多級(jí)提水泵站優(yōu)化調(diào)度研究

陶 東，李 娜，肖若富，伏志梅，張克強(qiáng)

(1. 寧夏自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏 中寧 755100； 2. 中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054； 3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京 100083；4.寧夏自治區(qū)水利廳灌排中心，銀川 751000)

0 引 言

多級(jí)提水泵站是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其運(yùn)行功率大，能耗高。各級(jí)泵站流量、揚(yáng)程緊密相連，各泵站站內(nèi)機(jī)組多、型號(hào)不一，輸水線路長。其通常根據(jù)已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定運(yùn)行方式，浪費(fèi)了大量能源，降低了經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。

對(duì)于泵站系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題，Lingireddy等[3]針對(duì)某配水系統(tǒng)的變速泵，運(yùn)用遺傳算法，實(shí)時(shí)確定滿足系統(tǒng)需求的泵速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，減少水量泄漏，降低城本，改善其經(jīng)濟(jì)與水力效益。Moradi-Jalal等[4]運(yùn)用遺傳算法，在滿足水力性能要求的前提下，確定泵站配水系統(tǒng)年運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)年成本最低。金建華等[5]針對(duì)泵站調(diào)速改造做了系統(tǒng)分析，首先對(duì)改造前后年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較，再考慮折損費(fèi)等，最終判斷是否適合做調(diào)速改造。王宏江等[6]對(duì)爾王莊暗渠泵站系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度研究，采用遺傳算法模擬其水庫、泵站、上游來水、下游需水的運(yùn)行狀況，選擇合適的水庫調(diào)蓄量、開機(jī)臺(tái)數(shù)、水泵葉片角度等參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。鄢碧鵬等[7]將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)格聯(lián)合應(yīng)用，求解葉片可調(diào)節(jié)的泵站站間和站內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高了泵站效率，求解速度快、精度高，具有很高的應(yīng)用性。袁堯等[8]針對(duì)江都四站多機(jī)組日優(yōu)化運(yùn)行，分別采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、改進(jìn)的蟻群算法并以投影尋蹤決策模型為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)求解泵站多機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行模型，得到改進(jìn)的蟻群算法結(jié)合投影尋蹤決策模型不僅可以降低運(yùn)行成本，還更貼合日常運(yùn)行。

綜上所述，大型泵站系統(tǒng)中，經(jīng)常因?yàn)楣┧枨蟮牟粩嘧兓?，流量分配不合理，造成開停機(jī)頻繁，時(shí)有棄水或供水不足的情況發(fā)生[9,10]。需要對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，即在滿足供水需求和保證供水系統(tǒng)的壓力等硬性要求的情況下，使供水系統(tǒng)發(fā)揮其最大效益[11,12]。本文主要是采用粒子群算法針對(duì)多級(jí)提水泵站進(jìn)行級(jí)間水位的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)泵站整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)最大化。

1 研究對(duì)象

本文以某多級(jí)提水泵站為例，如圖1所示。由于該提水泵站級(jí)數(shù)、裝機(jī)臺(tái)數(shù)比較多，機(jī)組型號(hào)比較復(fù)雜，且均為不可調(diào)機(jī)組，而用水區(qū)面積比較大，泵站運(yùn)行能耗較大，為滿足各用水區(qū)的用水需求，實(shí)現(xiàn)該泵站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，單靠人工觀察，手動(dòng)操作是難以實(shí)現(xiàn)的。因此可考慮對(duì)該大型多級(jí)提水泵站的機(jī)組組合、水位配合進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)建立泵站優(yōu)化運(yùn)行的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行的自動(dòng)操作，以實(shí)現(xiàn)該多級(jí)提水泵站系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

圖1 多級(jí)提水泵站布置示意圖

該多級(jí)提水泵站共有17座泵站，裝機(jī)75臺(tái)泵，其中總干有四級(jí)，東干有五級(jí)，西干有八級(jí)，各級(jí)還有支渠及蓄水池，且每級(jí)站泵型多在2～3種、水泵機(jī)組多在3臺(tái)以上。為了解決用水區(qū)域的缺水問題，該多級(jí)提水泵站從黃河抽水，各級(jí)泵站必須滿足沿途地區(qū)對(duì)灌溉和居民用水的需求。各級(jí)泵站情況如表1。

2 計(jì)算及分析

2.1 模型及求解

該泵站的優(yōu)化分為兩步，第一步為站內(nèi)流量分配，即機(jī)組組合，第二步為級(jí)間水位組合，也即揚(yáng)程組合。該多級(jí)泵站及泵站群的優(yōu)化運(yùn)行分析以泵站運(yùn)行總功率最小為目標(biāo)準(zhǔn)則，采用粒子群算法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的混合算法求解，并用MATLAB編程，在滿足各用水區(qū)用水量及泵站運(yùn)行安全的前提下，盡可能減小其運(yùn)行功率。

表1 泵站參數(shù)

每級(jí)泵站除了向后一級(jí)的加壓泵站輸水還要滿足該灌區(qū)的用水需求，級(jí)間的流量平衡主要依賴于各級(jí)的支渠來控制，該實(shí)例泵站選取的優(yōu)化準(zhǔn)則為泵站運(yùn)行功率最小，其模型與求解如下。

目標(biāo)函數(shù):

(1)

