東深供水工程優化運行研究與實踐

李崇智，周 竹

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511458; 2.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳 518021)

0 引 言

東深供水工程是長距離、大流量、跨流域的大型梯級調水工程，其主要供水任務是為香港、深圳和東莞地區沿線8鎮提供符合國家水質標準的飲用原水和工農業生產用水。東深供水工程始建于1964年2月，1965年3月1日建成并正式向香港供水。為了滿足香港、深圳和東莞等地的用水需求，從20世紀70年代、80年代、90年代和2000年分別進行了3次工程擴建和1次工程改造。

2003年6月28日，東深供水改造工程(以下簡稱東改工程)全線完工，形成徹底與外部來水隔離的封閉供水網絡。工程設計流量為100 m3/s，設計年總取水量為24.23 億m3。設計供水保證率99%，總供水人口約2 000 萬人。

1 項目背景

1.1 工程概況

東深供水工程[1]起點位于東江之畔的東莞橋頭鎮，終點位于深圳三岔河深、港分界線處。工程包括68 km專用輸水管涵，2回110 kV、1回35 kV、7段10 kV高壓輸電線路、6座梯級抽水泵站、1座生物硝化站、2座水電站、50個沿線分水站和2個水庫等水利工程設施。

東改工程6座梯級泵站的起始抽水泵站為太園泵站，從東江取水，其后分別為蓮湖、旗嶺和金湖泵站，金湖泵站后自流到上埔節制閘，再經過雁田隧洞進入深圳水庫。上埔、雁田泵站為上埔節制閘前抽水入雁田水庫的支線泵站。太園泵站處于東江與石馬河的交匯處，其他5座抽水泵站均處于石馬河流域。東深供水工程泵站設計運行參數見表1和表2。

表1 東深供水工程泵站運行水位表Tab.1 The pump station operating water level of Dongsheng Water Supply Project

1.2 工程具備優化運行條件

1.2.1 東莞電網大工業用電實行峰谷電價政策

東莞市大工業用電從2003年3月起實行峰谷電價。目前每天各時段電價分別為：9∶0-12∶00、19∶00-22∶00峰期電價1.139 8 元/度，0∶00-8∶00谷期電價0.381 5 元/度、其他時段平期電價0.711 2 元/度。峰谷時段電價差近3倍。且東莞大工業用電峰期及平期時段相對集中，利于實施優化運行。

表2 東深供水工程泵組運行參數表Tab.2 The Pump group operating parameter table of Dongsheng Water Supply Project

1.2.2 系統供水量未達設計最大供水量

工程設計流量為100 m3/s,最大抽水能力為864 萬m3/d，目前抽水量平均為610 萬m3/d，供水系統具備在峰平谷電價時段安排不同抽水量的優化運行條件。

1.2.3 可利用兩座水庫進行調蓄

東深供水工程兩座終端水庫雁田水庫和深圳水庫，均為中型水庫，其中雁田水庫正常庫容為833 萬m3，調蓄庫容346 萬m3；深圳水庫正常庫容為3 348 萬m3，調蓄庫容2 421 萬m3。對港、深供水主要用戶均在水庫取水，水庫的調蓄庫容為優化運行提供有利條件。

1.2.4 政府及公司節能要求

(1)政府節能要求。省、市政府提倡循環經濟和節能減排，并設定了節能減排總目標，頒布實施了《節約能源法》。為響應政府節能減排要求，有必要對供水系統進行優化運行研究。

(2)公司節能要求。公司大力提倡并堅持“安全、高效、求實、創新”的企業文化和經營理念，為工程優化運行研究和實踐提供強大動力和支持。公司在做好生產經營和改革發展的同時，把節能增效作為一貫持之以恒的經營理念，堅持科學發展觀，以節能優化為重點，不斷優化運行管理，提高運行效率，增強企業競爭力，促進企業高速、高效發展。

東改工程投產運行后，工程設備設施、供水水質、區域水文及防洪情況不斷變化，公司結合東深供水工程特點，在滿足供水需求、設備設施安全運行、水質安全、三防調度等約束條件下，積極開展以節約抽水電費成本為目標的供水系統優化運行研究勢在必行，意義重大。

