基于降低配水系統(tǒng)運(yùn)行成本的泵送模式優(yōu)化研究

華幸超 李 斌 趙興才 陳 靜

（1.江蘇省宜興市水利局 宜興 214200 2.江蘇省揚(yáng)州市勘測設(shè)計研究院有限公司 揚(yáng)州 225000）

1 引言

配水系統(tǒng)（WDS）向所有用水戶供水需要其有足夠的壓力[1]。由于這種壓力僅通過重力不能滿足，因此有必要使用泵站來保證配水系統(tǒng)能有足夠的動力[2]。研究表明，WDS 抽水過程中消耗的能量約占全球能源使用量的3%，其中約25%的能源浪費是由于抽水效率不足[3]。

本文在滿足所有水力約束的情況下，進(jìn)行GAEPANET 的組合優(yōu)化過程，以期降低WDS 的運(yùn)行、電力成本和管網(wǎng)漏損[4]。從三個主要的研究方向解釋了這種降低成本的方法：一是包括分析確定控制泵的開/關(guān)過程的變量；二是對特定轉(zhuǎn)速泵和變速泵的分析，分別對兩種情況都進(jìn)行了優(yōu)化處理，并對結(jié)果進(jìn)行了比較；三是對優(yōu)化過程的遺傳算法分析，結(jié)合已開發(fā)的應(yīng)用程序，對其應(yīng)用優(yōu)化方法。

2 研究方法

2.1 泵系統(tǒng)

幾乎每個WDS 都有一個泵站，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供正常運(yùn)行所需的壓力。泵站的主要組成部分是水泵，它從水源中吸水，并將足量的水推到所需的高度[5]。主要有兩種不同類型的泵，特定轉(zhuǎn)速泵和變速泵。

2.1.1 特定轉(zhuǎn)速泵

特定轉(zhuǎn)速泵（USP）是最典型的泵類型。這種泵以單一的特性曲線工作。運(yùn)行點是特征曲線與系統(tǒng)曲線相交的地方；如果該揚(yáng)程滿足最大效率揚(yáng)程，則該泵在其最佳工作點。

理論上最佳的運(yùn)行情況并不復(fù)雜，但由于依賴于系統(tǒng)的曲線，它通常不會實現(xiàn)。出現(xiàn)這種情況時，唯一的解決辦法是更換泵，以便特性曲線滿足最佳泵送的要求。還有一種可能的解決方式是安裝變速泵。

2.1.2 變速泵

顧名思義，變速泵（VSP）是可以改變其轉(zhuǎn)速的泵。改變泵的轉(zhuǎn)速可以修改其特性曲線，從而更容易達(dá)到最佳運(yùn)行點。系統(tǒng)和特性曲線在原始速度情況下的交點不滿足最大效率點，因此通過改變其轉(zhuǎn)速，可以達(dá)到該條件，從而使泵以最佳方式工作。

2.2 決策變量

為了優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，有必要確定泵在何時打開或關(guān)閉，或者在哪個時刻改變其速度，以及這些速度改變的程度等。這些因素可能取決于許多變量。本文選取三個不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，分別是：需求模式、能源價格模式和水箱水位

2.2.1 需求模式和能源價格模式

需求模式表示一天中不同時間的水量消耗狀況。如圖1所示，在目前的情況下， 13 點的用水量較高，因此此時的抽水量應(yīng)該是最高的。第二種模式是能源價格模式，與第一種模式具有相同的表示方式。該模式可以優(yōu)化抽水的時間，將抽水時段集中在電價最低的時間段上。例如，在圖2所示的情況下，抽水應(yīng)該在22 點到9 點之間進(jìn)行，因為該時段電費最低。

圖1 需求模式圖

圖2 能源價格模式圖

雖然這兩種模式代表了水量需求和能源消耗，但它們存在兩個主要問題：首先，在需求最高的時段，電價也是最高的，因此優(yōu)化過程不會達(dá)到最佳點；第二，這些運(yùn)行模式不是永恒不變的，如果需求模式因任何原因改變，或者能源價格改變，那么當(dāng)前最優(yōu)的抽水模式將不再適用。

2.2.2 水箱水位

為解決上述問題，本文提出一種新的解決方案。水箱是WDS 的內(nèi)部蓄水池，這意味著隨著需求的增加，其水位會降低，反之亦然。因此無論WDS 的運(yùn)行是否隨著時間的推移而變化，水箱都可以代表WDS。

