水力模型在北方某市泵站優化調度中的應用

王 彤，涂 杰，付 浩，趙 明，吳芬芬，丁 祥，劉文睿，石存杰

(1.長安大學 環境科學與工程學院，西安 710054；2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，西安 710054；3.長安大學 建筑工程學院，西安 710061；4.中化二建集團有限公司，太原 030021；5 天津三博水科技有限公司，天津 300070)

水廠的取水泵、配水泵是水廠生產過程中耗電量大的主要設備，但是由于水泵的運行工況點偏離水泵特性曲線的高效區，使水泵機組低效運行，造成巨大的能源浪費。盡管近年來水資源費、人工費增長幅度較大，但大多數供水企業的平均耗電量占供水企業制水成本的40%以上，而主要用電消耗在水泵機組的運行中[1]。但由于市政基礎設施建設具有超前性，一般對區域的用水規模預測偏大，同時在水泵選型中，一般按最高日最高時流量條件選擇，揚程留有余度[2]，而在實際運行中，泵站的流量和揚程在絕大部分時間里遠低于所設計的流量和揚程[3]。因此實行節能、節電、降耗是一個緊迫的任務。這對供水行業優質供水，提高企業經濟效益，降低生產成本，具有非常現實和深遠的意義。但大部分供水企業在優化調度時，采用的是人工調度的方法，即憑經驗進行水泵的調節，這樣會影響供水范圍內用戶水壓和水量[4]。

利用水力模擬軟件，建立供水管網水力模型，可以模擬供水區域各節點負荷情況，為供水企業進行供水調度提供供水區域內各點工況，分析出泵站最優的出廠壓力。故以北方某市清源泵站為例，研究供水管網水力模型在泵站優化調度中的應用。

1 技術原理

1.1 泵站節能原理

泵站的供水單耗表達式如下：

(1)

式中：第一部分代表泵站所能實現的最小供水單耗，記為Wmin；第二部分代表當前工況下，泵站存在的節電潛力，記為ΔW。在ΔW中，前面是由于泵站運行效率η(Q，H)偏離最高效率ηmax(Q，H)形成效率偏差Δη(Q，H)，而造成的電能浪費；后面是由于泵站運行存在富裕揚程ΔH(Q，t)而造成的電能浪費[5]。故通過調節水泵出站壓力，使其在高效區運行，降低效率偏差Δη(Q，H)，達到節能降耗的目的。

但調壓對泵站供水范圍內的用戶有一定影響，所以利用水力模型軟件建立和校核完成北方某市城市管網水力模型優化泵組，模擬獲取泵站供水區域內各節點的負荷，確定供水泵站中水泵最優的控制工況的時候，應在保證用戶水量水壓的前提下, 達到優化調度，節能降耗的目的。

1.2 利用水力模型優化原理

利用WaterGEMS水力模擬軟件，通過遺傳算法進行優化，可對水泵進行長時間模擬(EPS)，以尋找最有效的優化方案。

水泵優化的目標是降低效率偏差Δη(Q，H)，通過式(1)可知，調節水泵的揚程H，可改變Δη(Q，H)，故設適應度函數(fitness)為：

(2)

在水泵優化時，需考慮最不利點、主干管、歷史爆管檢修記錄較多的位置、現有管網中的壓力監測點不能完全覆蓋監控范圍、供水分界線、地勢高程變化較大的地方及敏感地區的壓力與水量是否可以達到滿足。因此將約束條件可設定為選取的臨時壓力監測點壓力應介于最大與最小壓力之間，且供水水量不應低于低峰時最小需水量[6]：

Pmin

(3)

Q>Qmin

(4)

在不改變現狀設施和條件的基礎上，選取臨時壓力監測點作為控制水泵參數變化的依據，然后制定具體優化調度方案；同時，應滿足用戶需水量和壓力的要求。使水泵在特性曲線的高效區工作，均衡管網的壓力，降低富裕水頭。

