过多的抽象性描述, 目的只是为了导出一个适合于多元决策问题的模糊积分决策模型。关于模模糊测度和Sugeno型模糊积分的基本理论详见文献[13]、文献[14]。
2.1 有限集合上的模糊积分
作者在文献[19]、文献[20]中研究了有限集合上模糊积分模型, 关于标化值和满意度的定义详见文献[19]、文献[20]。这里仅给出计算有限集合X={x1, x2, …, xn}上的模糊积分的计算步骤。
设决策系统中各因素的满意度hi已知, 即给定hi=h (xi) (1≤i≤n) , 则有算法如下:
①按满意度hi的大小顺序排列, 如, 这里为h (x1) , h (x2) , …, h (xn) 的顺序排列。
②计算, 其中H (r1) =g1, 若设λ=0, 则, 容易确立
若设, 则
设决策系统X={x1, x2, …, xn}中各元素xi的满意度函数为h (xi) , 系统整体的模糊积分为E, 则可得有限集合上的模糊积分为:
2.2 有限集合上的分级改进模糊积分模型
不难看出, 对于复杂系统的多元决策问题, 由式 (2) 或者式 (3) 计算决策系统的Sugeno型模糊积分值, 只突出了满意度hri和模糊分布H (ri) 最大最小项的作用, 未免带有很大的偏面性。有鉴于此, 根据问题的具体特性, 用二元运算“, +”来取代式 (2) 和式 (3) Sugeno型模糊积分中的二元运算“∧, ∨”, 于是式 (3) 可改写为
上式即为有限集合上的改进Sugeno型模糊积分。
一般而言, 对于复杂多元决策问题, 需要考虑的主客观因素相当多, 且各因素之间还存在着不同的级次, 对系统影响的相对重要程度各有不同, 若直接应用式 (4) 进行复杂系统的多维决策, 可能会淹没某些单因素指标。因此, 为了统筹全局, 既侧重于对系统影响较大的重要指标, 又要兼顾各种次要的因素的影响, 特别是一些主观性较强的因素。作者认为有必要提出一种多级模糊积分决策模型来取代式 (4) 。
设给定的备择对象集共有l个对象, 每个对象共有n个影响因素, 令因素集X={x1, x2, …, xn}。则多级模糊积分决策模型的建立, 关键在于如何正确选择出反映具体决策问题本身各个侧面的各种单因素指标, 并按各因素的属性合理划分归类。
定义1给定集合X, 若P是把X分成m个子集的一种分法, 且满足:
则称P是对集合X的一个划分, X在P划分下得到的集合记为X/P={x1, x2, …, xm}。
针对一个具体的多元决策问题, 首先给出影响系统决策的各个侧面的所有单因素指标作为因素集X={x1, x2, …, xn}, 作X的P划分得X/P={X1, X2, …, Xj, …, Xm} (j=1, 2, …, m) 。记Xj={xj1, xj2, …, xju} (k=1, 2, …, u) , 即Xj包含u个单因素, 通过聘请有经验的专家对X/P中的Xj和Xj中的xjk给出其各自的重要性测度之后 (重要性测度必需满足归一化要求) , 于是有多级改进模糊积分模型:
①计算中每一个因素集合的模糊积分值Ej (j=1, 2, …, m) 。Ej的计算可按下述方式进行。
将h (xjk) 顺序由大到小排列 (注意在h相同的情况下, g值大者列前) , 顺序为h (1) , h (2) , …, h (u) , 相应的把因素集Xj={xj1, xj2, …, xju}也顺序排列为x (1) , x (2) , …, x (u) .令集合F (k) 代表F (k) ={x (1) , x (2) , …, x (k) }, 于是可导出
其中, g (F (k) ) =g (x (1) ) +g (x (2) ) +…+g (x (k) ) 。
②一级模糊积分的结果是二级模糊积分的依据, 二级模糊积分与上一级模糊积分方法相同, 令, 则有系统的模糊积分值:
③根据备择对象集V={V1, V2, …, Vl}, 需分别由式 (5) 和式 (6) 求得每一个备择对象的模糊积分值 (E01, E02, …, E0q, …, E0l) , 分级模糊积分值最大的备择对象即为最优决策。
2.3 模糊测度的确定
为了实际计算多元决策系统的模糊积分值, 有必要就因素集合上所有元素确定出与模糊测度的单调性无矛盾的g值。对于多级模糊积分模型, 在实际应用中, 可采用聘请有经验的专家和实际工程技术人员利用分级次分析的方法确定各单因素的值g.级次划分的多少可视具体问题的性质而定, 一般分两级即可。第一级将指标分成若干类, 第二级为各类指标中所包含的详细条目。
关于模糊测度的确定方法详见文献[19]。
3 桥梁结构选型的改进分级模糊积分模型
根据上述研究结果, 可以归纳出应用多级改进模糊积分模型进行桥梁结构选型优化的基本步骤如下:
①取所有待优化的桥梁结构方案为备择对象集V, V={V1, V2, …, Vq, …, Vl}, q=1, 2, …, l, 共有l个桥梁结构方案有待选择, Vq代表第q个桥梁结构方案, 列出影响桥梁结构方案优选的各个侧面的所有单因素指标集X, 即X={x1, x2, …, xi, …, xn} (i=1, 2, …, n) , xi代表第i个单因素指标。
②作影响桥梁结构方案因素集X的P划分, 得X/P={X1, X2, …, Xj, …, Xm} (j=1, 2, …, m) , 记Xj={xj1, xj2, …, xjk, …, xju} (k=1, 2, …, u) 。P划分的多少需要视具体问题的性质而定, 一般可分为二级即可, 第一级根据影响桥梁结构方案的指标特征将指标分成若干大类, 第二级为各类指标中所包含的详细条目。P划分完成后, 聘请有经验的专家或工程技术人员对X/P中的每一因素集合Xj和Xj中的xjk (k=1, 2, …, u) 给出其模糊测度。
③利用前面给出的满意度公式计算各备择对象Vq (q=1, 2, …, l) 中各因素指标的满意度值, 于是根据式 (5) 和式 (6) 可进行基于分级改进模糊积分模型的桥梁结构方案优选, 其中, E0q代表第q个桥梁结构的模糊积分值。
4 实例分析与讨论
为了验证上述计算模型的合理性, 并便于同文献[5]结果进行比较, 本文以广西融水东大桥的桥梁结构选型设计为例进行实例分析。
融水东大桥位于融水苗族自治县南部, 融水镇所在地处于融江河东侧, 融江水在桥位段接近北南流向, 桥位段紧挨拉沙洲, 约有1公里顺直段后紧接河弯, 桥位段属于稳定河段, 呈U型, 两岸为一级阶地, 西岸为融水县城区, 桥址处地势平坦, 根据地质钻探知两岸覆盖层在20~24米, 河床覆盖层在4~6米, 覆盖层以下均为灰岩, 未发现不良地质现象。
