大型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較

【摘要】為實(shí)現(xiàn)泵站群水利樞紐工程的聯(lián)合控制與調(diào)度，需要采用以計(jì)算機(jī)為中樞的泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)泵站系統(tǒng)過(guò)程控制最優(yōu)化，管理調(diào)度自動(dòng)化，合理利用水資源，提高泵站運(yùn)行的安全性、可靠性。為此，文章將對(duì)型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較方面進(jìn)行全面的研究。

【關(guān)鍵詞】泵站；節(jié)能；優(yōu)化

引言：

大型泵站工程在灌溉、排澇、調(diào)水、城市供水與排污，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善人民生活和建設(shè)生態(tài)環(huán)境等方面起著關(guān)鍵作用。而為了促使大型泵站系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，文章將對(duì)大型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較展開(kāi)詳細(xì)的探究。

一、大型泵站優(yōu)化范圍分析

大型泵站運(yùn)行優(yōu)化研究范圍逐步擴(kuò)大，從研究水泵、水泵裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行逐漸發(fā)展到研究單一泵站、并聯(lián)泵站群以及梯級(jí)泵站的優(yōu)化運(yùn)行。優(yōu)化目標(biāo)主要側(cè)重于效率及費(fèi)用問(wèn)題。起初只要求水泵效率高，但泵裝置效率并不高。后來(lái)逐漸發(fā)展為以泵裝置效率及泵站效率最高為目標(biāo)。事實(shí)上，大型泵站要完成從水源地向目的地提水調(diào)水的任務(wù)，需要輸變電設(shè)施、泵站和輸水設(shè)施協(xié)同工作，三者分別負(fù)責(zé)電力輸送、能量轉(zhuǎn)換和水體輸送。這三個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮功能的同時(shí)不可避免地要造成能量損失。電能從區(qū)域中心變電所經(jīng)專(zhuān)用高壓輸電線(xiàn)路進(jìn)入泵站主變壓器，再沿供電電纜向泵站主電動(dòng)機(jī)及輔助設(shè)備等站用電設(shè)備供電。泵站系統(tǒng)總輸入功率除一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫南到y(tǒng)有效功率外，還有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩旊姄p耗、變壓器損耗、變頻裝置能量損失、電動(dòng)機(jī)能量損失、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能量損失、主水泵能量損失、進(jìn)出水流道能量損失、前池和出水池能量損失、站用電能耗（包括站用變壓器損耗和輔助設(shè)備能耗）和輸水河道能量損失。對(duì)河南省內(nèi)幾座典型泵站系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了初步計(jì)算與分析，結(jié)果表明，輸變電能量損失和輔助設(shè)備能耗約占整個(gè)泵站系統(tǒng)輸入功率的2%～6%，水泵系統(tǒng)（包括輸變電設(shè)施、泵裝置、傳動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)和輔助設(shè)備）效率最高點(diǎn)偏離于泵裝置效率最高點(diǎn)，系統(tǒng)還具有節(jié)能的潛力與空間。目前，在研究泵站運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，僅僅將泵站主機(jī)組（包括泵裝置、傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)）作為研究對(duì)象，或者即使考慮了其他部分設(shè)備（或設(shè)施）的能量損失，也只是僅作估算，未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。因此，大型泵站運(yùn)行優(yōu)化應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮輸變電、泵站和輸水等三方面能量損失。

二、大型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型

（一）單臺(tái)機(jī)組

對(duì)于單臺(tái)機(jī)組，主要針對(duì)泵站揚(yáng)程變化，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片角度或水泵轉(zhuǎn)速，使泵裝置效率最高，但要考慮到機(jī)組的安全運(yùn)行范圍。通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，滿(mǎn)足抽水流量的要求。對(duì)于具有葉片調(diào)節(jié)功能的軸流泵和導(dǎo)葉式混流泵，為實(shí)現(xiàn)單臺(tái)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以泵裝置效率最高為優(yōu)化目標(biāo)。

（二）單座泵站、并聯(lián)泵站（系統(tǒng)）

對(duì)于單座泵站，主要針對(duì)總抽水流量要求，確定開(kāi)機(jī)類(lèi)型、臺(tái)數(shù)與機(jī)組運(yùn)行工況。如果用戶(hù)要求的是某時(shí)間段內(nèi)的抽水總量，則需對(duì)泵站在該時(shí)間內(nèi)不同時(shí)段的抽水流量大小進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于多座并聯(lián)泵站群，還需考慮起用哪些泵站。如果實(shí)行分時(shí)電價(jià)，則問(wèn)題會(huì)更加復(fù)雜。