2 項目研究及實踐

2.1 優化目標選擇

2.1.1 系統運行動力費組成分析

系統運行動力費=抽水電費成本+其他用電成本+各種用電損耗+基本容量費+力率調整費-電站發電折合電費。其組成結構如圖1所示。

圖1 動力費組成結構圖Fig.1 Power cost composition chart

2.1.2 優化目標確定

系統運行動力費組成中，抽水電費占總動力費的84%，基本容量費占10%，電站發電折合電費占5%，其他用電成本、系統損耗和力率調整合計占1%。抽水電費為主要成本且為可控成本，因此選擇降低抽水電費作為系統優化運行的關鍵要素和主要目標。

2.2 優化運行模型研究

2.2.1 最優運行模型研究

(1)最優運行原則。峰谷平電價政策每日分6個時段，為避免各級泵站頻繁開停機組，系統運行每天分4個時段。在滿足日抽水量與需水量平衡前提下，谷期以最大流量100 m3/s抽水，峰期以最小流量20 m3/s抽水，使系統抽水電費最少[2]。

(2)關鍵因子要。①太園泵站加減機時點及對應的抽水量。系統最優運行關鍵是確定各級泵站(太園、蓮湖、旗嶺及金湖泵站)最優加減機時點及對應的抽水量[3-5]。對應于日抽水量需求和供水系統流量平衡原理，關鍵因子簡化為太園泵站的加減機時點及其相應抽水流量。在太園泵站加減機時間和抽水量確定后，各梯級蓮湖、旗嶺及金湖泵站的抽水時點按流量平衡原理，即各梯級泵站通過水位控制，其加減機時間和抽水量在滿足本梯級區間分水后，全部水量調入下一梯級[6]。②供水系統過渡過程。太園泵站加減機后，供水系統過渡過程即各梯級蓮湖、旗嶺及金湖泵站隨后的加減機滯后時間，系統水面線動態變化過程。供水系統的過渡過程先通過一元非恒定流模型計算，再通過系統實際運行數據修正。經系統實測，在太園泵站加減機后，各梯級蓮湖、旗嶺、金湖泵站過渡過程滯后時間平均分別為0.5、1、1.5 h。各級泵站太園、蓮湖、旗嶺、金湖泵站機組啟停用時分別為1、5、10、10 min。最優運行各級太園、蓮湖、旗嶺及金湖泵站加減機過渡過程示意如圖2所示。

圖2 最優運行各級泵站加減機時間及抽水量Fig.2 Optimum running time and pumping capacity for pump stations at all levels

(3)最優模型。①最優目標：各級泵站所耗抽水電費最低；②總約束條件：泵站設計最大抽水能力、機組設計最大抽水量、各級泵站設計水位和水庫設計水位；③最優模型成果：建立供水系統流量平衡過渡過程模型，計算電網峰平谷電價各時段各級泵站機組啟停時間和抽水流量，使各級泵站抽水流量與電網峰平谷電價時段搭配(谷期最大流量100 m3/s、峰期最小流量20 m3/s、每天峰平谷時段2次加機2次減機)，獲得最優運行計算機模擬最優方案。④單站優化模型：每天分n個供水時段，在每個時段下的站流量為q(q={qi|i=1,2,3,|n})，所經歷的時長為M(集合M={mi|i=1,2,3,|n})。在滿足約束條件下，計算最優目標，使供水系統各級泵站抽水電費合計p最低。抽水電費p計算公式為：

(1)

式中：Hst(i)表示第i個時段下，水泵的靜揚程；q(i)表示第i個時段下流量；M(i)表示第i個時段下時長；D(i)表示第i個時段下電價；γ表示水的重度；η(i)表示第i個時段下水泵的裝置效率。泵站流量與泵站開機臺數、單機流量有一定對應關系。

以單一泵站運行抽水電費最小作為目標函數，則相應表達式即：

(2)

單站優化模型計算過程約束條件：每日累計供水量等于實際需水量S； 任意時刻下，其最大流量不應超過泵站設計流量Q；太園泵站機組考慮高、低速運行選擇；機組處于高效區運行；同一臺機組連續啟動時間間隔不小于4 h。

(3)

⑤系統優化模型：供水系統抽水電費P為：

(4)

式中：Hst(i|j)表示第i個泵站，在第j個時段下，該泵站的靜揚程；D(i，j)表示第i個泵站，在第j個時段下電價； 表示水的重度，q(i，j)表示第i個泵站，在第j個時段下，泵站的抽水流量；M(i，j)表示第i個泵站，在第j個時段下，泵站運行時長；η(i|j)表示第i個泵站，在第j個時段下，水泵的裝置效率。