根据桥址处的自然地理情况, 设计初步选定5个桥梁结构型式进行比选, 其相应的技术经济指标数值以及定性评价如表1所示。
根据该工程具体情况, 确定以方案的工期、造价、环境、技术作为评价因素, 邀请设计、施工、监理等方面专家10名进行方案评价。表1为5个方案9个因素的指标值, 其中工期、造价为经测算后的定量指标。
作因素集X={x1, x2, …, xi, …, x9} (i=1, 2, …, 9) 的P划分, 得X/P={X1, X2, X3}。其中X1={x1, x2}, 含2个单因素指标, 表示待优选桥梁结构方案经济指标中的造价和临时工程费用指标;X2={x3, x4, x5, x6}, 含4个单因素指标, 表示待优选桥梁结构方案指标中的功能与美观指标;X3={x7, x8, x9}, 含3个单因素指标, 表示待优选桥梁结构方案指标中的施工与后期养护指标。如表2所示。
根据对影响决策的各因素指标的相对重要程度进行分析, 经十位该领域的专家综合评定, 确定出各因素的模糊测度值如表2所示。
针对一个具体的工程项目, 可供选择的桥梁结构形式有多种, 而且影响桥梁结构选型的因素往往会很多。因此, 采用基于分级改进模糊积分多元决策的桥梁结构选型优化的计算模型, 手工计算相当复杂, 随着决策指标的增多, 有时甚至难以实现, 作者针对上述原理, 采用Visual Fortran语言编制了计算程序。
采用作者自编的程序, 针对该工程实例的分级改进模糊积分多元决策的桥梁结构选型优化的计算结果如表3及表4所示。从表4的计算结果可以看出, 混凝土箱肋拱桥为最优决策方案。
计算分析表明, 本文的优选结果与文献[5]中的结果是一致的。但由于该方法是以模糊系统理论中的模糊测度概念为基础, 结合模糊积分方法将逻辑加权方法发展为改进的分级积分合成方法, 不仅考虑了待决策系统因素状态特征的重要程度, 而且更强调了各因素之间的相互关联、制约对整个决策系统的影响, 使得该方法更具有先进性。
5 结论
本文提出了基于分级改进Sugeno型模糊积分多元决策的桥梁结构选型优化模型。
①用直观的模糊测度去度量模糊事件, 在模糊环境下进行桥梁结构选型优化, 充分反映了各桥梁结构整体指标的相对优劣, 可以全面考虑桥梁结构施工方案选择过程中各种定量与定性因素的影响, 若干影响大但权重小的因素也可通过模糊积分对结果产生影响, 避免了其他模糊多元决策方法诸如权重大的因素在结果得到反应、而权重小但影响大的因素被屏蔽掉等一些不足之处。
②通过对广西融水东大桥的桥梁结构选型进行优化结果表明, 所得结果更趋合理化、科学化, 研究成果具有一定的理论与工程应用价值。
摘要：为了在桥梁结构选型这类多目标决策问题中全面考虑各种主客观因素的影响, 根据模糊积分的有关理论, 对基于模糊测度的模糊积分加以改进, 推导有限集合上的多级改进模糊积分多元决策模型。在分析影响桥梁结构选型的各种因素的基础上, 给出基于多级改进模糊积分的桥梁结构选型优化模型, 并归纳出用该模型进行桥梁结构选型优化的一般步骤, 研制相应的桥梁结构选型优化计算程序, 并成功应用该模型进行某工程桥梁结构的选型优化分析。分析结果表明, 在充分考虑影响桥梁结构选型的各种因素的基础上, 基于多级改进模糊积分决策模型的桥梁结构选型优化, 可以全面合理地刻画影响桥梁结构选型的各种定性与定量指标, 按影响桥梁结构选型的整体指标优劣进行取舍是合理的。同时应用该模型可以开展其它复杂系统的综合决策研究。
多级结构 篇3
对于具有多级孔结构的材料而言,由于其结合了微孔/介孔高比表面和宏孔网络快速传质的优点,被期望用于吸附剂、催化剂和多孔电极等方面[1,2,3]。作为其中一种重要的多孔材料,因其宏孔具有单向排列的独特形貌引起了广泛的兴趣[2,4,5,6,7,8,9]。
迄今为止,具有孔单向排列且孔径层次分明多孔材料的制备主要集中在模板的使用[4,5,6,7]。在自然界中,木材因其来源丰富以及具有单向孔渠道系统(其尺寸从几微米延展到几米[7]),被大量使用。一个典型的制备过程:首先,将预处理的木材在一定条件浸渍于先驱溶液中一段时间;然后,从溶液中取出并干燥;最后,将干燥后的素坯在一定温度下煅烧,获得具有单向排列结构的多孔材料。除了自然模板外,热诱导形成单向排列模板也引起广泛的注意[2,8,9]。在制备过程中,溶剂作为赋型剂被定向凝固,引导溶剂晶体沿温度梯度方向生长[2,8,9,10]。在溶剂升华后,一种连续蜂窝状单向排列的微观结构被形成[2,8,9]。
淀粉作为一种来源广泛、价格低廉、环境友好的材料,被广泛用于制备孔径层次分明的多孔材料[1,11,12]。在本文中,我们将可溶性淀粉制备的模板浸渍于硅溶胶中制备具有孔单向排列的多孔陶瓷。研究浸渍时间对模板上氧化硅加载量及多孔氧化硅陶瓷层壁厚、比表面积等的影响。
1 实验
1.1 实验原料
实验用可溶性淀粉为分析纯试剂,天津市科密欧化学试剂有限公司生产;无水酒精,分析纯试剂,天津市恒兴化学试剂制造有限公司;盐酸,分析纯试剂,哈尔滨新春化工厂品有限公司;十六烷基三甲基氯化铵,分析纯,天津市光复精细化工研究所;正硅酸乙酯,分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
1.2 实验过程
淀粉溶胶的制备过程类似于文献[1]。取一定质量的可溶性淀粉加入到装有去离子水的玻璃烧杯中,快速搅拌形成均一的悬浊液。然后,将悬浊液置于95℃的水浴中,继续搅拌直至淀粉溶胶形成。取出,冷却到室温后,将其装入模具中,采用液氮作为冷冻剂引导溶胶定向凝固,该过程类似于参考文献[13]。将完全凝固后的溶胶试样于-30℃老化24h以增加试样的强度。随后,取出并冷冻干燥。
将干燥的淀粉试样浸渍于混有无水酒精、盐酸、十六烷基三甲基氯化铵、正硅酸乙酯、去离子水的先驱溶液中12h、24h、48h。将取出的试样在空气中干燥,随后在600℃煅烧6h。
1.3 测试
采用上海天平厂生产的ZKY-ZP型综合热分析仪研究淀粉模板上氧化硅加载量。采用FEI QUANTA200型扫描电子显微镜观察淀粉模板及二氧化硅多孔陶瓷的微观形貌。由于淀粉、二氧化硅陶瓷导电性不佳,在观察前,对试样表面进行真空喷金处理。采用ASAP2020自动吸附仪测定测量多孔陶瓷的比表面积SBET、微孔介孔的体积含量Vmic,Vmes和介孔尺寸分布峰值dpeak。
2 结果与讨论