（三）梯級(jí)泵站系統(tǒng)

對(duì)于梯級(jí)泵站，需考慮上下級(jí)泵站之間的揚(yáng)程和流量的優(yōu)化配合、不同輸水線(xiàn)路的流量分配、河道輸水長(zhǎng)度、輸水水量損失和水頭損失、不同泵站機(jī)組的流量、效率特性等因素。

三、大型泵站系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用比較實(shí)例

（一）單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化

以南水北調(diào)東線(xiàn)江都四站單臺(tái)泵機(jī)組為研究對(duì)象，在泵裝置揚(yáng)程一定的情況下，以泵裝置效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，確定最優(yōu)葉片角，最優(yōu)葉片角對(duì)應(yīng)的泵裝置效率較設(shè)計(jì)角度對(duì)應(yīng)的泵裝置效率最高可提高4.21個(gè)百分點(diǎn)。

單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果表：

（二）單座泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

以南水北調(diào)東線(xiàn)江都四站泵站系統(tǒng)為研究對(duì)象，假設(shè)日總抽水量2200萬(wàn)t，考慮揚(yáng)程變化和分時(shí)電價(jià)等因素，以泵站運(yùn)行費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，采用模擬退火-粒子群算法求解確定泵站各時(shí)段的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)和機(jī)組運(yùn)行工況。

（三）優(yōu)化模型的實(shí)施方案

對(duì)于泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是一個(gè)非常重要的性能參數(shù)。而對(duì)于前面建立的泵站優(yōu)化控制模型，尤其是多臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化而言，對(duì)于泵站裝配的水泵裝置，一旦設(shè)計(jì)%制造完畢，其性能曲線(xiàn)便固定下來(lái)，從而泵站在各種工況下的運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果也為一定。因此，為滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，可在系統(tǒng)投入運(yùn)行前將各種泵站揚(yáng)程、流量要求下的優(yōu)化結(jié)果預(yù)先計(jì)算出來(lái)，然后存儲(chǔ)在一個(gè)專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)里，在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)內(nèi)存的映象使該數(shù)據(jù)庫(kù)成為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)只需要用當(dāng)前泵站的凈揚(yáng)程，要求的泵站流量進(jìn)行檢索，便可得到要求優(yōu)化的決策參數(shù)。作為數(shù)據(jù)庫(kù)檢索的泵站揚(yáng)程，一般其步長(zhǎng)取0.01m；另一檢索步長(zhǎng)取1m3/s即可。

（四）大型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化節(jié)能結(jié)果分析

對(duì)單臺(tái)機(jī)組、單座泵站系統(tǒng)和梯級(jí)泵站系統(tǒng)建立運(yùn)行優(yōu)化模型，實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，單臺(tái)機(jī)組通過(guò)變角調(diào)節(jié)，泵裝置效率最高可提高4.21個(gè)百分點(diǎn)；實(shí)行分時(shí)電價(jià)、變角調(diào)節(jié)的單座泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案、梯級(jí)泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案分別較設(shè)計(jì)方案節(jié)約電費(fèi)5.64%、6.83%。優(yōu)化范圍越大，優(yōu)化運(yùn)行方案節(jié)能效果越顯著。泵站運(yùn)行優(yōu)化模型考慮的范圍和因素增加，模型變量個(gè)數(shù)增加，求解過(guò)程更加復(fù)雜，計(jì)算工作量大、時(shí)間長(zhǎng)。

結(jié)論：

大型泵站運(yùn)行優(yōu)化范圍逐步擴(kuò)大，從研究水泵、水泵裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行逐漸發(fā)展到研究單一泵站、并聯(lián)泵站群和梯級(jí)泵站系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，考慮的因素越來(lái)越全面。從要求研究水泵效率高，逐漸發(fā)展為以泵裝置效率和泵站效率最高為目標(biāo)。但泵站能耗除了主機(jī)組能耗外，還包括輔助設(shè)備、攔污清污設(shè)備、輸變電設(shè)施和輸水系統(tǒng)能耗等，優(yōu)化運(yùn)行方案時(shí)還需考慮分時(shí)電價(jià)。從全泵站系統(tǒng)角度建立優(yōu)化模型，優(yōu)化節(jié)能效果更好。文章就型泵站系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較進(jìn)行了全面的探究，希望能夠給相關(guān)人士提供重要的參考價(jià)值。

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