防洪排澇泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化研究

趙英 張虹

（江蘇省無錫市城市防洪工程管理處 無錫市 214000）

近年來，我國機(jī)電排灌事業(yè)得到迅猛發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有大中型泵站5 500多座，大型抽水站200多座，中型十幾萬座，而小型則數(shù)不勝數(shù)，遍及全國［1］。這些抽水工程所帶來的作用直接影響著國計(jì)民生，其抵御旱澇災(zāi)、保障農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)定、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化及機(jī)械化進(jìn)程均具有不可代替的作用。但現(xiàn)有的泵站裝置效率普遍較低，偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)的效率下降更大，增加了運(yùn)行成本。

泵站在為民服務(wù)的同時(shí)，也消耗著大量能源，這直接影響著泵站的經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行。泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是研究泵站管理優(yōu)化及調(diào)度的主要內(nèi)容，以系統(tǒng)論的方法及觀點(diǎn)對泵站工程整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)及排灌系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，讓泵站在一定時(shí)期內(nèi)，按照一定準(zhǔn)則，使泵站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而使泵在最經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行［2］。

為提高泵站的運(yùn)行效率，在有條件的情況下采用的工況調(diào)節(jié)方法有：變速調(diào)節(jié)、變角調(diào)節(jié)、可調(diào)前導(dǎo)葉調(diào)節(jié)、前置導(dǎo)輪調(diào)節(jié)等。但大多數(shù)的泵站因條件的限制，可采用的調(diào)節(jié)方式較少［3］。在此情況下，對泵站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度研究，合理分配各時(shí)刻各機(jī)組的抽水流量，使泵站處于較優(yōu)的工況下運(yùn)行，對于泵站節(jié)約運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益等具有重要意義。研究中不考慮同型機(jī)組之間由于制造等方面因素的差異。對于具備變角、變速等其它調(diào)節(jié)方式的泵站，應(yīng)與流量優(yōu)化分配結(jié)合進(jìn)行研究，以使優(yōu)化運(yùn)行的目的達(dá)到最優(yōu)。

泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行異曲同工，都是擔(dān)負(fù)某種“負(fù)荷”。 泵站以抽水為主，水電站以發(fā)電為主，但二者都是在滿足安全運(yùn)行的前提下，一個(gè)以電換水，一個(gè)以水換電，均要考慮在“負(fù)荷”的機(jī)組分配條件下，對機(jī)組的投入臺(tái)數(shù)和投入順序進(jìn)行合理安排［4］。

1 泵站的優(yōu)化運(yùn)行模型

研究泵站機(jī)組間優(yōu)化分配的模型及解法，需從系統(tǒng)分析的觀點(diǎn)出發(fā)，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，需建立目標(biāo)函數(shù)與約束條件方程式。約束條件可根據(jù)不同情況、不同要求建立約束方程與目標(biāo)函數(shù)方程。

對于承擔(dān)防洪排澇工作的泵站，其主要的運(yùn)行任務(wù)是在一定的時(shí)間內(nèi)，完成給定的抽水流量。因此，對于此類泵站的優(yōu)化高度模型，應(yīng)是在一定的總抽水流量的約束條件下，以運(yùn)行的功率最少或運(yùn)行費(fèi)用最少作為目標(biāo)函數(shù)，但最終的優(yōu)化目的仍是泵站的運(yùn)行費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。而泵站的運(yùn)行費(fèi)用包括人工費(fèi)、管理費(fèi)、抽水電費(fèi)等內(nèi)容，在研究時(shí)，根據(jù)泵站的特點(diǎn)，若運(yùn)行費(fèi)中抽水電費(fèi)占的比例較大，可以將泵站的運(yùn)行費(fèi)用優(yōu)化目標(biāo)簡化為抽水電費(fèi)的優(yōu)化，若在沒有進(jìn)行分時(shí)電價(jià)的條件下，目標(biāo)函數(shù)即為總功率最小。