2.1 浸渍时间对氧化硅加载量的影响
在盐酸的催化作用下,正硅酸乙酯逐渐水解,形成的氧化硅在酸性条件下,表面呈正电。由于淀粉表面因存在少量的羧基官能团,在浸渍于硅溶胶后,表面呈负电[1],引起氧化硅吸附。随时间增加,硅溶胶中电解质浓度增加,氧化硅表面的双电层被压缩,颗粒之间的相互排斥作用减小,氧化硅的加载量也相应增加,如图1所示。
考虑到物理吸附水的影响,热重测试从100℃开始,在大约300℃时,热重曲线相互分离,这种分离是由于氧化硅加载量不同所导致。并随温度增加,失重逐渐增加,在600℃后保持恒定。浸渍48h后,氧化硅加载量大约为100℃时样品的29wt%。
(a)、(b)平行于冰晶生长方向;(c)、(d)平行于冰晶生长方向
(a)and(b)perpendicular to the ice front;(c)and(d)parallel to the ice front
2.2 浸渍时间对氧化硅多孔陶瓷形貌的影响
淀粉溶胶在定向凝固成型时,冰晶沿温度梯度方向生长,溶胶颗粒从冰晶内排出后,堆积在冰晶之间。当样品被冰冻干燥后,淀粉模板沿冰晶生长方向孔呈明显的单向排列结构(图2a、2b),在垂直于冰晶生在方向呈网状结构(图2c、2d),其孔径范围为3～12μm,同时在孔壁表面存在一些突起的枝晶状的结构(图2d)。
当模板浸渍于硅溶胶后,氧化硅除了吸附于模板表面外,也进入到淀粉壁的内部,对模板进行直接矿化,而主要的孔通道并未被填充,沿冰晶生长方向和垂直于冰晶生长方向仍保持模板的结构,如图3、图4所示。
从图4中可以明显看出,随浸渍时间延长,多孔陶瓷的壁厚增加,与图1中变化规律一致。因此,可以通过改变浸渍时间调节陶瓷的微观结构。
2.3 浸渍时间对氧化硅多孔陶瓷微孔的影响
淀粉模板浸渍于硅溶胶后,氧化硅吸附于模板表面并进入模板壁内对淀粉进行直接矿化。当对试样煅烧时,试样发生收缩,其壁上孔的尺寸相应减小。氧化硅加载量越多,颗粒之间的距离越小,陶瓷壁上孔的尺寸也越小。如表1所示,浸渍时间增加,介孔的尺寸由5.2nm减小到3.2nm。同时,微孔体积由0.148cm3/g减少到0.129cm3/g,介孔体积由0.004cm3/g增加到0.024cm3/g。
3 结论
多级结构 篇4
在当今信息化战争条件下, 精确制导武器在坑道口附近爆炸已成为可能[1]。坑道结构广泛用于军事与民用建筑当中。坑道内爆炸不同于空爆, 由于受到内部壁面的约束作用以及坑道结构与内部设备的综合因素影响, 冲击波压力衰减的会很慢[2], 并且会产生复杂的冲击波反射和绕射现象, 对坑道内部人员与设备产生很大的破坏。因此, 对复杂坑道内冲击波传播规律的研究非常有必要, 具有重要的军事意义。
国内外对坑道内爆炸冲击波传播规律进行了很多的试验与数值的分析, 李秀地[3]、王启睿[4]、孔霖[8]、庞伟宾[9]等对复杂坑道内爆炸冲击波传播规律进行了相关试验研究;张德良[5]、穆朝民[6]、杨科之[1]、刘晶波[7]、宁建国[10]等对复杂坑道爆炸冲击波衰减规律进行了细致的数值模拟, 但对于多级穿廊结构坑道内爆炸冲击波传播的数值分析尚不多见。
本文利用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA采用多物质固流耦合法, 对多级穿廊结构坑道分别进行穿廊端部全封堵、一端封堵和全开放三种建模, 并将冲击波传播规律同等尺寸长直坑道进行对比分析, 总结出多级穿廊结构坑道对冲击波的削弱作用以及穿廊端被封堵时对冲击波传播的影响。
1 有限元模型及材料参数
1.1 模型建立
本文穿廊结构坑道模型按照总参工程兵科研三所[4]所建的多级穿廊坑道试验实体模型, 如图1所示, 模型尺寸单位为厘米, TNT按照立方体建模, TNT等效当量为834g, 在坑道入口端中心起爆。所有模型入口爆炸端均封堵, 通过将空气边界设为刚性边界来模拟坑道结构对爆炸冲击波的反射, 开放段设置为透射边界条件, 模型采用4cm×4cm×4cm进行网格划分。
1.2 材料参数
1.2.1 空气
在数值模拟中, 空气的材料模型假设为理想气体, 其压力P和能量E的关系可由下式确定:
式中, ρ为空气的密度, E为内能, k为空气的绝热指数。
本文分析中, 空气密度ρ=1.225×10-3g/cm3, 绝热指数k=1.4, 为保证环境空气的压强为一个标准大气压 (101.332k Pa) , 将空气的初始内能设为E=2.068×105m J/mm3。
1.2.2 TNT炸药
炸药TNT的材料模型假设为JWL状态方程。该状态方程可以用来计算爆炸中由化学能转化成的压力。其压力和能量的关系可由下式确定:
式中, P为压力;υ为炸药相对体积;e为炸药内能;C1、r1、C2、r2和ω为材料常数。炸药TNT的材料参数为:C1=3.7377×105MPa, r1=4.15, C2=3.7471×103MPa, r1=4.15, r2=0.9, ω=0.35。
2 计算结果与分析
2.1 多级穿廊结构坑道与长直坑道内冲击波传播规律的比较
分别从一级、二级、三级穿廊结构中选取一点g1、g2、g3, 参考点沿着坑道中心轴线距离爆点的线段长度分别为422cm、826cm、1174cm。由于三级穿廊结构覆盖了一级与二级穿廊结构, 为了方便起见, 一级与二级穿廊结构选取的参考点全部标记在三级穿廊结构示意图中, 参考点布置如图1- (e) 所示。穿廊端部全开, 长直坑道末端开放, 将g1、g2、g3点分别与长直坑道等距离的点进行压力对比, 压力变化如图2所示。
从图2可以看出:穿廊结构主坑道冲击波较长直坑道冲击波衰减的非常明显。图2- (a) 中, 距爆心距离422cm处, 长直坑道峰值压力为1.37MPa, 一级穿廊结构主坑道内g1点峰值压力为0.52MPa, 冲击波压力衰减62%;图2- (b) 中, 距离爆心826cm处, 长直坑道冲击波峰值压力为0.89MPa, 二级穿廊结构主坑道g2点的峰值压力为0.22MPa, 冲击波压力衰减67%;图2- (c) 中, 距离爆心1174cm处, 长直坑道冲击波峰值压力为0.70MPa, 三级穿廊结构主坑道g3点的峰值压力为0.15MPa, 冲击波压力衰减79%。通过以上数据可以看出多级穿廊结构坑道可以很好的降低冲击波的强度, 并且穿廊的级数越多, 降低冲击波强度的效果越明显, 作用时间也相应延长, 压力衰减的速度相应减缓。
2.2 一级穿廊结构坑道穿廊端封堵与开放时冲击波传播规律的比较
