水力模型在三級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用

李春桐

(天津三博水科技有限公司， 天津 300384)

2012年3月5日，國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告指出要扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作[1]。水企業(yè)通常是城市中的用電大戶，供水系統(tǒng)中95%～98%的用電量用于維持水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。目前大多數(shù)泵站運(yùn)行采用人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)度，雖能滿足正常供水需求，但是泵站能耗較大，并且水泵長(zhǎng)期處于非高效段工作，不僅在泵站運(yùn)行與水資源配置方面存在弊端，而且系統(tǒng)運(yùn)行存在安全隱患[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于供水系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題的研究著重水廠二級(jí)泵站的優(yōu)化運(yùn)行，對(duì)位于管網(wǎng)內(nèi)部的三級(jí)泵站的優(yōu)化運(yùn)行研究較少。但三級(jí)泵站運(yùn)行電耗在供水成本中同樣占有較大比重。因此，在已有研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用水力模型優(yōu)化泵站出口流量與壓力進(jìn)行供水系統(tǒng)的一級(jí)優(yōu)化，對(duì)泵站內(nèi)部的水泵組合與變速泵調(diào)頻應(yīng)用智能算法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)整個(gè)泵站系統(tǒng)進(jìn)行兩級(jí)優(yōu)化，以期降低泵站的運(yùn)行能耗，使泵站保持優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行。

1 利用水力模型優(yōu)化泵站出口壓力

1.1 研究概況

某地三級(jí)泵站日供水量約為2.1×104m3，分別由1#泵、2#泵和3#泵聯(lián)合供水，其中1#泵和3#泵為變速泵，泵站供水方式為疊壓與變頻恒壓方式聯(lián)合供水。泵站運(yùn)行依靠傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行管理模式，調(diào)度人員往往通過(guò)水泵使用情況和運(yùn)行數(shù)據(jù)制定調(diào)度方案，最終確定不同時(shí)段水泵的啟閉和變頻泵的調(diào)速比。這種管理模式基本能滿足供水需求，但是缺乏靈活性和科學(xué)性，泵站運(yùn)行能耗大。2020年7月至2021年7月，該泵站總供水量約為783×104m3，水泵總耗電量約為37×104kW·h，千噸水耗電量為47.434 kW·h，泵站運(yùn)行能耗較大。統(tǒng)計(jì)2021年5月31日至6月6日泵站每小時(shí)出口流量變動(dòng)情況，如圖1所示。

圖1 一周內(nèi)三級(jí)泵站出口流量分布

由圖1可知，可根據(jù)三級(jí)泵站出口流量大致劃分為4個(gè)時(shí)段：23：00—5：00，6:00—10:00，11:00—17:00，18:00—22:00。但是由于泵站為疊壓供水，且出口壓力恒定在31.0 mH2O左右，在夜間以及凌晨供水流量較小時(shí)存在部分富裕壓力，造成了不必要的能量浪費(fèi)。因此，利用水力模型與水泵特性曲線對(duì)夜間至凌晨壓力進(jìn)行優(yōu)化，降低泵站出口壓力，從而減少能量的浪費(fèi)和管網(wǎng)水量的漏失。

1.2 利用水力模型優(yōu)化泵站出口壓力

對(duì)該三級(jí)泵站供水區(qū)域進(jìn)行水力建模分析，模擬在泵站任意出口流量與壓力下供水系統(tǒng)的運(yùn)行工況，借助最不利點(diǎn)壓力反算得出泵站出口最佳壓力，對(duì)泵站進(jìn)行一級(jí)優(yōu)化調(diào)度。該三級(jí)泵站供水區(qū)域水力模型如圖2所示。

圖2 三級(jí)泵站供水區(qū)域水力模型示意

以2021年6月6日的泵站運(yùn)行工況為例，結(jié)合水力模型對(duì)泵站出口壓力進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)泵站出口壓力為31.33 mH2O時(shí)，以泵站供水區(qū)域最不利點(diǎn)工況為決策依據(jù)，利用水力模型計(jì)算得出最不利點(diǎn)在夜間時(shí)段平均壓力為28.81 mH2O，建筑超出正常6層建筑樓用水需求。利用水力模型進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)最不利點(diǎn)水壓達(dá)到28 mH2O時(shí)，泵站出口壓力需要30.11 mH2O，較優(yōu)化前降低約1.2 mH2O。因此以最不利點(diǎn)所需最小壓力為約束，結(jié)合泵站每小時(shí)出口流量變動(dòng)規(guī)律，利用水力模型模擬計(jì)算得出泵站每小時(shí)出口壓力，結(jié)果如圖3所示。

