梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化的方案探究

李文慧馬華明/.寧夏固海揚水管理處 .寧夏水利電力工程學校

梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化的方案探究

李文慧1馬華明2/1.寧夏固海揚水管理處 2.寧夏水利電力工程學校

大型梯級泵站輸水工程是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率集合各種運行指標，對輸水費用產(chǎn)生直接影響。分析梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率影響因素，闡述了有關(guān)的數(shù)據(jù)函數(shù)，基于此，構(gòu)建系統(tǒng)運行效率優(yōu)化模型，把不同影響因素作為決策變量，實現(xiàn)梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率的最優(yōu)化，結(jié)合水工程實例，分析優(yōu)化結(jié)果，這種優(yōu)化模型能顯著提升系統(tǒng)運行效率，是一種較為經(jīng)濟的運行方式。

梯級泵站；輸水系統(tǒng)；運行效率；優(yōu)化模型

對梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化，文章提出一些決策變量，如流量、級間水位等構(gòu)建了系統(tǒng)運行效率優(yōu)化模型，清楚梯級間水力優(yōu)化運行方案和不同泵級對應(yīng)的運行方案，保障了系統(tǒng)的高效運行。文章以代表性工程作為實際案例，相比傳統(tǒng)的運行方案，使用這種優(yōu)化運行方案，極大提升了系統(tǒng)的運行效率。因為系統(tǒng)在很長一段時處于運行狀態(tài)，會創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

1梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率

1.1 探析梯級泵站輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本輸水系統(tǒng)主要動力來源于電力，途徑泵站，實現(xiàn)不同級別間的提水，不同站別間，通過閘門、欄污柵和渠道等為水工建筑提供水源。所以，劃分梯級泵站輸水系統(tǒng)，可以分成兩個子系統(tǒng)，泵站和輸水，兩者關(guān)系十分緊密，兩子系統(tǒng)相互作用下，形成了系統(tǒng)的運行。分析影響兩子系統(tǒng)的運行因素，相應(yīng)提出了兩者的概念和表達式，基于此，將兩者有效聯(lián)系起來，從而將梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率定義和公式提了出來。

1.2 梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率、輸水子系統(tǒng)效率、泵站子系統(tǒng)效率

如果系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下，基于輸水子系統(tǒng)與泵站效率，將二者的有關(guān)梯級提出-泵站輸水系統(tǒng)運行效率指標。對梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率，其定義可以理解為，途經(jīng)多泵站子系統(tǒng)，提高輸水子系統(tǒng)傳輸，當進入目的后，獲得的凈能量與各級泵站消耗總能量的比值,和泵站子系統(tǒng)效率乘以輸水子系統(tǒng)效率是等同的。輸水子系統(tǒng)效率是輸水狀態(tài)指標的反應(yīng)，如，閘門和欄污柵等。輸水子系統(tǒng)效率，也即是水體經(jīng)泵站在提高后，途徑一些設(shè)備，如，閘門和欄污等，實現(xiàn)輸送的目的，最終得到的凈能量和不同級別泵站，提高水體耗損的總能量比值，結(jié)合水量損失與級間水力等考慮條件，可以分成不同的情況進行探究。文章探究的對象只是水量損失與級間無分水任務(wù)，只控制水流損失條件，計算輸水子系統(tǒng)效率。泵站子系統(tǒng)效對不同系級別泵站運行提供綜合性評估，基于單級別泵站運行效率，結(jié)合不同泵站效率，給出泵站子系統(tǒng)效率的定義和公式。對泵站子系統(tǒng)的效率，可以這樣理解，在各級泵站提升的基礎(chǔ)上，獲得的總能量與消耗能量間的比值。

2.梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率如何優(yōu)化

2.1 構(gòu)建梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化模型與單級泵站效率優(yōu)化模型

把系統(tǒng)運行效率最終優(yōu)化目標，基于單級泵站效率優(yōu)化，把流量與級間水位作為決策變量，結(jié)合不同梯級間水利耗損等條件，構(gòu)建梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率最優(yōu)模型，明確梯級間水力泵站內(nèi)優(yōu)化運行方案。當流量與揚程確定后，把最優(yōu)目標定為單級泵站效率，基于抽水裝置性能計算，把為決策變量定為不同抽水裝置分配流量，符合出水池水位與泵站進等限制性條件，構(gòu)建單級泵站效率優(yōu)化運行模型,明確泵站內(nèi)不同抽水配置優(yōu)化運行方案。

2.2 計算模型

在大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化需求，第一，應(yīng)將梯級泵站輸水系統(tǒng)分為不同的小規(guī)模的結(jié)構(gòu)簡單的系統(tǒng);第二，在區(qū)間離散的動態(tài)規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上，尋找最優(yōu)化的各子系統(tǒng)，確保各子系統(tǒng)的優(yōu)化；結(jié)合系統(tǒng)總目標與任務(wù)，協(xié)助各子系統(tǒng)完成協(xié)調(diào)性工作[1-2]。