一级穿廊结构穿廊端主坑道 (B端) 封堵, 与穿廊端全开进行比较, 取坑道内沿着坑道中心轴线距离爆点的线段长度722cm处主坑道的一点进行对比, 如图3- (a) 所示;一级穿廊结构穿廊端全封堵, 与穿廊端全开进行比较, 取坑道内沿着坑道中心轴线距离爆点的线段长度722cm处主坑道的一点进行对比, 如图3- (b) 所示。
从图3- (a) 中明显可以看出:一级穿廊结构主坑道封堵较穿廊端部全开情况下压力明显提高。主坑道封堵时, 压力曲线出现很明显的两个峰值, 并且第二个峰值压力较第一峰值压力高出明显, 主要是因为主坑道封堵端部冲击波反射的能量和传播中的冲击波能量叠加在一起。主坑道封堵时峰值压力为0.58MPa, 穿廊端部全开时峰值压力为0.4MPa, 压力提高45%。在主坑道封堵端部冲击波未反射回来之前, 主坑道封堵时的第一峰值压力和端部全开时的峰值压力基本维持一致。
从图3- (b) 中可以看出:穿廊端部全封堵与一端封堵 (主坑道封堵) 时, 在封堵端冲击波反射回来之前, 压力曲线基本维持一致。两端全封堵时端部反射回来的冲击波效果明显, 第二峰值压力为0.8MPa, 较一端 (主坑道) 封堵时峰值压力提高40%, 较端部全开时提高了一倍, 后续陆续出现较为明显的压力峰值, 但较之前峰值压力依次减小至趋于平缓。
3 结论
(1) 多级穿廊结构坑道对冲击波削弱较之长直坑道效果显著, 一级穿廊结构主坑道内冲击波峰值衰减62%, 冲击波传播到二级穿廊结构主坑道内冲击波峰值压力衰减67%, 在三级穿廊结构主坑道内冲击波峰值压力衰减79%, 并且随着多级穿廊结构坑道级数的增加, 对冲击波削弱效果更佳明显。
(2) 在一级穿廊结构坑道内, 穿廊端部封堵对坑道内冲击波压力传播影响很大。穿廊端主坑道封堵比端部全开时峰值压力提高45%;端部全封堵比端部全开放提高一倍, 比一端封堵提高40%, 符合冲击波传播的一般规律。
摘要：数值模型尺寸参照总参工程兵科研三所所建的穿廊结构坑道实体模型, 采用ANSYS/LSDYNA建立三维穿廊端部不同开闭的数值模型, 得出冲击波在多级穿廊结构坑道内的传播规律, 并与长直坑道内爆炸冲击波传播规律进行对比分析。结果表明多级穿廊结构端部开放坑道对爆炸冲击波的削弱作用非常显著, 一级穿廊结构削弱冲击波强度62%, 级数越高, 削弱效果越明显;端部封堵时冲击波反射效果明显。
关键词：爆炸力学,冲击波,数值分析,穿廊结构
参考文献
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多级冷冻法处理含油废水 篇5
作为一种废水处理方法, 冷冻法已有多名学者对其进行研究和探索[3,4,5]。实验中发现冷冻法对废水的COD、TOC和色度有良好的去除效果, 相对于其他水处理方法, 冷冻法在环境影响、能耗、可靠性等方面均有优势。与国外相比, 国内利用冷冻法处理工业废水尚处于探索阶段[6,7,8]。
由于单级冷冻法的杂质去除率不高, 因此本工作采用多级冷冻法处理含油废水。根据冷冻过程中固液相分离原理, 逐级降低废水中杂质的浓度, 处理后废水符合排放标准。
1 实验部分
1.1 试剂和材料
乙醇、氯化铵:分析纯。
配制5组乙醇溶液, COD分别为55 500, 20 000, 7 000, 2 000, 300 mg/L;配制4组氯化铵-乙醇溶液, 其中COD分别为20 000, 20 000, 300, 300 mg/L, ρ (NH3-N) 分别为800, 50, 800, 50 mg/L。
实验用含油废水为油脂类悬浮溶液, COD为36 400 mg/L, ρ (NH3-N) 为73 mg/L, p H为3.8, TP为27 mg/L。
1.2 实验装置和方法
实验用单向降温冷冻装置为底部及周围包裹珍珠棉保温材料的圆柱形塑料容器, 以普通可控温冷柜作为冷源, 模拟大面积水域自然结冰过程, 溶液自上而下逐层降温, 冰晶逐层形成。
为方便实验的进行, 将多级冷冻采用一次冷冻简化代替。取600 m L水样置于冷冻装置中, 温度调节为-5℃, 冷冻48 h至水样完全冻结, 取出圆柱状冰块。将冰块横向切割为高度为10 mm的16个小冰块, 自然条件下融化后测定每冰层中的COD。以COD去除率表征废水的除油效果。
1.3 分析方法
采用重铬酸钾法测定COD[9];采用纳氏试剂比色法测定ρ (NH3-N) [10]。
产冰率 (R, %) 和溶质分配系数 (K, 以COD计) 的计算公式见式 (1) 和式 (2) 。
式中:s0为总冰层厚度, m;s1为待测冰层底部深度, m。
式中, η为COD去除率, %。
2 结果与讨论
2.1 乙醇溶液的COD去除规律
溶质分配系数表示冰层中杂质质量占溶液杂质总质量的比例。溶质分配系数越高说明冰层中杂质含量越高、COD越高, 即COD去除率越低。乙醇溶液中产冰率与溶质分配系数的关系见图1。
由图1可见:当COD为300 mg/L时, 溶质分配系数最高;当COD为7 000 mg/L时, 溶质分配系数最低, 说明COD为7 000 mg/L的乙醇溶液的COD去除率最高。
将K≤0.2的冰层定义为洁净层, 0.2
考虑能耗、效率和经济成本等问题, 实际处理过程应以尽量少的冷冻级数达到一定的处理效果。因此在处理废水之前需对冷冻级数进行确定。冷冻级数取决于每级冷冻处理中的产冰率和杂质浓度。选取产冰率分别为37.5%, 50.0%, 62.6%, 75.0%, 87.5%下的ln (COD) 与COD去除率进行拟合, 拟合结果见图2。由图2拟合得到不同产冰率下的COD去除率~COD关系式, 见式 (3) ~式 (7) 。
当R=37.5%时,
当R=50.0%时,
当R=62.5%时,
当R=75.0%时,
当R=87.5%时,
对不同有机物浓度的实际废水进行多级冷冻处理, 可在选定产冰率的条件下, 将废水COD代入上式进行计算, 根据所需达到的处理效果确定冷冻级数。
2.2 氯化铵-乙醇溶液的COD去除规律
氯化铵-乙醇溶液中产冰率与溶质分配系数的关系见图3。由图3可见:随产冰率的增加, 溶质分配系数增大, 处理效果降低;COD为300 mg/L、ρ (NH3-N) 为800 mg/L的氯化铵-乙醇溶液溶质分配系数最低, 说明该溶液的COD去除率最高。
