安徽省淮水北調工程固鎮泵站運行優化研究

吳耀光 宋正明

（安徽省懷洪新河河道管理局（安徽省淮水北調工程管理中心） 蚌埠 233060）

1 工程概況

安徽省淮水北調工程是國務院確定的172 項節水供水重大水利工程之一。工程兼有工業供水、灌溉補水和生態保護等顯著綜合效益，可有效緩解淮北、宿州兩市水資源短缺現狀，保障區域供水安全，減少中深層地下水超采，促進皖北地區社會經濟可持續發展。固鎮泵站為淮水北調工程的第二級提水泵站，總裝機容量8800kW，設計抽水流量36m3/s，裝機4 臺套（3 用1 備），其中水泵為1950HLQ13.2-12.8 型立式全調節混流泵，配套TL2200-28/3250 立式同步電機，單機功率2200kW，額定轉速214.3r/min。

2 泵站運行優化思路

泵站優化總體思路是對固鎮泵站的控制系統進行功能優化升級，在滿足安全運行的要求上，通過集成運行算法優化泵站的運行效率，生成優化控制指令自動調節水泵葉片角度，以達到能耗最低的目的，實現泵站的高效、經濟運行。

固鎮泵站建設期間，受項目法人安徽省治淮重點工程建設管理局委托，江蘇大學進行了“安徽省淮水北調工程固鎮站水泵裝置優化開發與試驗研究”，試驗研究單位根據泵站規劃參數以及初步推薦的水泵模型，通過裝置模型試驗確定原型泵在固鎮泵站運行中的各項參數，為泵裝置選型提供依據，并通過CFD 仿真計算對進出水流道進行優化設計，驗證泵裝置能夠滿足固鎮站的設計要求，在不同特征工況下可安全、穩定地運行。在該研究成果基礎上，結合神經網絡算法，泵站運行優化以泵站機組運行能源單耗低為優化目標，依據水泵特性曲線，結合上下游水位條件和當前機組運行狀態，采用大數據及系統工程的分析方法，對泵站內的機組運行方案進行綜合分析比較，運用數學分析手段確定水泵葉片角度最優解，并通過工控系統自動調節水泵葉片角度實現運行優化。

通過該研究，可以實現科學合理優化泵站運行，在滿足用水需求、保障供水安全的前提下盡可能提高泵站運行效率，降低能耗，減少運營成本，提高泵站運行過程中的技術水平和管理水平，探究新形勢條件下泵站運行管理的新模式。

3 優化技術路線及算法

3.1 技術路線

泵站運行優化研究實質是對水泵機組的控制調節優化，是一個具有復雜約束條件的非線性優化問題，處理過程較為復雜。水泵機組的控制調節優化一般要求在一個調節周期內（一般為24h），根據站前后水位和流量需求、開停機組數限制等約束條件，對各運行時段內的機組運行工況進行優選，決定機組的組合方式和開停時間，使得調節周期內的總能耗為最小。研究技術路線如圖1 所示。

圖1 研究技術路線圖

3.2 優化運行算法

3.2.1 數學模型的建立

針對泵站優化運行機組運行能源單耗最低目標，從當前監控系統實時獲取水泵軸功率、水位揚程、實時流量、葉片角度等相關數據，根據機組運行效率的計算模型，推導出能源單耗最低條件下的葉片角度。

式中：η—機組效率；ρg—水的密度×重力；Q—流量；H—揚程；p—輸入功率。

根據水泵提供的水泵性能曲線，用最小二乘法擬合出水泵每個葉片角度的流量與揚程的數學表現形式：

式中：Hθ—葉片角度為θ 度時的水泵揚程（m）；Aiθ—擬合出的表達式系數；Qθ—葉片角度為θ 度時的水泵流量（m3/s）；K—擬合出的表達式最高方次；θ—水泵葉片角度。

同時，Hθ=Hj+S×Q2θ

式中：Hj—泵站實際揚程（m）；S—泵站總水頭損失系數。

它依賴于流道水頭損失的試驗實測數據，擬合方式同上。

固鎮泵站優化運行以能源單耗最低為目標，它是反映泵站調度水平的綜合參數，其本質是泵站的裝置效率最高。

式中：e—能源單耗，即水泵每提1000m3水揚高1m 所消耗的能量，kW·h/（kt·m）；E—泵站運行某一時段消耗的總能量（kW·h）；Hst—同一時段泵站平均揚程（m）；t—同時段泵站的提水運行總時數（h）。

