大型泵站系統運行優化模型與節能效果比較

【摘要】為實現泵站群水利樞紐工程的聯合控制與調度，需要采用以計算機為中樞的泵站實時運行監測，控制和數據采集系統，以實現泵站系統過程控制最優化，管理調度自動化，合理利用水資源，提高泵站運行的安全性、可靠性。為此，文章將對型泵站系統運行優化模型與節能效果比較方面進行全面的研究。

【關鍵詞】泵站；節能；優化

引言：

大型泵站工程在灌溉、排澇、調水、城市供水與排污，保障人民生命財產安全、促進經濟發展、改善人民生活和建設生態環境等方面起著關鍵作用。而為了促使大型泵站系統能夠穩定運行，文章將對大型泵站系統運行優化模型與節能效果比較展開詳細的探究。

一、大型泵站優化范圍分析

大型泵站運行優化研究范圍逐步擴大，從研究水泵、水泵裝置經濟運行逐漸發展到研究單一泵站、并聯泵站群以及梯級泵站的優化運行。優化目標主要側重于效率及費用問題。起初只要求水泵效率高，但泵裝置效率并不高。后來逐漸發展為以泵裝置效率及泵站效率最高為目標。事實上，大型泵站要完成從水源地向目的地提水調水的任務，需要輸變電設施、泵站和輸水設施協同工作，三者分別負責電力輸送、能量轉換和水體輸送。這三個環節發揮功能的同時不可避免地要造成能量損失。電能從區域中心變電所經專用高壓輸電線路進入泵站主變壓器，再沿供電電纜向泵站主電動機及輔助設備等站用電設備供電。泵站系統總輸入功率除一部分轉變為有用的系統有效功率外，還有相當一部分轉變為輸電損耗、變壓器損耗、變頻裝置能量損失、電動機能量損失、傳動機構能量損失、主水泵能量損失、進出水流道能量損失、前池和出水池能量損失、站用電能耗（包括站用變壓器損耗和輔助設備能耗）和輸水河道能量損失。對河南省內幾座典型泵站系統的能耗進行了初步計算與分析，結果表明，輸變電能量損失和輔助設備能耗約占整個泵站系統輸入功率的2%～6%，水泵系統（包括輸變電設施、泵裝置、傳動裝置、電動機和輔助設備）效率最高點偏離于泵裝置效率最高點，系統還具有節能的潛力與空間。目前，在研究泵站運行優化問題時，僅僅將泵站主機組（包括泵裝置、傳動裝置和電動機）作為研究對象，或者即使考慮了其他部分設備（或設施）的能量損失，也只是僅作估算，未對其進行詳細計算。因此，大型泵站運行優化應以整個系統為研究對象，綜合考慮輸變電、泵站和輸水等三方面能量損失。

二、大型泵站系統運行優化模型

（一）單臺機組

對于單臺機組，主要針對泵站揚程變化，通過調節葉片角度或水泵轉速，使泵裝置效率最高，但要考慮到機組的安全運行范圍。通過調節機組開機臺數，滿足抽水流量的要求。對于具有葉片調節功能的軸流泵和導葉式混流泵，為實現單臺機組經濟運行，以泵裝置效率最高為優化目標。

（二）單座泵站、并聯泵站（系統）

對于單座泵站，主要針對總抽水流量要求，確定開機類型、臺數與機組運行工況。如果用戶要求的是某時間段內的抽水總量，則需對泵站在該時間內不同時段的抽水流量大小進行優化。對于多座并聯泵站群，還需考慮起用哪些泵站。如果實行分時電價，則問題會更加復雜。

（三）梯級泵站系統

對于梯級泵站，需考慮上下級泵站之間的揚程和流量的優化配合、不同輸水線路的流量分配、河道輸水長度、輸水水量損失和水頭損失、不同泵站機組的流量、效率特性等因素。

三、大型泵站系統運行應用比較實例

（一）單臺機組運行優化

以南水北調東線江都四站單臺泵機組為研究對象，在泵裝置揚程一定的情況下，以泵裝置效率最高為優化目標，確定最優葉片角，最優葉片角對應的泵裝置效率較設計角度對應的泵裝置效率最高可提高4.21個百分點。

單臺機組運行優化結果表：

（二）單座泵站系統運行優化

以南水北調東線江都四站泵站系統為研究對象，假設日總抽水量2200萬t，考慮揚程變化和分時電價等因素，以泵站運行費用最低為優化目標，采用模擬退火-粒子群算法求解確定泵站各時段的開機臺數和機組運行工況。

（三）優化模型的實施方案

對于泵站計算機監控系統來說，系統的實時性是一個非常重要的性能參數。而對于前面建立的泵站優化控制模型，尤其是多臺機組的運行優化而言，對于泵站裝配的水泵裝置，一旦設計%制造完畢，其性能曲線便固定下來，從而泵站在各種工況下的運行優化結果也為一定。因此，為滿足系統的實時性要求，可在系統投入運行前將各種泵站揚程、流量要求下的優化結果預先計算出來，然后存儲在一個專家數據庫里，在系統啟動運行時，通過內存的映象使該數據庫成為實時數據庫。這樣，在系統運行時只需要用當前泵站的凈揚程，要求的泵站流量進行檢索，便可得到要求優化的決策參數。作為數據庫檢索的泵站揚程，一般其步長取0.01m；另一檢索步長取1m3/s即可。

（四）大型泵站系統運行優化節能結果分析

對單臺機組、單座泵站系統和梯級泵站系統建立運行優化模型，實例計算結果表明，單臺機組通過變角調節，泵裝置效率最高可提高4.21個百分點；實行分時電價、變角調節的單座泵站系統運行優化方案、梯級泵站系統運行優化方案分別較設計方案節約電費5.64%、6.83%。優化范圍越大，優化運行方案節能效果越顯著。泵站運行優化模型考慮的范圍和因素增加，模型變量個數增加，求解過程更加復雜，計算工作量大、時間長。

結論：

大型泵站運行優化范圍逐步擴大，從研究水泵、水泵裝置經濟運行逐漸發展到研究單一泵站、并聯泵站群和梯級泵站系統的優化運行，考慮的因素越來越全面。從要求研究水泵效率高，逐漸發展為以泵裝置效率和泵站效率最高為目標。但泵站能耗除了主機組能耗外，還包括輔助設備、攔污清污設備、輸變電設施和輸水系統能耗等，優化運行方案時還需考慮分時電價。從全泵站系統角度建立優化模型，優化節能效果更好。文章就型泵站系統運行優化模型與節能效果比較進行了全面的探究，希望能夠給相關人士提供重要的參考價值。

參考文獻：

[1]張禮華，程吉林，張仁田，等.基于試驗-整數規劃方法的泵站多機組變速優化[J].農業工程學報，2015，27（5）：156-159.

[2]汪雄海，周旭強.污水泵站系統的節能機理及控制策略控制[J].浙江大學學報（工學版），2015，39（7）：1068-1071