灌溉網(wǎng)絡(luò)泵站調(diào)節(jié)策略研究

梁軍山

(長(zhǎng)沙縣黃花電力排灌站，湖南 長(zhǎng)沙 410137)

1 概述

目前，在氣候變化和能源價(jià)格上漲趨勢(shì)的背景下，有必要開(kāi)發(fā)節(jié)能工具，以便優(yōu)化能源的使用，提高環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。在灌溉地區(qū)，能源是一個(gè)需要考慮的重要因素，因?yàn)樗鼘?duì)總管理、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本有很大影響。因此，與其他分配系統(tǒng)(如明渠)相比，加壓灌溉網(wǎng)絡(luò)(IRN)有助于提高水資源的利用率[1- 2]。然而，在加壓系統(tǒng)中，由于需要泵站對(duì)系統(tǒng)加壓，能耗相對(duì)較高。而且加上不斷增加的能源成本，有必要開(kāi)發(fā)工具來(lái)優(yōu)化這類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施的效率。

有許多降低加壓灌溉網(wǎng)絡(luò)能耗的研究。對(duì)于按需灌溉網(wǎng)絡(luò)，一種方法側(cè)重于根據(jù)給水栓的能源需求對(duì)其進(jìn)行分組灌溉，節(jié)約的能源從9%到27%不等[3- 4]。其他研究的基礎(chǔ)是分析具有特殊能源需求的給水栓的位置，這些給水栓被定義為關(guān)鍵控制點(diǎn)，以減少能源消耗和改善網(wǎng)絡(luò)分區(qū)[5- 6]。這些研究大多假設(shè)泵送系統(tǒng)的效率固定，而不考慮其可變性，這取決于每種情況下流量和泵揚(yáng)程的組合。在設(shè)計(jì)泵站時(shí)，僅考慮高流量來(lái)確定設(shè)計(jì)流量，但在大多數(shù)情況下，會(huì)產(chǎn)生低流量和中等流量。這可能會(huì)導(dǎo)致泵站以較低的效率運(yùn)行。因此，有必要提高系統(tǒng)在低流量和中等流量時(shí)的效率。這對(duì)于按需灌溉網(wǎng)絡(luò)很重要，并且與灌溉季節(jié)期間出現(xiàn)的流量高可變性和所需的泵揚(yáng)程變化有關(guān)。

因此，一旦想實(shí)施最佳調(diào)節(jié)策略，就有必要考慮泵送系統(tǒng)對(duì)于流量和壓力的每個(gè)組合的效率。這在一些研究中已經(jīng)得到考慮。一些學(xué)者提議使用遺傳算法將加壓灌溉網(wǎng)絡(luò)的取水口分組，該算法可優(yōu)化能源利用率[7- 9]。其他研究分析了安裝頻率速度驅(qū)動(dòng)器以優(yōu)化能量使用。加壓灌溉網(wǎng)絡(luò)中泵站最常見(jiàn)的調(diào)節(jié)類(lèi)型是固定壓力調(diào)節(jié)，但可變壓力調(diào)節(jié)可用于保證打開(kāi)的給水栓處的最小壓力[10]。主要分析流量和壓力的組合，最小揚(yáng)程是否可以被認(rèn)為是最有效的。因此，對(duì)于每種流量方案，可以確定泵站的壓力，以保證指定的給水栓壓力值，并使泵送系統(tǒng)的功耗最小。

本文的目的是開(kāi)發(fā)一種確定最佳泵揚(yáng)程的方法，使泵站所需的功率最小化，并保證網(wǎng)絡(luò)中所有打開(kāi)的給水栓的規(guī)定最小壓力。該工具是在MATLAB環(huán)境下使用EPANET工具包開(kāi)發(fā)的。使用這一工具，考慮了各種流量和泵揚(yáng)程組合下泵站的效率。

2 灌溉網(wǎng)絡(luò)

2.1 灌溉網(wǎng)絡(luò)特征

為了證明所開(kāi)發(fā)方法的實(shí)用性，對(duì)湖南省某按需加壓灌溉網(wǎng)絡(luò)(IRN)進(jìn)行了分析，如圖1所示。它的可灌溉面積約為267hm2，有121個(gè)給水栓。泵站的調(diào)節(jié)以固定壓力為基礎(chǔ)，以55m為固定泵揚(yáng)程，保證每個(gè)打開(kāi)的給水栓處有30m。泵站有4臺(tái)泵(每臺(tái)47kW)，其中一臺(tái)采用變頻驅(qū)動(dòng)。