当产冰率为100%时, 氯化铵-乙醇溶液中洁净层、过渡层和浓缩层与总冰层的体积比见表2。由表2可见:COD为300 mg/L、ρ (NH3-N) 为800 mg/L的氯化铵-乙醇溶液洁净层占总冰层体积的57%;COD为300 mg/L、ρ (NH3-N) 为50 mg/L的氯化铵-乙醇溶液洁净层占总冰层体积的44%。由此可见, 无机盐的存在增加了洁净层的比例, 对有机物的去除更为有利。原因是有机物分子通常为形状不规则的大分子, 分子与分子间更易发生摩擦碰撞, 而无机分子的存在则可降低这种情况发生的概率, 使分子不易被枝状冰晶挟带, 更易于移动和扩散, 因此乙醇溶液中无机盐的增加可提高其冷冻处理效果。
将产冰率与溶质分配系数进行拟合, 将拟合结果代入式 (2) 得到一定COD与ρ (NH3-N) 条件下的COD去除率~产冰率关系式, 见式 (8) ~式 (11) 。
当COD为20 000 mg/L、ρ (NH3-N) 为50 mg/L时,
当COD为20 000 mg/L、ρ (NH3-N) 为800 mg/L时,
当COD为300 mg/L、ρ (NH3-N) 为50 mg/L时,
当COD为300 mg/L、ρ (NH3-N) 为800 mg/L时,
当产冰率为37.5%时, 由式 (8) 计算出COD去除率为42.71%, 由式 (9) 计算出COD去除率为80.70%;当产冰率为87.5%时, 由式 (10) 计算出COD去除率为9.12%, 由式 (11) 计算出COD去除率为15.78%。在相同COD的条件下, ρ (NH3-N) 较高时, COD去除率较高。由此可见, 氯化铵的存在对有机物的去除有利。实际废水中一般都含有无机盐离子 (如NH4+) , 因此在实际废水处理过程中可应用这一结论, 更准确地确定所需产冰率和冷冻级数。
2.3 多级冷冻法处理含油废水
CJ 343—2010《污水排入城镇下水道水质标准》[11]中规定最高允许排放浓度为COD 500 mg/L、ρ (NH3-N) 25 mg/L。采用多级冷冻法处理实验用含油废水。将初始废水COD代入式 (3) ~式 (7) , 得出在不同产冰率下均需经过10级或12级以上冷冻处理才可使处理后废水达到排放标准。
在无机盐存在的条件下, 按照式 (8) ~式 (11) 计算冷冻法处理含油废水所需级数。实验用含油废水水质与式 (8) 接近, 选取产冰率分别为37.5%, 50.0%, 62.6%, 75.0%, 87.5%, 代入式 (8) 。经计算得出在不同产冰率下, 经过8级冷冻处理后出水COD均可降至500 mg/L以下, 达到排放标准。逐级冷冻处理后的COD和ρ (NH3-N) 见图4。
由图4可见, 多级冷冻法对含油废水具有良好的处理效果, COD和ρ (NH3-N) 逐级降低, 经8级冷冻处理后, COD降至430 mg/L、ρ (NH3-N) 降至2 mg/L, 去除率分别可达98.82%和97.72%。
3 结论
采用多级冷冻法处理含油废水。废水中无机盐的存在有利于有机物的去除。在初始废水中COD和ρ (NH3-N) 分别为36 400 mg/L和73 mg/L的条件下, 经过8级冷冻处理, COD和ρ (NH3-N) 分别降至430 mg/L和2 mg/L, 去除率分别可达98.82%和97.72%。
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浅析多级泵检修要点 篇6
1.1 多级泵优势
随着社会的发展以及科技的进步, 越来越多的产业步入了技术发展的高潮。在这些发展的浪潮中, 离心泵也逐渐得到改进以及发展。其中, 多级泵就是在这样的时代背景之下发展起来的。多级泵的工作原理就是被输送的液体在压力的作用下进入多级泵, 在叶轮的作用下使得液体的动能和势能增加。多级泵的工作过程需要液体由一级到另一级重复进行, 并且在每一级上都对液体加以相同的压力。这种多级泵已经被广泛应用于石油、食品、矿产等工业中去, 并且多级泵的使用效果很好。在很多地势较高的地段, 都可以利用多级泵进行分级输送。这与普通的水泵相比具有十分大的优势。其所产生的水压通常会更大, 而且还相对稳定。所以多级泵在输送水液的过程中具有天然的优势。
1.2 多级泵结构
多级泵的结构比较复杂, 它的主体是一个泵筒体和泵盖、泵芯。多级泵除了泵筒体、泵盖和泵芯以外, 还有泵脚, 泵脚与泵筒体连接在一起, 并在泵筒体的水平轴截面上。在组装多级泵时, 泵芯需要先组装好, 然后将组装好的泵芯放入到泵筒当中泵芯主要包括四部分的部件:吸入函体、导叶、中段和转子部件。安装好泵芯之后, 对多级泵进行加盖, 盖上泵盖, 并且在筒体的吐出端由泵盖密封高压的液体。
2 多级泵检修要点
2.1 拆卸
多级泵在运行一段时间之后, 需要对其进行检查和维修, 多级泵的检修同时又是保证多级泵使用寿命的关键因素。对多级泵进行定期的检修, 能够有效的发现危害多级泵运行的因素, 并能在故障发生之前, 完成对多级泵的检修。
在多级泵的检修过程中, 拆卸是不可缺少的一步。拆卸多级泵的目的就是通过拆卸达到直观的发现多级泵故障的原因, 明确多级泵的故障具体发生在哪个部位, 并能对其进行有效的修理, 保证故障得以解除, 保证多级泵的正常运行。在拆卸的过程中, 有许多需要注意的地方, 例如在拆卸多级泵的时候要注意切断电源, 防止拆卸过程中的触电事故;另外, 在拆卸多级泵的时候, 要注意零部件的收纳, 以确保在检修完之后, 多级泵的零件没有丢失;再者, 多级泵的拆卸有一定的步骤:首先要做好拆卸多级泵的准备工作, 例如断电、找好操作工具等;其次, 将泵内的液体排净, 拆掉轴承和联轴器上罩;再者, 将多级泵的平衡装置进行拆卸;最后, 将泵芯进行拆卸。
2.2 零部件检修
2.2.1 轴部件检修
对多级泵进行拆卸之后, 需要分别对多级泵的各个部位进行检修, 找到故障发生的原因, 并通过更换或修理解决多级泵的故障, 保证多级泵的运行。对多级泵轴的检修是通过检修多级泵轴的跳动值实现的。一般来讲, 多级泵轴的跳动值不大, 但是在检修中若发现多级泵的跳动值对0.03mm, 那么就需要更换此多级泵的轴。对轴弯的检修不能通过热加工和冷加工的检修方法。对轴进行细致的检查之后, 若没有产生出现故障的地方, 那么我们就需要对多级泵的其它部件进行检修。
2.2.2 中段、吸入函体、导叶、叶轮、密封环
在对多级泵拆卸并检修轴之后, 需要对中段、吸入函数、导叶、叶轮和密封环作进一步的检修。首先是检查多级泵的各中段、吸入函数的密封面。密封面的检修主要是要保证密封面的平行度, 当密封面出现0.025mm的倾斜时, 需要对密封面进行修正。除此之外, 密封面还要保证其损坏程度不超过其标准, 密封面如果划痕过多或者损坏比较严重, 就需要对其进行修整和更换。密封环的检修要注意检查密封环的间隙, 当间隙超过了一定的标准时, 就需要对密封环进行更换或者修理。