圖3 最不利點(diǎn)優(yōu)化前后壓力對(duì)比分析

在保證最不利點(diǎn)正常用水的前提下，通過(guò)水力模型計(jì)算得出凌晨時(shí)段泵站出口壓力從31.33 mH2O減小至30.11 mH2O，降低了1.22 mH2O。

2 利用遺傳算法求解泵站二級(jí)優(yōu)化調(diào)度

2.1 建立優(yōu)化模型

2.1.1目標(biāo)函數(shù)

二級(jí)優(yōu)化調(diào)度是在完成供水系統(tǒng)一級(jí)優(yōu)化的前提下，優(yōu)化泵站內(nèi)部的水泵組合與調(diào)速比，使其能耗最低[4]。目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中m為定速泵數(shù)量；n為調(diào)速泵數(shù)量；wi和wj分別為定速泵與調(diào)速泵的開(kāi)停情況，1表示水泵開(kāi)啟，0表示水泵關(guān)閉；Ni和Nj分別為定速泵與調(diào)速泵的功率，kW。

2.1.2優(yōu)化調(diào)度的約束條件

泵站出口壓力約束：

Hp=H1=H2=H3=…=Hn

(2)

由于泵組是多水泵并聯(lián)運(yùn)行，在一個(gè)泵站內(nèi)每臺(tái)開(kāi)啟水泵的供水壓力等于泵站出口壓力，等于供水管網(wǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)壓力。

總流量約束：

(3)

泵站中開(kāi)啟水泵的總流量之和等于供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的目標(biāo)流量。

調(diào)速泵調(diào)速比約束：

Sjmin≤Sj<1

(4)

調(diào)速泵的調(diào)速比不可大于1，調(diào)速比下降到一定程度會(huì)影響水泵的正常出水，因此下限一般設(shè)為0.5。開(kāi)啟水泵流量約束：

Qmin≤Qi

(5)

2.2 求解優(yōu)化模型

利用最小二乘法求解得出泵站3臺(tái)水泵特性曲線，具體參數(shù)如表1所示。

表1 水泵特性曲線系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)水泵特性曲線，應(yīng)用遺傳算法求解泵站內(nèi)部的調(diào)度方案。由于泵站采用疊壓供水與變頻恒壓組合的供水方式，泵站全天供水壓力恒定，但是通過(guò)水力模型計(jì)算得出在凌晨時(shí)段泵站供水壓力為30.11 mH2O。結(jié)合此時(shí)上游管網(wǎng)壓力為17.30 mH2O，得出此時(shí)泵站出口壓力為12.81 mH2O，出口流量監(jiān)測(cè)值為791 m3/h。

應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行模型求解，由于泵站建設(shè)考慮遠(yuǎn)期發(fā)展，因此開(kāi)啟1臺(tái)調(diào)速泵即可滿足供水需求。優(yōu)化前后均開(kāi)啟1#調(diào)速泵，對(duì)于水泵調(diào)速比進(jìn)行優(yōu)化，得出優(yōu)化調(diào)速比為0.71，優(yōu)化前后水泵的運(yùn)行效率如圖4和圖5所示。

圖4 優(yōu)化前的水泵流量-效率曲線

圖5 優(yōu)化后的水泵流量-效率曲線

由計(jì)算結(jié)果分析可知，水泵功率為40.9 kW，計(jì)算在第一時(shí)段6 h內(nèi)耗電量為245.4 kW·h，而實(shí)際監(jiān)測(cè)電量為259 kW·h，節(jié)約了13.6 kW·h，節(jié)能率約為5.25%。水泵運(yùn)行效率由81.3%升高至88.5%，節(jié)能效果較為明顯。

3 結(jié)論

利用水力模型與智能算法指導(dǎo)某地區(qū)三級(jí)泵站進(jìn)行兩級(jí)優(yōu)化調(diào)度，得出泵站在疊壓供水條件下凌晨時(shí)段的優(yōu)化調(diào)度方案。

① 利用水力模型模擬與最不利點(diǎn)壓力約束對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行一級(jí)優(yōu)化，優(yōu)化泵站出口壓力，泵站出口壓力降低了1.22 mH2O。

② 在一級(jí)優(yōu)化的前提下，以泵站運(yùn)行能耗為目標(biāo)函數(shù)，以泵站出口流量壓力為約束條件，利用遺傳算法求解二級(jí)優(yōu)化模型，得出優(yōu)化運(yùn)行調(diào)速比。

通過(guò)與實(shí)際方案對(duì)比，水泵運(yùn)行效率提高了7.2%，節(jié)能率為5.25%，達(dá)到了優(yōu)化運(yùn)行的目的。