其中：

(2)

(3)

約束條件：

(4)

Hi=hi2-hi1

(5)

hi1min≤hi1≤hi1max

(6)

hi2min≤hi2≤hi2max

(7)

Ni≤Nimax

(8)

Nijmin≤Nij≤Nijmax

(9)

Qijmin≤Qij≤Qijmax

(10)

Himin≤Hi≤Himax

(11)

(Qi-Qi+1-Si)·T=ΔVi(hi)

(12)

himin≤hi≤himax

(13)

該泵站模型的求解大致可分為兩步，第一步站內(nèi)機(jī)組的組合，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，以機(jī)組臺(tái)數(shù)j為階段變量，在此以第m臺(tái)機(jī)組與第j臺(tái)機(jī)組之間的流量差為狀態(tài)變量Xj，第j臺(tái)機(jī)組的流量Qj為決策變量

系統(tǒng)方程：

Xj=Xj+1+Qj

(14)

遞推方程：

(15)

級(jí)間主要是對(duì)各級(jí)進(jìn)出口水位的控制，根據(jù)泵站所提供的資料，采用粒子群算法對(duì)進(jìn)水水位進(jìn)行離散，并通過明渠公式得到出水池水位，從而獲得泵站的凈揚(yáng)程，再通過插值，動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，公式轉(zhuǎn)換等獲得泵站各機(jī)組的運(yùn)行揚(yáng)程，初始時(shí)慣性權(quán)重ω=1，wdamp=1；其中ω隨著迭代不斷變換，公式為ω=wdamp*(MaxIt-it)/MaxIt，加速度系數(shù)c1，c2均為0.5，泵站整體的求解流程如圖2所示。

圖2 模型求解流程圖

2.2 多級(jí)提水泵站的優(yōu)化分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及求解方法，當(dāng)泵站用水區(qū)需水流量分別為6.1、5.2、4.0 m3/s時(shí)(已考慮水量損失)，泵站總體運(yùn)行結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示，各級(jí)的運(yùn)行情況如表2、表3和表4所示。由泵站運(yùn)行資料可知，當(dāng)泵站在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，供水總流量為6.1 m3/s(用水區(qū)正常情況下的需水量)時(shí)，消耗的總功率為24 542 kW，算法優(yōu)化的運(yùn)行功率為24 134 kW，節(jié)約了408 kW，相當(dāng)于每天可減少1.66%的損耗。若泵站每天運(yùn)行時(shí)間為12 h，一年運(yùn)行200 d，可節(jié)約電量約為98 萬kW，因此，該優(yōu)化算法及結(jié)果都比較可觀，可用于泵站實(shí)際運(yùn)行。

圖4 泵站運(yùn)行功率(供水總流量5.2 m3/s)

3 結(jié) 論

(1) 本文以某多級(jí)提水泵站為研究對(duì)象，建立了具體的優(yōu)化模型，并用MATLAB編寫了粒子群與動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的混合算法來求解模型。

(2) 通過對(duì)泵站運(yùn)行時(shí)級(jí)間的運(yùn)行情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于級(jí)間而言，其中當(dāng)泵站在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，泵站可節(jié)約1.66%的能量，同時(shí)節(jié)約6.6%的水量。

圖5 泵站運(yùn)行功率(供水總流量4.0 m3/s)

級(jí)數(shù)泵站運(yùn)行揚(yáng)程/m運(yùn)行流量/(m3·s-1)機(jī)組型號(hào)臺(tái)數(shù)流量/(m3·s-1)揚(yáng)程/m總干一56.076.1N500-M9/675---N700-M14/701T51.2260.41總干二57.025.8N500-M9/67510.5460.64N700-M14/701T21.2160.63N800-M9/1028T21.4260.63總干三59.995KQSN500---KQSN70021.263.58KQSN80021.363.59總干四38.944.4DFSS500-9/6---DFSS600-12/6B50.8839.16東干一55.551.3DFSS500-9/620.6556.09DFSS300-8/4A---東干二38.281.120SH-9A20.6342.1014SH-13---東干三38.970.614SH-13---20SH-9A10.6342.10東干四35.190.414SH-1310.435.25東干五47.220.214SH-1310.2252.77西干一55.982.824SH-9A20.9656.7420SH-910.9456.5612SH-6B---西干二62.002.514SH-9---24SH-9A10.8762.7120SH-920.8262.84西干三42.64214SH-1310.3543.8920SH-9A---24SH-1320.9143.91西干四42.021.814SH-13---20SH-9A---24SH-1320.944.45西干五32.341.520SH--9A10.6342.124SH-1310.9738.12西干六43.501.120SH-9A20.5648.2714SH-13---西干七39.850.814SH-1310.3937.220SH-9A10.6342.1西干八34.650.414SH-1310.435.25

表3 泵站供水為5.2 m3/s時(shí)的運(yùn)行結(jié)果

表4 泵站供水為4.0 m3/s時(shí)的運(yùn)行結(jié)果

續(xù)表4 泵站供水為4.0 m3/s時(shí)的運(yùn)行結(jié)果

(3) 優(yōu)化后多級(jí)泵站從整體降低了能耗，在盡可能提高其運(yùn)行效率、降低能耗的基礎(chǔ)上，使其在安全、經(jīng)濟(jì)的情況下運(yùn)行。

□