因此，建立優(yōu)化模型為：

約束條件（總抽水流量約束）：

式中m——機(jī)組臺(tái)數(shù)；

Q0——總抽水流量；

N——機(jī)組消耗

功率；

Qi——第Qi′′臺(tái)

機(jī)組抽水流量；

Ni——第i臺(tái)機(jī)

組消耗功率；

Qi′，Qi′′分別為第i臺(tái)機(jī)組在該揚(yáng)程下的最小，最大流量；Ni′，Ni′′分別為第 i臺(tái)機(jī)組在該揚(yáng)程下的最小，最大出力。

在實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)的條件下，在研究時(shí)，需要將電價(jià)因素考慮在模型內(nèi)，此時(shí)的目標(biāo)函數(shù)為：

式中S——泵站消耗的總電費(fèi)支出；

Ni——第i臺(tái)機(jī)組在ti時(shí)刻消耗的功率；

si——ti時(shí)刻的電價(jià)。

其中si可以表示成ti的函數(shù)，因此，模型可以簡化為：

2 模型求解方法

對于上述模型，可采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法求解，求解時(shí)將每臺(tái)機(jī)組作為一個(gè)決策階段，按順序編號(hào),可采用逆向推行法計(jì)算。選取機(jī)組臺(tái)號(hào)作為決策階段i；決策變量；選擇按照機(jī)組號(hào)累加的抽水流量為狀態(tài)變量。則第i臺(tái)機(jī)組的流量Qi；決策變量為第 i臺(tái)機(jī)組的流量Qi；開機(jī) Qi為定值，否則為0。狀態(tài)變量為分配給第i～m臺(tái)機(jī)組的總抽水流量Ki。

以模型（1）為例，建立的動(dòng)態(tài)規(guī)劃遞推方程和狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

3 應(yīng)用成果及分析

江蘇某城市防洪泵站工程，采用堤身式布置，單向排水，安裝5臺(tái)立式軸流泵，單機(jī)流量15 m3/s，配630 kW同步電機(jī)，總裝機(jī)4 000 kW。閘門采用下臥式平面鋼閘門，液壓啟閉機(jī)控制。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，其2011年3月、7月實(shí)際抽水耗電量與優(yōu)化后的消耗電量見附表。

附表 實(shí)際耗電量及各個(gè)月經(jīng)優(yōu)化后的耗電量

4 結(jié) 論

本文對防洪排澇型泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化問題，建立優(yōu)化模型，研究了通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解的方法，并根據(jù)工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，對于排澇泵站，在給定抽水流量運(yùn)行的情況下，通過優(yōu)化計(jì)算，可節(jié)省耗電量3%左右，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

對于具有防洪排澇任務(wù)的泵站，在某特殊情況下需要最大流量的滿荷載運(yùn)行時(shí)，為了最大限度減少災(zāi)害損失，例如在排出災(zāi)難性特大澇水時(shí)，不能以泵站的最佳運(yùn)行效益為標(biāo)準(zhǔn)，必須服務(wù)整個(gè)社會(huì)效益，在滿足泵站功效最大化及災(zāi)情緊急化的前提下，要求以最大額度進(jìn)行大量抽水，此時(shí)雖然泵站的收稅成本會(huì)高，但是從整體的社會(huì)效益看是合理有效的［4］。

1 儲(chǔ)訓(xùn).我國泵站“十一五”規(guī)劃及發(fā)展前景——現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告[R].揚(yáng)州大學(xué)水利學(xué)院，2004.

2 馮曉莉，仇寶云，黃海田.大型泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究進(jìn)展［J］.流體機(jī)械，2006，4.

3 馮曉莉，等.南水北調(diào)東線一期工程源頭泵站優(yōu)化運(yùn)行研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，4.

4 胡曉龍.復(fù)雜泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究［D］.南京：河海大學(xué)碩士論文，2002.