圖1 灌溉網(wǎng)絡(luò)布局

為了實(shí)現(xiàn)泵站的固定壓力調(diào)節(jié)，在泵收集器中安裝了一個(gè)壓力傳感器，用于控制變速泵和定速泵的啟動(dòng)順序，以保持所需的壓力。在所有情況下，自動(dòng)化系統(tǒng)控制給水栓閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。每個(gè)給水栓都有一個(gè)流量限制器和一個(gè)流量計(jì)。因此，在穩(wěn)態(tài)建模過(guò)程中，所有給水栓的流量都被認(rèn)為是恒定且已知的。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了實(shí)現(xiàn)每一個(gè)灌溉網(wǎng)絡(luò)，有必要獲得關(guān)于灌溉網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，例如管道直徑和網(wǎng)絡(luò)布局。這一信息是從灌區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的，并得到了實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的補(bǔ)充。灌溉網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分(給水栓、泵站和管道長(zhǎng)度)的位置是使用高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位設(shè)備確定的(誤差<20mm)。所用管道的材料和直徑信息來(lái)自灌區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)。使用便攜式超聲波流量計(jì)(2.5%精度)，測(cè)量泵站的泵流量。泵站的揚(yáng)程是使用壓力傳感器(1%精度)確定的。用電網(wǎng)分析儀測(cè)量泵的電參數(shù)，如電流、電壓和功率。

3 研究方法

該方法可分為3個(gè)部分，如圖2所示：①需求場(chǎng)景的生成和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壓力的確定，②泵站所需揚(yáng)程的確定，③泵送系統(tǒng)消耗的效率和能量的確定。

圖2 計(jì)算方法流程圖

3.1 需求場(chǎng)景的生成和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壓力的確定

根據(jù)高峰時(shí)期應(yīng)用的方法，第一步是進(jìn)行需求場(chǎng)景的模擬。它是通過(guò)隨機(jī)日需求曲線(RDDC)方法，該方法適用于按需灌溉網(wǎng)絡(luò)中的水和壓力需求的模擬。RDDC場(chǎng)景是針對(duì)白天和高峰期的開(kāi)放式給水栓生成的。給水栓打開(kāi)的概率是通過(guò)考慮每個(gè)地塊的灌溉特性來(lái)計(jì)算的，每個(gè)地塊的灌溉子單元數(shù)量、取決于作物需水量的灌溉時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)每日運(yùn)行時(shí)間和灌溉間隔。因此，這為每次流量提供最佳壓力所需的所有流量。然而，仍然有必要確定最小泵揚(yáng)程，以確定每次流量的最小泵送需求。

為了生成需求場(chǎng)景，當(dāng)給水栓運(yùn)行時(shí)，應(yīng)考慮在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，并在為給水栓建立的灌溉時(shí)間內(nèi)有足夠的時(shí)間灌溉該區(qū)域。因此，在高峰期的一天內(nèi)，該時(shí)間間隔被劃分為15min的時(shí)間間隔，在該時(shí)間間隔內(nèi)，特定的給水栓可以運(yùn)行。對(duì)于每個(gè)間隔，隨機(jī)確定給水栓是否打開(kāi)。

在所有分析的情況下，由于網(wǎng)絡(luò)管理避免白天(每天6小時(shí))的高電價(jià)期，因此運(yùn)行時(shí)間均短于24h。在模擬過(guò)程中考慮到這一問(wèn)題，使用18h(24～6h)的運(yùn)行時(shí)間來(lái)生成需求場(chǎng)景。因此，使用1000次重復(fù)生成了72個(gè)需求數(shù)據(jù)集，以獲得72，000個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)庫(kù)。借助于在MATLAB中開(kāi)發(fā)的工具，并使用EPANET計(jì)算引擎的動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)，計(jì)算了網(wǎng)絡(luò)中所有管道(包括主管道)的流量以及每個(gè)生成場(chǎng)景下每個(gè)給水栓的壓力水頭。該方法僅用于確定主管道的設(shè)計(jì)流量。通過(guò)這種方法，可以獲得每個(gè)給水栓的壓力和沿著每個(gè)管道的流量。這可以保證打開(kāi)的給水栓處的最小壓力。

