南水北調(diào)東線單級泵站日經(jīng)濟運行研究

馬兆龍，桑國慶，張　林

（1.南水北調(diào)東線總公司，北京 100053；2.濟南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250012；3.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 250014）

南水北調(diào)東線單級泵站日經(jīng)濟運行研究

馬兆龍1，桑國慶2，張林3

（1.南水北調(diào)東線總公司，北京 100053；2.濟南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250012；3.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 250014）

【摘要】針對南水北調(diào)東線典型變頻調(diào)速泵站，利用現(xiàn)有水泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)，分析抽水裝置揚程～流量～轉(zhuǎn)速～效率之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用動態(tài)規(guī)劃法建立了單級泵站日優(yōu)化運行調(diào)度模型，以日運行費用最小為目標(biāo)，尋求最優(yōu)的日運行調(diào)度方案，確定各個時段內(nèi)各機組的開機組合及運行方案。并以南水北調(diào)東線韓莊泵站為例進(jìn)行了優(yōu)化計算，結(jié)果表明泵站優(yōu)化運行方案與現(xiàn)狀方案相比，可有效降低運行電費。

【關(guān)鍵詞】南水北調(diào)；泵站效率；分時電價；優(yōu)化運行

近年來，為緩解北方水資源短缺的狀況、促進(jìn)水資源優(yōu)化配置，我國修建了一大批跨流域梯級泵站輸水工程。其中泵站是工程的核心部分，能耗及運行費用較大。因此，相應(yīng)地運行節(jié)能的需求和潛力也很大。

大型提水泵站一般采用計劃配水方式，提前根據(jù)受水區(qū)各分水口門的需調(diào)水量，結(jié)合總干渠的過流能力制定日供水計劃。泵站日運行方案的優(yōu)化是泵站經(jīng)濟運行的核心環(huán)節(jié)。

1　抽水裝置性能特性分析計算

針對南水北調(diào)東線變頻調(diào)速泵站，根據(jù)現(xiàn)有水泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行相似換算得到水泵裝置的性能數(shù)據(jù)，采用B樣條曲線擬合方法，得到水泵原型裝置的綜合特性曲線。在此基礎(chǔ)上計入電機效率和傳動效率，得到泵站抽水裝置的綜合特性曲線，為泵站優(yōu)化運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1抽水裝置效率

抽水裝置效率的計算可在水泵裝置效率的基礎(chǔ)上考慮電機效率和傳動效率，抽水裝置效率計算公式：

1.2水泵裝置工況點確定

水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工況點計算原理見圖1。設(shè)水泵裝置在n1和n2轉(zhuǎn)速下的Q~H曲線上相似點為A1和A2，將水泵裝置各個轉(zhuǎn)速下Q~H曲線上等效率點的連線為一條通過坐標(biāo)原點的二次拋物線，記H=kQ2為給定A點的揚程和流量，即可確定出k值，從而確定出通過A點的等效率曲線。求出等效率曲線與已知轉(zhuǎn)速n1下Q~H曲線的交點A1（Q1，H1，η1，n1），則A點的效率和轉(zhuǎn)速分別為：η=η1；n=（Q/Q1）·n1。

圖1　水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工況點計算原理圖

2　單級泵站日經(jīng)濟運行模型構(gòu)建

2.1單級泵站日運行費用計算

本文中的日運行費用指泵站抽水裝置正常運行所需的電費其表達(dá)式為：

2.2單級泵站日經(jīng)濟運行模型

泵站日抽水總量一定，以日運行費用最小為目標(biāo)，以各時段泵站內(nèi)各機組葉片角度（轉(zhuǎn)速）為決策變量，考慮分段計時電價及揚程變化，求解泵站一天內(nèi)各時段的流量分配及對應(yīng)的泵站內(nèi)部運行方案（開關(guān)機臺數(shù)、葉片角度、轉(zhuǎn)速），優(yōu)化模型如下：

1）目標(biāo)函數(shù)

2）約束條件

2.3模型求解

采用基于離散區(qū)間的動態(tài)規(guī)劃法對各模型的優(yōu)化決策問題進(jìn)行求解。一般動態(tài)規(guī)劃法的計算點是離散的，當(dāng)相鄰階段決策點離散步長不等時，可能導(dǎo)致給定某一狀態(tài)沒有決策組合，從而導(dǎo)致離散點呈指數(shù)倍增長。為避免這一問題，對狀態(tài)變量采取區(qū)間離散代替點離散的方法。

3　韓莊泵站日經(jīng)濟優(yōu)化運行實例

3.1韓莊泵站概況

韓莊泵站樞紐工程位于棗莊市嶧城區(qū)古邵鎮(zhèn)八里溝村西，韓莊運河樁號4+200處。韓莊泵站裝機5臺，其中備用1臺，泵站設(shè)計（最高）揚程4.15m，最低揚程2.25m。單機設(shè)計流量為31.5m3/s。水泵采用10kV高壓變頻電機驅(qū)動，工頻轉(zhuǎn)速125r/min，電機功率2000kW，泵站總裝機容量10000kW。

韓莊泵站輸水采用計劃調(diào)水模式，以1d為一個調(diào)水循環(huán)周期，考慮分時電費循環(huán)及揚程變化因素，將1d內(nèi)劃分為4個時段，時段揚程及電費變化情況見表1。

根據(jù)現(xiàn)有韓莊泵站水泵模型裝置性能數(shù)據(jù)，根據(jù)第1節(jié)方法可得泵站抽水裝置揚程-流量-效率和揚程-流量-轉(zhuǎn)速性能數(shù)據(jù)，并作為優(yōu)化計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2單級泵站日經(jīng)濟運行方案計算及分析

選取典型工況如下：韓莊泵站日輸水總量要求范圍在（950×104～960×104m3）區(qū)間，根據(jù)優(yōu)化模型計算出的韓莊泵站各時段流量分配，以及各機組優(yōu)化運行方案見表1，表2。

4　結(jié)語

1）日輸水總量一定的情況下，

各時段內(nèi)的電價、輸水流量、揚程及泵站效率是影響泵站日運行費用的主要因素。其中，由于不同時段電價差別較大，相比泵站效率及揚程變化，分時電價是影響時段內(nèi)流量分配及日運行費用的主要因素。

表1　韓莊泵站各時段流量優(yōu)化分配方案

2）當(dāng)日輸水總量、揚程變化一定時，通過優(yōu)化運行可顯著降低運行費用。以文中列舉的典型工況為例，優(yōu)化后韓莊泵站日單位運行費用為0.009元/m3，較優(yōu)化前降低了12%。

3）文中所采用的抽水裝置效率是由水泵裝置模型數(shù)據(jù)經(jīng)換算得出，下一步應(yīng)在實際運行中逐步采集抽水裝置運行的工況點參數(shù)，對其性能進(jìn)行校核，保證優(yōu)化方案的可靠性。

表2　韓莊泵站1天內(nèi)各時段機組優(yōu)化運行方案　

（責(zé)任編輯 趙其芬）

【中圖分類號】TV68

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-03-0032-02

基金項目：“十二五”水專項2012ZX07205-005）

收稿日期：2015-01-22

作者簡介：馬兆龍（1982—），男，工程師