2.2.3 轴承
对多级泵轴承的检修, 主要的检修问题也是轴承的磨损以及划痕。当发现轴承有比较轻微的刮痕和磨损时, 检修人员需要将这些刮痕和磨损清除掉。由于轴承的修刮不允许用手进行操作, 因此, 应该采用专门的刮刀, 对轴承的刮痕和磨损进行清除。在检修的过程中如果发现轴承的刮痕和磨损比较严重, 并且不能轻易的用刮刀对其清除, 那么我们应该选择更换轴承, 使得多级泵能够正常的运行。
在对推力轴承进行检修的时候, 也需要检查每个扇形块的划痕以及磨损程度, 并且在检修的时候, 要注意检修扇形块的两面, 当刮痕以及磨损出现比较严重的问题时, 检修人员需要更换推力轴承。
多级泵的检修一个重要的问题就是泵的密封问题, 多级泵的密封若出现问题就会直接导致多级泵出现故障, 影响多级泵的正常操作。如果密封部件出现问题应该及时的对其进行更换, 如果其他的部件出现划痕或者磨损, 也要注意及时对其进行修理和更换。在对其轴承进行检修的过程中需要对其进行二次密封, 同时还要对其进行相应的维护与保养, 避免出现二次破坏。
拆止推轴承前应利用百分表测量出平衡盘间隙, 并做好记录;多级泵解体时必须将各零件按原装配顺序做好记号, 以免回装时混乱、装错;不便于做记号的小件 (比如键) 可与同级的叶轮或导叶 (中段) 等放在一起。
2.2.4 转子间隙
转子间隙的准确测量必须要对多级泵进行拆卸, 对转子间隙进行准确的测量能够有效的测量多级泵的磨损程度。将测量的转子间隙与最大允许的转子间隙进行比较, 如果测量的转子间隙大于所允许的转子间隙, 那么就需要更换磨损的部件。如果转子间隙小于最大允许的转子间隙, 我们也需要对其进行定期的保养以及修理, 确保多级泵能够正常的运行。同时对于转子间隙一定保持在一种均匀的水平, 使其能够安全稳定的运行。
并先将转子装好, 重新进行动平衡试验;按拆泵的相反顺序回装各零件, 回装时注意再次量各密封环处间隙值, 确保无误;装平衡盘之前应测量转子总串量。从而达到相应故障排除的效果。
参考文献
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多级负荷预测的基础问题分析 篇7
关键词：电力系统,多级负荷预测,雷达图,相关因素,母线负荷预测
0 引言
电力系统负荷预测是电力系统规划与运行中的基础性工作[1,2],一直受到国内外学者的关注,理论研究的成果层出不穷[3,4]。
负荷预测中常常存在多个预测结果之间的不均衡、不协调现象,例如,上下级电网的预测结果之间[5],空间总量负荷和小区负荷之间[6,7],各行业(产业)电力需求与全行业(产业)电力需求的对应关系之间,年度和月度预测结果之间,等等,都会出现不协调情形。据此,我们提出了多级负荷预测及其协调问题[8]。
多级负荷预测,是指对于同一预测量,电力系统会在不同时间(周期)、基于不同行政级别、根据不同属性、不同结构等特征,分别做出预测,得到各自的预测结果[8]。多级负荷预测的协调,是指多级负荷预测的结果之间理应在本质的物理机理上存在关联,应该满足一定的关系,而由于不可避免的预测误差的存在,各级预测结果之间并不能自然地达到一致,必须经过一定的调整才能使其在数值上保持统一和协调[8]。
本文的目的是探讨多级负荷预测中的一些基本问题和研究思路,旨在为电力部门提供一套行之有效的分析工具,进行多级负荷预测结果之间的协调,同时可以有效地提高负荷预测精度,更好地指导电力系统的规划和运行。希望电力系统中多级负荷预测的协调问题及其分析方法成为负荷预测理论的重要组成部分。
1 多级负荷预测的基础:负荷预测的分类方式
多级负荷预测的协调问题是基于负荷预测自身的分类方式的,因此,这里先对负荷预测的分类方式做一些深入的分析。
1.1 负荷预测分类方式的拓展与完善
一般的分类过程,主要是根据预测期限、预测量的属性进行的。实际上,在通常的分类中,人们经常并列地提到长期负荷预测、母线负荷预测[9,10]、日负荷曲线预测、空间负荷预测[6,7]等概念。如果继续深入分析,可以发现,这种“并列”的提法是不确切的。那么,何种的分类方式才是完善的呢?
总结目前所见到的预测视角,我们认为,负荷预测可分别按照如下角度进行划分[2,11]:
1)时间角度
从时间角度分,可以包括:年/季/月/周/日/时分。这里,分类是以预测的循环周期为依据的,例如,年度预测,是指一般每年进行一次。因此,年度电量预测、年负荷曲线预测等均属于年度预测。当然,有时候会根据最新变化的情况进行“滚动预测”,但这并不影响此类周期的预测的实质。
2)空间角度
从空间角度分,可以包括:整体/分区/节点/用户。经常提到的空间负荷预测、变电站负荷预测都是此类视角的具体体现。
3)指标属性
从指标属性角度分,可以包括:整刻度值/统计值/连续曲线/积分值。其中,整刻度值主要是功率的采样值,如果是96点采样,则对应于每15 min一个点;统计值可以是某个周期内的最大、平均、最小负荷等;连续曲线对于不同期限有不同的含义,例如年度预测中的年负荷曲线、日负荷预测中的日负荷曲线等;积分值主要是电量值,各类电量都只有累积数值,而没有整刻度数值或某个周期内的最大最小值。
4)行政级别
从行政级别角度分,可以包括:国家/区域/省级/地级/县级。目前阶段最常见的是网、省、地级别的预测问题。
5)口径角度
从口径角度分,可以包括:全体/电网企业。其中,电网企业统计的是该电网企业范围内的负荷或电量,例如省级电网企业关心省网统调负荷,地级电网企业关心的是网供负荷等;而这里的“全体”主要是指不区分电网企业内部、外部的总体统计指标,例如全社会用电量、全口径发电量等,显然,该数值不同于电网企业营业范围内的数值。
6)环节角度
从生产环节角度分,可以包括:发电/供电/售电/用电。其中,发电角度的数值包含了厂用电和线损;供电角度的数值扣除了厂用电;售电角度的数值一般是站在电网企业的经营角度来统计的。
7)结构角度
从结构角度分,可以包括:总量/分类。这里的分类对于不同结构划分有不同的含义。例如,如果将“总量”对应为全社会用电量,则可将其划分为一、二、三产业和城乡居民生活用电,也可以划分为各行业电量,这些都是“分类”数值。对于电网企业而言,如果将“总量”对应为售电量,则可将其划分为不同电价类别的售电量,常见的包括大工业售电量、非普工业售电量、农业售电量、非居民售电量、居民售电量、商业售电量、趸售电量等。
1.2 图形化的负荷预测分类方法
