防洪排澇泵站的經濟運行優化研究

趙英 張虹

（江蘇省無錫市城市防洪工程管理處 無錫市 214000）

近年來，我國機電排灌事業得到迅猛發展。據統計，我國現有大中型泵站5 500多座，大型抽水站200多座，中型十幾萬座，而小型則數不勝數，遍及全國［1］。這些抽水工程所帶來的作用直接影響著國計民生，其抵御旱澇災、保障農業高產穩定、促進農業產業化及機械化進程均具有不可代替的作用。但現有的泵站裝置效率普遍較低，偏離設計工況運行時的效率下降更大，增加了運行成本。

泵站在為民服務的同時，也消耗著大量能源，這直接影響著泵站的經濟合理運行。泵站的經濟運行是研究泵站管理優化及調度的主要內容，以系統論的方法及觀點對泵站工程整個機組系統及排灌系統進行綜合分析，讓泵站在一定時期內，按照一定準則，使泵站運行目標函數達到最優，進而使泵在最經濟的工況下運行［2］。

為提高泵站的運行效率，在有條件的情況下采用的工況調節方法有：變速調節、變角調節、可調前導葉調節、前置導輪調節等。但大多數的泵站因條件的限制，可采用的調節方式較少［3］。在此情況下，對泵站進行優化調度研究，合理分配各時刻各機組的抽水流量，使泵站處于較優的工況下運行，對于泵站節約運行成本，提高經濟效益等具有重要意義。研究中不考慮同型機組之間由于制造等方面因素的差異。對于具備變角、變速等其它調節方式的泵站，應與流量優化分配結合進行研究，以使優化運行的目的達到最優。

泵站的經濟運行與水電站的經濟運行異曲同工，都是擔負某種“負荷”。 泵站以抽水為主，水電站以發電為主，但二者都是在滿足安全運行的前提下，一個以電換水，一個以水換電，均要考慮在“負荷”的機組分配條件下，對機組的投入臺數和投入順序進行合理安排［4］。

1 泵站的優化運行模型

研究泵站機組間優化分配的模型及解法，需從系統分析的觀點出發，在建立數學模型時，需建立目標函數與約束條件方程式。約束條件可根據不同情況、不同要求建立約束方程與目標函數方程。

對于承擔防洪排澇工作的泵站，其主要的運行任務是在一定的時間內，完成給定的抽水流量。因此，對于此類泵站的優化高度模型，應是在一定的總抽水流量的約束條件下，以運行的功率最少或運行費用最少作為目標函數，但最終的優化目的仍是泵站的運行費用，提高經濟效益。而泵站的運行費用包括人工費、管理費、抽水電費等內容，在研究時，根據泵站的特點，若運行費中抽水電費占的比例較大，可以將泵站的運行費用優化目標簡化為抽水電費的優化，若在沒有進行分時電價的條件下，目標函數即為總功率最小。

因此，建立優化模型為：

約束條件（總抽水流量約束）：

式中m——機組臺數；

Q0——總抽水流量；

N——機組消耗

功率；

Qi——第Qi′′臺

機組抽水流量；

Ni——第i臺機

組消耗功率；

Qi′，Qi′′分別為第i臺機組在該揚程下的最小，最大流量；Ni′，Ni′′分別為第 i臺機組在該揚程下的最小，最大出力。

在實行峰谷分時電價的條件下，在研究時，需要將電價因素考慮在模型內，此時的目標函數為：

式中S——泵站消耗的總電費支出；

Ni——第i臺機組在ti時刻消耗的功率；

si——ti時刻的電價。

其中si可以表示成ti的函數，因此，模型可以簡化為：

2 模型求解方法

對于上述模型，可采用動態規劃的方法求解，求解時將每臺機組作為一個決策階段，按順序編號,可采用逆向推行法計算。選取機組臺號作為決策階段i；決策變量；選擇按照機組號累加的抽水流量為狀態變量。則第i臺機組的流量Qi；決策變量為第 i臺機組的流量Qi；開機 Qi為定值，否則為0。狀態變量為分配給第i～m臺機組的總抽水流量Ki。

以模型（1）為例，建立的動態規劃遞推方程和狀態轉移方程為：

3 應用成果及分析

江蘇某城市防洪泵站工程，采用堤身式布置，單向排水，安裝5臺立式軸流泵，單機流量15 m3/s，配630 kW同步電機，總裝機4 000 kW。閘門采用下臥式平面鋼閘門，液壓啟閉機控制。經優化計算，其2011年3月、7月實際抽水耗電量與優化后的消耗電量見附表。

附表 實際耗電量及各個月經優化后的耗電量

4 結 論

本文對防洪排澇型泵站的經濟運行優化問題，建立優化模型，研究了通過動態規劃求解的方法，并根據工程實例進行了計算。結果表明，對于排澇泵站，在給定抽水流量運行的情況下，通過優化計算，可節省耗電量3%左右，具有良好的經濟效益。

對于具有防洪排澇任務的泵站，在某特殊情況下需要最大流量的滿荷載運行時，為了最大限度減少災害損失，例如在排出災難性特大澇水時，不能以泵站的最佳運行效益為標準，必須服務整個社會效益，在滿足泵站功效最大化及災情緊急化的前提下，要求以最大額度進行大量抽水，此時雖然泵站的收稅成本會高，但是從整體的社會效益看是合理有效的［4］。

1 儲訓.我國泵站“十一五”規劃及發展前景——現狀調查報告[R].揚州大學水利學院，2004.

2 馮曉莉，仇寶云，黃海田.大型泵站經濟運行研究進展［J］.流體機械，2006，4.

3 馮曉莉，等.南水北調東線一期工程源頭泵站優化運行研究［J］.水力發電學報，2008，4.

4 胡曉龍.復雜泵站的經濟運行研究［D］.南京：河海大學碩士論文，2002.