根據(jù)WDS 的需求檢驗水箱水位的精度，使用EPANET 軟件模擬了一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并將水箱水位與需求模式進(jìn)行了比較。圖3顯示了水箱的水位和需求模式，它們的運(yùn)行與預(yù)期的完全相反。故檢查水箱水位和需求模式之間相關(guān)性的更好方法是繪制水位的倒數(shù)，從圖4可以看出，基于水箱水位控制水泵是可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的最佳選擇。

圖3 水箱水位-需求模式圖

圖4 水箱水位的倒數(shù)-需求模式圖

2.3 約束條件

優(yōu)化過程的目標(biāo)是最小化成本，但要遵循系統(tǒng)的物理約束和實際操作約束。約束如下：保持系統(tǒng)壓力在上限和下限之間；確保模擬結(jié)束時的水箱液位高于開始時的水箱液位；儲罐不能排空；為了確保泵的耐久性，開/關(guān)的次數(shù)盡量降低。

2.4 優(yōu)化過程

以滿足所提出的所有約束為主要目標(biāo)，優(yōu)化過程通過遺傳算法和EPANET 建模相結(jié)合，該過程包括在EPANET 上運(yùn)行每一種泵送情況，并通過使用其內(nèi)置工具包來評估目標(biāo)函數(shù)。接下來進(jìn)行GA 優(yōu)化過程，識別出最佳情況。在優(yōu)化過程中水箱的水位意味著必須調(diào)整泵在哪個水位打開或關(guān)閉，或改變其速度。特定轉(zhuǎn)速泵與變速泵有不同之處。

特定轉(zhuǎn)速泵必須確定其打開的水位和關(guān)閉的水位。這意味著在這種情況下每個泵有4 個變量，usp的基因結(jié)構(gòu)：泵、水箱、h1、h2。

對于變速泵，需要確定泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的可能轉(zhuǎn)速，以及每個轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的水箱水位。在這種情況下，基因的數(shù)量取決于每個泵的轉(zhuǎn)速的數(shù)量，由下式計算：NG=V×2+1，其中NG 和V 分別代表每個泵的基因數(shù)量和每個泵的轉(zhuǎn)速的數(shù)量。VSP 的基因結(jié)構(gòu)：泵、水箱、v1、v2、v3、v4、v5、h1、h2、h3、h4。

3 實例分析

對159 個管網(wǎng)進(jìn)行了USP 和VSP 兩種情況下的優(yōu)化計算。該系統(tǒng)共有3 臺泵，經(jīng)過101 代后，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在USP 的情況下，從第1 代到第101 代，能量成本降低了26%；在VSP 的情況下，成本降低了33%。

優(yōu)化過程完成后，最終的抽水方式能夠降低管網(wǎng)中每個接頭的平均壓力，如圖5所示，從而減少了因泄漏而損失的水量。在圖6和圖7中得到了更直觀的展示，可以理解為最大壓力面和最小壓力面從第一代到最后一代變得更緊密。對于USP，泄漏量減少了50%，對于VSP，泄漏量減少了55%。

圖5 管網(wǎng)接頭的平均壓力圖

圖6 初始壓力圖

圖7 最終壓力圖

表1展示了USP 問題的最優(yōu)解方案，這些參數(shù)確保了系統(tǒng)的最佳狀態(tài)。表2展示了VSP 問題的最優(yōu)解方案，這些參數(shù)的范圍更廣，因為它們包括泵的可能轉(zhuǎn)速及其控制級別。

表1 USP 問題的最優(yōu)解表

表2 VSP 問題的最優(yōu)解表

4 結(jié)論

優(yōu)化算法結(jié)果給出了一種降低抽水系統(tǒng)運(yùn)行成本的方案。在滿足了所有約束條件的情況下，使水泵主要在低電價時段工作，還降低了管網(wǎng)的平均壓力，這意味著由于泄漏而損失的水也減少了，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

通過使用變速泵，降低的成本更高。主要原因是這些泵有許多不同的特性曲線，可以很容易地達(dá)到最佳運(yùn)行點。通過改變泵的轉(zhuǎn)速，可以在特定的時間泵送所需的水量，防止管網(wǎng)壓力過大。

在每種方案中，總體結(jié)果是相同的：達(dá)到了降低能耗，減少因泄漏而損失的水量，以及最大和最小壓力面相吻合。此外與USP 相比，VSP 的成本降低幅度更大■