总结如上的方式,负荷预测的各种分类构成了一个7维空间,任何类型的预测问题都是这个7维空间中的一个点(对应7个维度属性的组合)。例如,“年-整体-积分值-省级-全体-用电-分类”这个点(即这7个属性的组合),则意味着对某个省级电网的年度某产业(行业)用电量进行预测;而“日-整体-连续曲线-省级-电网企业-发电-总量”这个点(即这7个属性的组合),则正是通常所提到的省级电网日负荷曲线预测(统调发电口径)。当然,在这个空间中也可以找到我们通常所提到的周负荷预测、母线(节点)负荷预测、空间负荷预测等。同时需要指出,有些组合是没有意义的。
为了完整地描述负荷预测的分类,这里利用一种典型的多维图——雷达图(Radar Chart)来表示各种预测内容及其分类。
雷达图实质上是一种数据表征和分析的技术,在用于表征负荷预测的分类时,首先确定一个中心点,然后根据上述7个维度的分类依据,将中心点周围360°作7等分,每个等分位置划一条线段,构成7个坐标轴,每个轴对应1个维度的分类方式。在每一坐标轴上,根据该分类的属性数目的多少,进行等分。由此,对于每一个完整的7维分类,分别将7个取值画到相应坐标轴的某个对应位置,各个坐标轴上的点依次连接起来,就构成了这个分类的雷达图。负荷预测分类的雷达图如图1所示。
图1中标出了一些常见的负荷预测类型,它们与属性的对应关系如表1所示。类似地对各个属性进行其他方式的组合,就可以得到负荷预测的各个类别。
2 多级负荷预测中相关因素的影响分析
在负荷预测中考虑气象等相关因素,已经成为人们的共识,已有大量的文献提出了许多方法,设法在负荷预测中体现气象等相关因素的影响。然而,现有文献所提出的各类方法中,一般均假设可以用一组气象数据(包括天气类型、温度、湿度、风速、等)来描述所预测电网的气象特征,进而展开各种分析。实际上,对于我国而言,这种处理方式在一个较小的地理范围内(地级市或以下)可以应用,而在大电网(省级或以上)中一般不能直接使用,因为不同地市的气象条件可能有较大差别,无法统一描述。这就引出了多级负荷预测中不同级别电网对气象等相关因素的处理方式问题。为此,首先要从供应侧和需求侧角度分析相关因素对预测对象的影响。
2.1 相关因素对供应侧和需求侧的影响
根据我国现行的调度体制,网省电网需要预测的是“统调负荷”,实际上就是需要由网省电网调度部门统一调度来满足的负荷;而地市电力部门作为省级电网的下级单位,需要预测“网供负荷”并上报给省级电网。虽然人们认为相关因素会影响电力负荷,但是,从机理上分析,相关因素并不是直接影响“统调负荷”或“网供负荷”,而是首先对总用电负荷和非统调负荷产生影响,而后由“总用电负荷=网供/统调负荷+非统调负荷”这样的关系式,对“统调负荷”或“网供负荷”产生作用。这个过程可表示为图2。
那么,相关因素究竟如何对总用电负荷和非统调负荷产生影响呢?这需要分别从供应侧和需求侧角度分析相关因素的影响,可大致表示为图3。
从图3中可以看出:
1)从需求侧来看,负荷波动的原因主要有:气象因素造成的负荷变化(冬季采暖负荷、夏季降温负荷最为突出);大用户用电的非计划性造成负荷的变化;等等。此时,相关因素直接影响了总用电负荷中的某些部分,从而将间接地由“总用电负荷=网供/统调负荷+非统调负荷”这样的关系式,对“统调负荷”或“网供负荷”产生影响。
2)从供应侧来看,小水电、小火电、自备电厂等类型发电资源对电网造成的影响较大。例如,小电厂非计划性开停机或发电上网的随意性,直接导致“统调负荷”或“网供负荷”的大幅度波动;又如,地方小水电靠天吃饭,有了降雨,就可以发电上网,没有来水就不发电。此时,天气突然变化而产生的降雨量直接影响了小水电的发电出力,从而将间接地由“总用电负荷=网供/统调负荷+非统调负荷”这样的关系式,对“统调负荷”或“网供负荷”产生影响。
通过图3的电力系统供需平衡分析,我们可以设计关于相关因素处理的两大类处理方式:
1)隐性考虑影响因素的方式:
这种处理方案的思路是,直接建立网供/统调负荷关于影响因素的相关关系,进行分析。
2)显性考虑影响因素的方式:
这种处理方案的思路是,首先分别建立总用电负荷关于影响因素的相关关系;其次建立非统调负荷关于影响因素的相关关系;然后,按照“总用电负荷=网供/统调负荷+非统调负荷”的关系式,分析网供/统调负荷的变化规律。
2.2 不同级别电网对相关因素的处理策略
根据以上分析,我们认为,网省电网和地市电网处理相关因素及其他因素的策略将有所区别。
可以将网省电网和地市电网在负荷预测方面的特点对比如表2。
市电网在负荷预测中应重点分析如下特点:
1)地区电力系统通常是一个容量较小、波动较大的电力系统,有上级电网和地区内小电厂这样的两类电源供电,满足“总用电负荷=网供负荷+地区内发电负荷”这样的关系式,运行调度人员所关心的是网供负荷的大小;
2)该系统中一般有若干个负荷容量相对较大的大用户,其用电行为极大地影响总负荷;
3)多变的气象条件对小水电的发电行为影响很大,从而影响网供负荷;在雨量不足时,地方小水电发电不足,主要依靠上级电网供电;而雨量充沛时,地方小水电发电大增,甚至会出现网供负荷为负的情况,这是因为地方小水电发电出力已经高于地区总用电负荷,造成地方小水电发电出力倒送到上级电网的情况出现。
4)以上特点对地市负荷预测提出了特殊的要求,必须建立针对性强的负荷预测方法,特别是妥善处理小水电等因素对地方负荷的影响。
网省电网在负荷预测中应重点分析如下特点:
1)根据负荷的构成规律,可以考虑两类途径,一类途径是网省电力部门直接根据自身的负荷规律进行预测,另一类途径是网省电力部门直接汇总下级电网的预测结果,并且在适当考虑负荷同时率的情况下进行修正,形成多级负荷预测的体系。
2)网省电力部门如果考虑气象因素,则必须注意气象因素的获取方式。因为天气预报一般是针对地市范围而做出的,没有直接针对网省的天气预报,因此,可以考虑以下级电网的最高负荷或日电量作为权重,对下级电网对应地区的气象因素进行加权平均,然后再按照各类气象因素的处理策略进行分析和预测。
3 多级预测体系下的母线负荷预测
3.1 母线负荷预测与系统负荷预测
精确的母线负荷预测是合理安排生产调度计划、进行日前安全校核的前提和保障,提高母线负荷预测精度是实现调度精细化管理的前提。
由于母线负荷预测具有量大面广的特点,使得母线负荷预测更具有多级预测的特性。这从常见的“分布因子法”中可见一斑。使用“分布因子法”进行母线负荷预测的思路是:首先由系统负荷预测取得某一时刻系统负荷值,然后将其分配到每一母线上。具体步骤为:
(1)确定母线负荷预测用的分配模型;
(2)确定或维护负荷分配模型参数;
(3)对指定的时间和系统负荷(预测值)计算各母线负荷。
常用的负荷预测分配模型有:
(1)树状常数负荷模型
将上一级负荷按比例(在各时段为常数)分配到下一级负荷。
(2)考虑负荷区域不一致性的模型
在这一模型中,最高层为系统负荷,第2层为区域负荷,第3层为母线负荷。在系统负荷到区域负荷之间采用随时间变化的分配系数,在区域负荷到母线负荷之间仍可以采用常数型的分配系数。
(3)考虑负荷类型不一致的模型
在这一模型中,最高层为系统负荷,第2层为类型负荷,第3层为母线负荷。在系统负荷到类型负荷之间采用随时间变化的分配系数,在类型负荷到母线负荷之间仍可以采用常数型的分配系数。
(4)混合负荷模型
在这一负荷树中,第1层为系统负荷,第2层是负荷类型,第3层是地域划分,第4层是母线负荷。在系统负荷到类型负荷之间采用随时间变化的分配系数。在类型负荷到区域负荷之间采用随时间变化的分配系数,也可以采用常数。在区域负荷到母线负荷之间一般采用常数分配系数。
这里所采用的“分配”方式,正是多级负荷预测中多级之间“加和性”的体现。
3.2 虚拟母线的概念及其应用
在节点负荷作为电网中的基本负荷及预测单元的同时,本文提出“虚拟母线”的概念,进一步实现区域化的负荷分组及局部区域负荷预测。
节点负荷可以作为最基本的负荷单元,某一个具有独立负荷特性的局部区域必然由多个节点负荷组成。所以可以通过将若干节点负荷组合的方式来构建局部区域历史负荷样本,并以此为数据基础,在对局部区域负荷进行规律性分析、相关性分析的基础上进行预测计算。
进一步,受电力系统安全运行约束的影响,在电网中存在一些局部区域,这些局部区域内各变电站虽然属于不同的行政区域,但是具有相近的负荷特性,在电网安全分析过程中,它们可以被视为一种扩大的广域母线组进行负荷预测,这就是“虚拟母线”。
利用“虚拟母线”对局部区域进行精确的负荷预测的意义在于:
(1)对虚拟节点的深入数据分析与预测,能够为调度计划及规划部门提供变电站和小地区的精细化的负荷预测结果;
(2)为调度方式安排和运行值班人员快速判断电网安全约束情况提供直观明了的数据;
(3)用于参考区域负荷特征的调度辅助决策支持;
(4)可以根据区域负荷平衡关系校正节点负荷预测结果,即,利用“虚拟母线”的负荷平衡机制,对其成员节点进行负荷预测结果的平衡补偿修正。
以如图4所示的河北南网局部地区为例。
根据电网安全分析结果,受石家庄地区东寺、侯坊、陈庄、系井、束鹿、里丰、枣营,衡水地区崔池、安平等220 k V变电站农业灌溉负荷所占比例较大的影响,春、夏季农业灌溉负荷高峰期,500 k V廉州、辛集站主变潮流较重,N-1方式下存在过负荷问题。
为了准确对石家庄东部地区各变电站的96点负荷进行预测,满足EMS系统进行安全校核的需求,需要打破行政区划,将以上各站母线负荷预测结果进行总加,以便快速准确地对电网安全分析结果进行预判,提高次日电网方式和发电计划安排的效率。实际应用证明,这种方式是有效的。
4 多级负荷预测的研究思路和内容
分析多级负荷预测问题,本文对多级负荷预测的研究思路和研究内容进一步归纳如下:
(1)协调算法的研究:参数估计[11]是多级负荷预测协调方法的理论基础,必须在数学上研究冗余方程及其解决方法。
(2)基本协调模式:研究负荷预测中一维两级协调,即基本协调模式,该模式只考虑时间、空间等中的一个维度的相邻两级负荷预测的协调,如年电量预测与月电量预测的协调,省级预测与地市预测的协调等。
(3)关联协调模式:由于多级协调过程中存在较强的关联特性,多维协调方法比一维协调的数学模型更复杂,需要考虑更多的约束条件,其求解难度也更大,必须运用合理的数学方法分析问题,进而找到有效的求解方法。关联协调模式包括了除基本协调模式以外的所有协调模式,在基本协调模式的基础上,研究空间、时间、属性等多级负荷预测的协调问题。
(4)预测可信度的判定方法及其应用:对于多级负荷预测协调问题,无论是基本协调模型还是关联协调模型,都涉及一个重要的物理量——预测可信度。需要研究以何种形式建立预测可信度,以及可信度在多级协调和精度评估中的应用方式。
(5)负荷类指标的协调方法:负荷预测总体上可以分为电量预测和负荷预测。对于负荷类需求数据,它具有非常强烈的时间特性,不能简单将子需求直接求和得到总需求,必须考虑负荷发生的时间特性。因此,需要对负荷类指标的多级协调问题开展专门研究。
(6)系统负荷预测与母线负荷预测的协调技术:系统负荷预测与母线负荷预测可以看作不同的级别,当分别对这两类对象独立地做出预测时,很可能出现两者之间存在明显的差异。母线负荷预测中常见的负荷分布因子法,实际上是完全承认了系统负荷预测的准确性,忽略各母线预测的准确性差异,通过按比例分配上级预测值来调整下级各母线的预测结果。然而,任何负荷预测模型都是对实际负荷变化规律的近似,预测结果难免会有误差。对于不同的预测对象(时间、空间、属性等的不同),由于负荷自身变化规律的不同,预测误差也不同,必须深入研究如何尽量充分利用和挖掘高预测精度母线的预测结果,因此在系统负荷预测与所有母线负荷预测结果之间进行协调,最终达到上下级负荷平衡、整体误差最小的目标。
(7)预测精度判定与评估方法:此评价体系的建立,将一改以往单一精度要求的预测精度判定与评估准则,为负荷预测效果的考核提供有效的判据。
(8)通过多级负荷预测提高整体预测精度的策略。多级负荷预测应在满足多级之间协调的基础上,提高整体预测精度,并提供精度考核的依据。
5 结语
多级负荷预测及其协调问题是负荷预测领域的一个新的科学问题。本文的研究包括:
1)负荷预测的分类方式是多级负荷预测的基础,本文通过拓展不同的分类角度,提出了基于雷达图的负荷预测的分类方法,从而清晰地表征负荷预测的“多级”特性。
2)本文从供应侧和需求侧角度分析了相关因素对预测对象的影响途径,提出了多级负荷预测中不同级别电网对相关因素的处理策略。
3)研究了多级负荷预测体系下母线负荷预测与系统负荷预测的关系,提出了“虚拟母线”的概念和应用方法。
4)本文总结了多级负荷预测的分析思路和研究内容,指出了未来的研究方向。
本文的研究为建立多级负荷预测理论提供了广阔的空间。应该指出,本文工作还属于探索性研究,设想尚比较粗略,希望全国电力系统负荷预测人员能够共同探讨这个问题,本文可为广大预测人员提供一些参考。
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