3.2.2 人工神經網絡法尋最優解

采用人工神經網絡法對歷史數據按照一定結構構建的人工神經網絡進行學習，神經網絡學習的實現主要包含四個過程：

（1）信號的正向傳播。對輸入的信號進行前向處理，從輸入層輸入樣本信息，經隱藏層處理后傳輸到輸出層，輸出層處理完畢后輸出網絡計算結果。

（2）誤差的反向傳播。該過程是對網絡的權值和閾值進行調整，通過將正向傳播時的網絡輸出結果與期望輸出進行比較，若誤差較大，則誤差通過輸出層，按照梯度下降的方式，逐步修正各層權值。

（3）訓練過程。通過不斷地訓練得到輸出結果與期望輸出之間的誤差，并據此對網絡權值和閾值不斷進行修正，使輸出結果不斷向期望輸出進行逼近，直至誤差滿足要求。

（4）收斂過程。該過程是建立的神經網絡逐步達到收斂的過程，即全局誤差不斷縮小，輸出結果非常逼近期望輸出。

優化模型通過實時采集的約束條件數據輸入，根據結合泵組效率和流量、揚程的關系所建立的數學模型進行數據分析，再經人工神經網絡學習訓練，獲得并輸出葉片角度最優解。

優化后的運行初期，泵站運行優化模型使用水泵廠家提供的水泵性能曲線來建立優化分析模型，當經過一定周期的穩定運行后，獲取到足夠的歷史數據時，可對此歷史數據進行過濾處理，再通過數據擬合，對原優化分析模型的系數進行率定，進一步提高優化精度。

4 優化控制執行

優化控制的執行是按照設定的自動控制調節觸發條件，程序將最優解輸出值轉為計算機監控系統控制指令，傳輸至葉片調節機構，動態變化調整葉片角度，以此實現效率最高、機組能耗最低的控制目標。

具體為基于當前已有的計算機監控系統，在現有上下位機中進行改造升級，在保留原自動控制功能不變的情況下，在上位機界面中增加優化運行算法對應的配置和參數設定界面，結合原人機交互方式，優化增加對新執行優化控制的交互，以減小對原有操作習慣的改變。主要是通過調整調節運行方式，在原人工調節基礎上增加自動調節，可以結合不同運行場景，由操作人員選擇適宜的模式進行自動調節控制。在調水初期，需要泵站以較快速度充盈輸水河渠，實現梯級泵站聯動運行，此時宜選擇流量最大模式；當梯級泵站進入較平穩的聯動狀態后，即轉入能耗最低模式，結合當前的上下游水位、水泵的特征曲線、已開啟的泵組數量，反饋給計算機監控系統運算，取得當前機組葉片角度的最優解，自動調整機組葉片角度和各泵的運行狀態，實現泵站始終在較低能耗也即較高效率狀態下持續運行。

為延長設備使用壽命，避免調節機構動作頻繁，葉片角度調整頻次不宜過高。在調水較為連續平穩，站前后水位變化不大時，可以通過優化葉片調節設置，選擇在水位變化幅度、調節間隔時間等不同條件下進行自動調節，在滿足觸發條件時即進行優化模型分析并自動進行調整，以保證機組運行狀態始終符合運行要求。

固鎮泵站開停機流程要求葉片角度在-6°滿足開機條件，-2°滿足停機條件，因此保留直接輸入葉片角度的原計算機監控系統的人工調節控制方式，以配合開停機操作。

為滿足優化運行需要，對現有計算機監控系統的主要改造工作有：

（1）四臺機組LCU 柜對應的PLC、觸摸屏程序優化調整。

（2）為配合機組LCU 柜程序優化而需要增加或優化的信號線。

（3）上位機界面對應需要增加、優化的界面和功能，以及需嵌入的優化模型。

（4）為配合優化運行模型，對歷史數據庫的優化和改造。

（5）對原有淮水北調計算機遠程監控系統涉及固鎮泵站此次優化運行而增加部分的參數界面等部分進行調整。

5 結語

泵站的運行優化是一個較為復雜的體系，涉及多個學科的研究內容，且相互之間具有一定的交叉，是一個理論性和實踐性都較強的研究課題。本文在水泵效率曲線的基礎上，采用計算機尋求最優解算法計算最優效率時葉片角度，并通過對泵站控制系統進行功能改造升級，在滿足當前自動化控制的前提下優化泵站的運行模式，以達到抽引流量最大或能耗最低的目的。因此，利用大數據分析技術優化泵站控制系統，提升泵站整體運行效率，滿足泵站運行穩定性要求具有重要的現實意義。通過固鎮泵站優化研究，拓展泵站運行優化的控制運用方式，具有顯著的理論及實踐價值■