各級泵站總抽水電費最小為目標函數，則相應表達式為：

(5)

式中：P(i，j)表示第j個時段，第i個泵站的電費。

系統優化模型計算過程約束條件：根據各泵站的實際情況，任一時刻下的單站流量，應不超過其設計最大站流量QmaxYjY。各泵站每日累計供水量S(i)，應等于每日實際需水量S。太園泵站機組考慮高、低速運行選擇；蓮湖、旗嶺、金湖泵站同步機組、異步機組考慮匹配運行；按各級泵站水位控制要求及系統流量平衡原則，根據上級泵站來水流量及區間分水流量q′，確定下級泵站抽水流量；在電價谷期以允許的最大流量抽水，在電價峰期以滿足沿線取水的最小流量抽水，余下需水量在平期完成；同一臺機組連續啟動時間間隔不小于4 h。

(6)

2.2.2 次優運行模型研究

(1)次優運行原則(圖3)。峰谷平電價政策每日分6個時段，為避免各級泵站頻繁開停機，系統運行每天分2個時段。在滿足日抽水量與需水量平衡前提下，增加設備設施運行限制、水質安全限制和三防安全限制條件，谷期以最大流量抽水100 m3/s抽水，峰期以最小流量20 m3/s抽水，使系統抽水電費較少。

圖3 次優運行各級泵站加減機時間及抽水量Fig.3 Second Optimum running time and pumping capacity for pump stations at all levels

(2)關鍵因子。分別為太園泵站加減機時點及對應的抽水量、供水系統過渡過程。

(3)次優模型。①次優目標：各級泵站所耗抽水電費較低。②總約束條件：泵站設計最大抽水能力、機組設計最大抽水量、各級泵站設計水位和水庫設計水位、各級泵站有效機組數量、系統水質安全需求和三防調度要求。③次優模型成果：在最優運行方案基礎上，進一步結合供水系統生產實際，在設備設施運行限制、水質安全限制和三防安全限制條件下，計算電網峰平谷電價各時段各級泵站機組啟停時間和抽水流量，使各級泵站抽水流量與電網峰平谷電價時段搭配(谷期最大流量100 m3/s、峰期最小流量20 m3/s、每天峰平谷時段1次加機1次減機)，獲得次優運行計算機模擬次優方案。④單站及系統優化模型與最優模型類似。

2.3 實施方案及配套專項方案制定

2.3.1 固化典型水量最優和次優運行方案

在優化運行模型基礎上，為使優化運行方案在實際供水系統中具有實用性和可操作性，保證實施過程中供水系統在正常和突發異常情況下的安全，確保優化運行方案有效，方便調度員執行，以典型水量(450、500、550、600、650、700 萬m3)下系統運行數據為基礎，固化典型水量的最優和次優運行方案。方案主要包括以下內容：①典型水量下太園、蓮湖、旗嶺、金湖泵站每天各時段加減機時點和抽水量。②太園、蓮湖、旗嶺、金湖泵站每天各時段機組組合選擇方案及機組的角度選擇方案，表3為600 萬m3典型水量最優和次優運行方案表。

表3 600 萬m3典型水量最優和次優運行方案表Tab.3 The optimal and suboptimal operation plan of supply 6 million m3 water

2.3.2 配套專項方案

(1)各梯級泵站和水庫水位控制專項方案。在保證供水工程各類設施和水庫運行水位安全前提下，通過運用六西格瑪分析方法，對太園、蓮湖、旗嶺及金湖泵站抽水能耗和多年運行數據進行統計分析，結合優化運行方案，制定各梯級泵站最優水位運行控制專項方案。同時，結合三防調度要求，制定兩水庫水位運行控制專項方案。

(2)水質調度專項方案。在廣東省水利廳的大力支持協調下，為減少太園泵站取水口石馬河污水上溯影響，以及減少東江上游水質突發事件影響，保證工程供水水質，2011年7月公司聯合廣東省水利電力勘測設計研究院編制，由廣東省供水工程管理總局發布實施了《東莞市石馬河橡膠壩、惠州市潼湖排水涵閘、東深供水工程太園泵站聯合調度運行規定》，促使相關單位協調一致，充分利用各自現有工程設施，進行水質聯合調度，有效減少污水上溯影響，有效保障供水工程優化運行實施。