3.2 泵站效率和能耗的確定

對(duì)于每一個(gè)分析的方案和每一種情況，泵站的能源效率都是使用泵站能源分析模型計(jì)算的。該模型再現(xiàn)了泵站中所有泵的行為。因此，模型輸出是泵站流量和泵揚(yáng)程每種組合的效率曲線?？紤]到所有生成的需求場(chǎng)景，使用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)分析方案的平均能耗。

3.3 泵站泵揚(yáng)程的確定及實(shí)例分析

在每個(gè)需求場(chǎng)景下，為了確定泵站的揚(yáng)程，考慮沿主管道的相同流量，分析了3種情況。方案1是在考慮固定壓力調(diào)節(jié)的情況下開(kāi)發(fā)的，泵站的揚(yáng)程固定為55m。這些數(shù)值是由灌溉網(wǎng)絡(luò)的管理者根據(jù)高峰時(shí)期給水栓壓力不足的情況進(jìn)行估算的。方案2是利用泵站的揚(yáng)程進(jìn)行的，該泵揚(yáng)程保證在最嚴(yán)格的節(jié)點(diǎn)處最小所需泵揚(yáng)程為30m。方案3的開(kāi)發(fā)考慮了泵站的揚(yáng)程，該泵揚(yáng)程最小化了泵站所需的功率，定義為最佳泵揚(yáng)程。灌溉網(wǎng)絡(luò)的主要參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 灌溉網(wǎng)絡(luò)的主要參數(shù)

4 結(jié)果和討論

4.1 流量分配

在配水網(wǎng)絡(luò)中，獲取需求過(guò)程線，主要是高峰期的過(guò)程線，可以提供關(guān)于能源需求的有用信息?？紤]到這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榈汀⒅?、高流量的頻率與泵站的要求壓力密切相關(guān)。各種需求情況下，各管網(wǎng)主管流量的可變性如圖3所示。該灌溉網(wǎng)絡(luò)的流量較低，98%的流量在10至80L/s之間。因此，如果泵站的設(shè)計(jì)只考慮設(shè)計(jì)流量而不考慮流量的分布，可能會(huì)獲得不適當(dāng)?shù)男阅?。本文只考慮高峰時(shí)段，因?yàn)檫@是能源需求最大的時(shí)段。

4.2 泵站揚(yáng)程

不僅流量是確定能量需求的關(guān)鍵參數(shù)，還需要確保打開(kāi)的給水栓的最小壓力所需的壓力。通常情況下，IRN的管理人員以盡可能低的壓力調(diào)節(jié)泵站，使系統(tǒng)能夠以高效的方式工作。然而，這種所需的壓力可能不足以滿足低或中等流量，并使泵在不合適的工作點(diǎn)工作，從而降低能效。

針對(duì)每次流量在每個(gè)分析方案(方案1、2和3)中計(jì)算的泵揚(yáng)程，如圖4所示?？梢钥闯?，方案2和方案3在高達(dá)75L/s的流量方面非常相似。對(duì)于其余的流量，最佳泵揚(yáng)程高于最小泵揚(yáng)程，甚至高于接近55m的固定壓力調(diào)節(jié)值?？梢钥闯鲎钚”脫P(yáng)程與最佳泵揚(yáng)程相似，因?yàn)樵诠喔染W(wǎng)絡(luò)中流量不超過(guò)80L/s，如圖3所示?；诠潭▔毫φ{(diào)節(jié)的泵揚(yáng)程值與方案2和方案3中的泵揚(yáng)程值有很大差異?？紤]固定壓力調(diào)節(jié)的泵站的揚(yáng)程高于泵送系統(tǒng)大多數(shù)流量的最小和最佳壓力水頭。這種負(fù)面影響在壓力過(guò)高的低流量和中等流量中尤為突出。因此在泵送系統(tǒng)使用可變泵揚(yáng)程是有意義的。

圖4 不同流量下三個(gè)方案計(jì)算的泵揚(yáng)程

4.3 泵站效率

在泵站中，能效是決定泵送系統(tǒng)功耗的最重要參數(shù)之一。在分析泵送系統(tǒng)性能的大多數(shù)研究中，假設(shè)有一個(gè)獨(dú)立于流量的高恒定效率，但該參數(shù)可能因每個(gè)泵站的流量和所用的泵揚(yáng)程而異。