2.2.1 模型構(gòu)造

首先，分解對梯級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化模型;其次，相關(guān)模型的構(gòu)建。各分系統(tǒng)有效聯(lián)系。另外，在模型優(yōu)化過程中，還包含了三個層面的決策問題，其中第一個層面是梯級間水位組合優(yōu)化：也就是特定的流量和梯級凈揚程，把系統(tǒng)運行效率作為最優(yōu)化目標，符合出水池水位和泵站進等限制性條件，分配梯級凈揚程任務(wù)，為輸水子系統(tǒng)與泵站子系統(tǒng)，不同梯級間水位進行優(yōu)化組合。單級泵站內(nèi)不同抽水裝置運行方案優(yōu)化處在第二層決策中：在第一層決策的基礎(chǔ)上，通過分配進入到不同站級流量和揚程，將輸水任務(wù)配置到不同抽水裝置，確保最優(yōu)化的泵站內(nèi)部效率。系統(tǒng)輸水流量的優(yōu)化處在第三層決策中，就是基于第一、二層決策，三層決策共同構(gòu)成統(tǒng)一體,相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)最終目標。

2.2.2 在區(qū)間離散的動態(tài)規(guī)劃基礎(chǔ)上求解

當前，對系統(tǒng)運行效率優(yōu)化模型，最為常用的一些求解方法主要有下述幾種情況：遺傳算法和動態(tài)規(guī)劃法等。文章在區(qū)間離散的動態(tài)規(guī)劃法的基礎(chǔ)上計算,動態(tài)規(guī)劃法是一種較為普及的數(shù)學運算方法，適合用在系統(tǒng)不同級別間的分析和決策中，將復(fù)雜的問題詳細化,分層級進行求解，通常動態(tài)規(guī)劃法的計算點不集中，如果最優(yōu)決策點沒有處在特定狀態(tài)，導(dǎo)致漏掉,使離散點產(chǎn)生指數(shù)不斷增長[3-4]。為了防止出現(xiàn)這種情況，針對狀態(tài)變量，使用區(qū)間離散代替點離散能將這一問題有效解決。

3梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化

3.1 工程案例

工程施工段韓莊運河段工程，是南水北調(diào)工程之一，溝通了南四湖輸水干線和賂馬湖輸水干線。項目工程利用獨特地理優(yōu)勢，如韓莊運河中水源輸入的特征，途徑了臺兒莊、萬年閘等一些新建工程，把駱馬湖水源輸送到南四湖下級湖，工程輸水規(guī)模125m3/s，結(jié)合泵站，可將輸水渠道劃分成下述幾種類型：萬年閘-韓莊段與臺兒莊-萬年閘段，相應(yīng)長度分別為16km和15km,其中，韓莊泵站、萬年閘和臺兒莊都配置了4臺機，當前未投入運行，各泵通過模型裝置效率的換算，能得到站水泵裝置效率。結(jié)合攔污柵等設(shè)施和現(xiàn)有測量資料，進行水利模型的構(gòu)建。計算不同水池的水位、上下梯級間水位流失狀況，文章把臺兒莊-萬年閘渠段作為探究的例子。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

構(gòu)建系統(tǒng)運行效率優(yōu)化模型并投入實踐中，優(yōu)化計算韓莊段梯級泵站輸水系統(tǒng)后，獲得上下梯級輸水系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，在輸水流量一定的情況下，梯級泵站輸水系統(tǒng)最佳運行效率，和相應(yīng)梯級間水力優(yōu)化措施，梯級泵站內(nèi)部優(yōu)化實施方案。以代表工程為準：臺兒莊站地下水位21.7m，韓莊站地上水位為33.2m,梯級凈揚程11.4m,輸水流量126m3/s。

3.3 分析結(jié)果

還是以上述代表工程為探究對象，結(jié)合優(yōu)化模型，計算地水位和低下水位，輸水流量不同，輸水子系統(tǒng)效率與梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率有必然關(guān)系，輸水子系統(tǒng)效率直接對梯級間水力損失產(chǎn)生影響;泵站子系統(tǒng)效率和不同抽水裝置能量損失有很大關(guān)系，相應(yīng)計算不同水流量條件下，水流總損失占系統(tǒng)總輸入的百分比，對比兩者系統(tǒng)運行效率的影響大小。在水流量不同情況下，梯級間水力損失和泵站抽水裝置損失影響運行效率。最佳系統(tǒng)運行效率需兩者相互協(xié)調(diào)。當流量增加時，梯級間水力損失隨之增加，影響系統(tǒng)運行效率，呈上升趨勢。確定流量高效區(qū)間，控制系統(tǒng)上下級水位不變，和流量相應(yīng)梯級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化運行效率均有差異，系統(tǒng)能達到的最大運行效率為70.2％，相應(yīng)輸水流量為61m3/s;運行最低效率64.0％,相應(yīng)輸水流量109m3/s,兩者相差5.8％，為此，選擇恰當輸水流量區(qū)間很有必要[5]。

4. 結(jié)束語

隨著流量增大，這種影響將逐漸上升，所以，工程設(shè)計并投入實踐運行，基于提升不同泵站內(nèi)運行效率，對引起梯級間水力損失的影響因素應(yīng)切實重視，采取有效應(yīng)對措施，將水力損失降低最低，如欄污棚能的提升就是不錯的方法。梯級凈揚程處于一定條件時，梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率和輸水流量有很大關(guān)系，在調(diào)度實踐中，結(jié)合系統(tǒng)運行效率與流量關(guān)系，考慮輸水計劃，制定有效的輸水流量方案。

[1]馮曉莉，仇寶云，楊興麗，等?大型復(fù)雜并聯(lián)梯級泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化研究[J].水利學報，2012,43(9):1058-1065.

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[5]桑國慶,曹升樂,郭瑞,官慶朔,白咸勇.梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化模型[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2014,(08):2179-2185.