2.4 系統能力測試及工程技術措施改進

2.4.1 系統能力研究與測試

自東改工程投產以來，為不斷優化運行方案，公司組織先后進行了多項系統供水能力研究和試驗，通過研究和試驗，為優化運行提供科學依據。主要研究和試驗項目見表4。

2.4.2 工程技術措施改進與實施

公司大膽創新，與廣東省水利電力勘測設計研究院等專業機構合作，針對供水系統設施設備，先后進行以下工程項目的技改，有效保障系統優化運行實施，詳見表5。

表4 測試項目目的與成果表Tab.4 The table of test project purpose and results

表5 技術改造成果表Tab.5 The table of technical transformation results

2.5 優化運行管理機制建立

2.5.1 精細化管理制度

(1)每天根據供水需求、設備設施運行狀況、水質指標和三防要求等條件，由調度管理人員制定當天的優化運行方式，調度員嚴格按運行方式執行。

(2)調度管理人員通過對運行數據進行分析和總結，編制各種抽水量優化運行方案庫，并定期對優化運行方案庫進行完善，持續改進。

(3)每天調度管理人員對系統運行情況進行總結，每月對系統輸水管線關鍵斷面進行過流能力監測，每年年中安排一次對司馬有壓箱涵螺仔清理，每年年底安排一次系統停水檢修，對整個系統輸水管線進行全面檢修，確保系統安全可靠優化運行。

2.5.2 運行方式24小時跟蹤調整制度

調度管理人員24小時跟蹤運行方式的執行，供水系統和外界條件發生異常或變化時，適時調整當天運行方式，并隨時投入進行系統應急處置。

3 項目實施歷程

3.1 第一階段：2003-2005年

供水系統最小流量受沿線分水點取水高程限制，為保證用戶取水，系統最小流量按40 m3/s運行；為保證工程投產初期安全運行，不斷測試，最大流量由最初的90 m3/s逐步增加至設計流量100 m3/s運行。

3.2 第二階段：2006-2008年

通過對竹尾田檢修閘進行技術改造和利用生化站上游調蓄庫容滿足龍口泵站取水等措施，保證分水點用戶取水，通過研究技改試運行，不斷完善總結，系統最小流量減至20 m3/s運行，最大流量保持100 m3/s運行，系統流量調整分4段，機組啟停各兩次。供水工程全線采用最優運行方案運行。

3.3 第三階段：2009-2013年

結合供水工程取水口水質變化和各梯級泵站機組運行穩定性需求，系統保持最小流量20 m3/s，最大流量100 m3/s，系統流量調整分2段，機組啟停各一次，較多采用次優運行方案運行。

4 項目效益

項目在國內大型梯級調水工程中首次成功應用，經過2003年至2012年十年的研究和實踐，項目確保了港、深、莞沿線供水安全和工程安全，同時節約電費共計3.035 億元，具體節約電費見表6，年均節約電費3 035 萬元。取得顯著社會效益和經濟效益。2011年公司授予優化運行方案研究項目團隊獎。

表6 2003-2012年供水系統優化運行節約抽水電費統計匯總表Tab.6 Optimized operational saving electricity summary table for 2003-2012

注：①節約電費=(電網加權平均電價-實際運行平均電價)×電量。②2003-2009年電量采用東莞供電局電費通知單數據；2010-2012年為避免供電局抄表時間影響，電量采用校核電表公司抄表數據。③十年來，平均每年節約電費3 035 萬元。

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參考文獻：

[1] 徐葉琴.廣東省東江-深圳供水工程[M]. 北京：中國水利水電出版社，2002:1-2.

[2] 桑國慶，曹升樂，郭 瑞，等.基于分時電價的梯級泵站輸水系統日優化運行[J].排灌機械工程學報，2013,8(31):688-695.

[3] 曹 鳴，姚青云.梯級泵站優化調度研究進展[J].寧夏農學院學報，2003,24(4)：101-106.

[4] 袁 堯，劉 超.基于蟻群算法的泵站運行優化及投影尋蹤選優策略[J].農業機械學報，2013,44(3)：38-44.

[5] 朱勁木，龍新平，劉梅清，等.東深供水工程梯級泵站的優化調度[J].水力發電學報，2005,24(3)：123-127.

[6] 梁 興，劉梅清，劉志勇，等.基于混合粒子群算法的梯級泵站優化調度[J].武漢大學學報：工學版，2013,46(4)：536-539.