2 數據收集

2.1 加壓泵站基礎資料

清源加壓泵站位于某市南部偏東，在該市經十一路鳳凰山風景區山腳，地勢較高。屬于半地下式泵站結構，由泵房、低配間、高配間、中控室、清水池、加氯間、辦公室組成，清水池容量3 000 m3，為地下式，上面遮以覆土及植被，位于泵房南側，清水池地面絕對高程為67.15 m。其地形影像及泵房布局如圖1所示。

圖1 清源加壓泵站及泵房Fig.1 Qingyuan pressurized pump station and pump room

該加壓站共有4臺水泵。其中1、2號水泵抽取清水池水進行加壓，3、4號水泵直抽管道進行加壓，清源水廠供水能力為4 萬t/d，泵型號參數如表1所示。

表1 水泵性能參數Tab.1 Pump performance parameters

由水泵性能參數和實際調研可知，1,2號泵的實際揚程在78 m，效率只有60%，3,4號泵的實際揚程在35 m，效率只有28%。

2.2 泵站運行調研

為了解廠站調度運營模式，2017年1-2月，在集團調度中心、東區調度中心和清源加壓泵站進行調研。同時，收集進廠壓力、出站壓力、清水池水位、出站流量和耗電量，作為后期節能工作對比數據。經過多日的調研工作，總結出關于清源加壓泵站供水幾點注意事項。

(1)在線壓力監測點環山路是二次供水加壓前的進廠壓力，進廠壓力不能低于10 m，否則加壓設備無法啟動。

(2)經十路花園地勢較高，管網壓力不得低于25 m。

(3)清源加壓站內由于電容容量限制，1、2號泵不能同時工作，3、4號泵不能同時工作。

3 技術方案

3.1 節能方案試運行

根據前期調研的工作和北方某市自來水公司提供的大量基礎資料，利用WaterGEMS水力模擬軟件，建立水力模型。結合水力模型優化節能原理，在清源加壓泵站進行為期12 h的節能降耗工作。根據2月3日節能期間管網測壓點監測數據進一步校核清源加壓泵站供水區域模型精度。表2為試節能工作期間廠站運營及管網壓力監測點數據。由表2可得，水力模型模擬壓力和監測數據對比，邦泰綠苑和環山路測壓點精度誤差在±1 m以內。竹園馨居精度誤差較大，需要重新校核模型。

表2 試節能工作期間運營及管網壓力監測點數據Tab.2 Data of operation and pipe network pressure monitoring point during trial energy saving work

模型重新校核后，滿足了精度要求，水力模型可以投入使用。表3為2017年2月2日(未采用節能措施)與2017年2月3日(試運行測試階段)廠站運營數據對比。

表3 2017年2月2日與2017年2月3日廠站運營數據對比Tab.3 Comparison of operation data of factory stationson February 2, 2017 and February 3, 2017

由表3可得，2017年 2月3日較2017年2月2日千噸水電耗降低1.36%。驗證了水力模型理論的可行性，為下一步廠站節能降耗方案的實施提供依據。

3.2 廠站節能降耗方案實施

利用建立和校核完成的北方某市城市管網水力模型，在保障最低供水量(大于700 m3/h)的范圍內，約束條件為主干管(環山路壓力監測點)和泵站供水范圍內的最不利點(竹園馨居壓力監測點)大于規定的壓力(14m)，利用遺傳算法，模擬分析最優的泵站出站壓力，在迭代1 000 次之后，優化的泵站出站壓力最大為68 m，最小為60 m，如圖2所示。

圖2 水力模型模擬的泵站最優出站壓力Fig.2 The optimal outbound pressure of the pump station simulated by the hydraulic model

由于供水管網優化調度首先是保證用戶對水量、水壓和水質的要求，其次才是盡可能高地追求管網運行的經濟效益。在供水高峰時段水泵運行已達較高負荷，降低壓力不利于高峰時段的供水安全保障。

故按高峰低峰時段分時段實施節能，即高峰用水時段不實施節能工作，低峰用水時段實施節能工作。0∶00-6∶00左右利用管網直抽加壓，出站壓力設為60 m，開1臺變頻水泵；6∶30-24∶00利用清水池和管網直抽兩種加壓方式同時工作，開2臺變頻水泵。高峰用水時段出站壓力按廠站原有調度方式設68 m，低峰用水時段保證控制點壓力控制在15 m左右，具體方案如表4所示。