就本文分析的情況而言，獲得的泵站效率如圖5所示?？紤]到方案2和方案3，能源效率非常相似，但80～100L/s的流量區(qū)間，存在較大的差異，這可能受到此范圍獲得的泵揚(yáng)程值的影響，對(duì)于80～100L/s的流量，最佳泵揚(yáng)程增加。對(duì)于這3種情況，使用固定壓力調(diào)節(jié)的方案1的泵送效率高于方案2和方案3。這并不意味著固定調(diào)節(jié)比最佳壓力調(diào)節(jié)更好，因?yàn)槟芰啃实脑黾硬荒苎a(bǔ)償泵揚(yáng)程的增加。能效不應(yīng)被視為確定泵站最小功耗的唯一參數(shù)。然而，工程師通常將泵站設(shè)計(jì)為在設(shè)計(jì)流量下具有最大效率，低估了剩余流量。這些流量實(shí)際上是按需灌溉網(wǎng)絡(luò)中最常見(jiàn)的，能源成本的主要驅(qū)動(dòng)力是抽水。因此，在設(shè)計(jì)泵站時(shí)，不僅要考慮設(shè)計(jì)流量，還要考慮高峰時(shí)期管網(wǎng)主管道的低流量。

圖5 每種分析情況下泵站的能效

4.4 消耗的功率和能量

在泵站中，消耗的功率取決于流量、泵站的揚(yáng)程和泵送系統(tǒng)的效率。因此，需要考慮這些參數(shù)來(lái)確定泵送系統(tǒng)的最佳泵揚(yáng)程。當(dāng)分析抽水系統(tǒng)消耗的電力時(shí)，顯示了分析方案之間的主要差異，如圖6所示。對(duì)于高達(dá)80L/s的流量，消耗的功率與方案2和3非常相似，并且方案1所需功率更高.這是因?yàn)楸脫P(yáng)程比方案2和3的泵揚(yáng)程高大約10m。對(duì)于大于80L/s的流量，方案1和方案3的功耗達(dá)到最低值。這是因?yàn)閮煞N情況下泵揚(yáng)程相似，能量效率高。

圖6 每種分析情況下泵站消耗的功率

通過(guò)比較3個(gè)方案獲得了最高的節(jié)能效果，見(jiàn)表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，使用最佳泵揚(yáng)程，與固定壓力調(diào)節(jié)相比，可以獲得接近30%的平均節(jié)能。這與使用55m作為泵揚(yáng)程進(jìn)行固定壓力調(diào)節(jié)有關(guān)，這大約比方案2和3的泵揚(yáng)程高10%～15%。當(dāng)分析每個(gè)流量區(qū)間時(shí)，方案3相對(duì)于方案1的能量節(jié)省在43%(從0～20L/s的流量)和20%(從60～80L/s的流量)之間。關(guān)于方案2和方案3，對(duì)于大于80L/s的流量獲得了一定的節(jié)能效果。

表2 3種方案的節(jié)能比較

5 結(jié)論

本文提出一種計(jì)算泵站最佳水頭的方法，從而最小化功率和能量消耗。這種最佳調(diào)節(jié)方案通過(guò)測(cè)量泵的電氣和液壓參數(shù)確定泵系統(tǒng)的能量效率，借此獲得最小化能量消耗的揚(yáng)程，得出如下結(jié)果：

(1)當(dāng)泵揚(yáng)程也很低時(shí)，泵效率往往很低。因此，在大多數(shù)情況下，建議增加泵站的揚(yáng)程，以減少泵站消耗的功率。

(2)相比固定壓力調(diào)節(jié)，使用最佳泵揚(yáng)程獲得了30%的平均節(jié)能。在某些流量下，效率值的增加是通過(guò)在高效率區(qū)域運(yùn)行來(lái)補(bǔ)償揚(yáng)程的增加。

(3)使用可變泵揚(yáng)程作為泵送系統(tǒng)的調(diào)節(jié)策略是提高泵送系統(tǒng)能量效率的解決方案，使用固定壓力會(huì)增加泵送系統(tǒng)的能量消耗。