以上方案實施過程中，會根據實際供水情況作相應的調度，如節假日用水高峰時間與工作日不一樣。工作人員向集團申請在清源加壓泵站進行為期15 d，每天24 h的節能降耗工作，具體時間為2017年3月9日凌晨0∶00至2017年3月24日凌晨0∶00。節能工作期間每日供水量和千噸水耗電如表5所示。

表4 節能實施的優化方案Tab.4 Energy-saving implementation of the optimization program

注：控制點為主干管環山路壓力監測點處和最不利點竹園馨居壓力監測點處。

表5 節能工作期間每日供水量與千噸水耗電Tab.5 Daily water supply and energy consumption perkiloton of water during energy saving work

4 數據分析

4.1 節能效果分析

由于清源泵站于2016年10月份水泵改造完成，所以為便于比較節能實施的成果，將2016年11月-2017年3月8日的運營數據作為對比。收集整理2016年11月-2017年3月8日運營數據，如圖3所示。

圖3 出廠數據統計Fig.3 Factory Statistics

節能前后千噸水耗電對比如表6所示。

由表6可得節能期間平均千噸水耗電較2016年11月降低5.10%，較2016年12月降低3.73%，較2017年1月降低 4.92%，較2017年2月降低7.26%，較2017年3月降低4.86%。節能期間，設計的優化調度方案比原來的經驗法優化調度可降低5.2%的能耗，節能降耗優勢明顯。

千噸水耗電公式：

W=(I/Q)×1 000 (5)

表6 節能前后千噸水耗電對比Tab.6 Energy consumption before and afterthe tons of water contrast

式中：W為千噸水耗電，kWh/km3；I為電量，kWh；Q為流量，m3。

節能效益公式：

E=ΔW×24×365q

(6)

式中：E為節能效益，元/(km3·a)；ΔW為通過技術改造千噸水耗電的降低值；q為電價，元/kWh。

基本電價按0.68 元/kWh計算，與2015年比較節能效益為187 226.20 元/(km3·a)；與2016年比較節能效益為137 486.92 元/(km3·a)。

4.2 不同工況下節能降耗分析

以周一與周日兩種不同供水工況為例(工作日與周末)，采用節能期間與節能前出站壓力、供水量、千噸水耗電、管網最不利點壓力監測進行對比，如圖4～圖7所示。

圖4 節能前后出站壓力對比Fig.4 Energy saving before and after the outbound pressure contrast

圖5 節能前后日供水量對比Fig.5 Comparison of water supply before and after energy saving

圖6 節能前后廠站千噸水耗電對比Fig.6 Before and after energy saving plant tons of water power consumption contrast

圖7 節能前后最不利點壓力監測對比Fig.7 Comparison of the most unfavorable point pressure monitoring before and after energy saving

由圖分析可得，節能期間與節能前相比，廠站日供水量基本不變，在降低出廠壓力的情況下，最不利壓力監測點的數值有所下降，但仍能滿足節能降耗方案的約束條件。在上述情況下，廠站千噸水耗電量有所下降，節能降耗的成果較好。

5 結 語

(1)節能工作取得的成果：節能期間平均千噸水耗電較2016年11月降低5.10%，較2016年12月降低3.73%，較2017年1月降低 4.92%，較2017年2月降低7.26%，較2017年3月降低4.86%。節能期間，設計的優化調度方案比原來的經驗法優化調度可降低5.2%的能耗，節能降耗優勢明顯。

(2)節能工作取得的節能效益：基本電價按0.68 元/kWh計算，與2015年比較節能效益為187 226.20 元/(km3·a)；與2016年比較節能效益為137 486.92 元/(km3·a)。

(3)節能期間與節能前相比，廠站日供水量基本不變，在降低出廠壓力的情況下，壓力監測點的數值有所下降，但仍能滿足節能降耗方案的約束條件。在上述情況下，廠站耗電量和千噸水耗電量都有所下降，節能降耗的成果較好。

(4)利用水力模型分析模擬為實施節能降耗工作提供理論性依據，提供可行較高，最優的節能方案。