水利泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行淺議

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［摘要］泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行是指選擇泵的類型、容量和機(jī)組數(shù)量，以及對泵的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度，從而在給定的一組需求曲線下實(shí)現(xiàn)最小的設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本。泵站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于一些重要的參數(shù)，如泵的容量、機(jī)組數(shù)量、泵的類型和土建工程。優(yōu)化過程主要由3個(gè)步驟組成:①確定最低年能耗;②所有泵站機(jī)組的總成本最小化;③在可行的泵站組中選擇成本最低的一組，識別引用標(biāo)準(zhǔn)的組合。為此，提出一種基于求解大規(guī)模非線性規(guī)劃問題的泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行方法，計(jì)算分析基于一個(gè)主要目標(biāo)函數(shù)和一個(gè)計(jì)算機(jī)程序。將該模型應(yīng)用于淮河流域沂河水系攔河壩工程項(xiàng)目，可節(jié)約泵站年度總成本的25%左右。

［關(guān)鍵詞］泵站;優(yōu)化設(shè)計(jì);優(yōu)化運(yùn)行;節(jié)約成本

1概述

灌區(qū)泵站運(yùn)行所需的能量很大，建立一個(gè)新泵站所需的大量成本和不斷增加的能源成本使研究人員更加關(guān)注泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行［1］。提高泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行效率的嘗試不斷增加［2］，這些嘗試主要集中在3個(gè)方面:①高效的泵組合;②高效的泵調(diào)度和運(yùn)行;③泵的選擇。泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行是一個(gè)大規(guī)模非線性規(guī)劃問題［3］。其目的是在一個(gè)規(guī)劃范圍內(nèi)，根據(jù)一組限制條件，將年度設(shè)計(jì)和運(yùn)營成本降至最低。這些限制條件包括水力特性、決策變量、反映操作員偏好或系統(tǒng)限制的約束條件［4］。遺傳算法近年來廣泛應(yīng)用于供水泵系統(tǒng)的優(yōu)化。王彤等［5］使用遺傳算法優(yōu)化水泵調(diào)度系統(tǒng)，可在24h內(nèi)最小化抽水成本。多數(shù)研究僅限于給定或定義系統(tǒng)的運(yùn)行階段，而本文的主要目的是通過優(yōu)化方法將設(shè)計(jì)階段與運(yùn)行計(jì)劃相結(jié)合。

2計(jì)算方法

最小化年度總成本(ATC)對于所有子系統(tǒng)，其目標(biāo)函數(shù)可以表示為:Min(ATC)=∑ni=1CEF·Ci+CEEk(1)其中:CE和Ci分別為單位能源成本和機(jī)器成本;CEF為資本回收系數(shù)。對于年度成本評估，應(yīng)考慮一些因素，如項(xiàng)目的使用壽命、利率、資本成本和折舊率。最小消耗能量EK表示為:EK=ρg∑mj=1∑ni=1Qi，jHi，j(IQi)ei，j(Hi，j，Qi，j)Δtj(2)其中:EK為每年消耗的能源總量;Qi，j為在時(shí)段j從泵i排出的能量;Hi，j為泵i在時(shí)段j的水泵壓頭;ei，j為泵i在時(shí)段j的效率;Δtj為需求－持續(xù)時(shí)間曲線上的時(shí)間步長;IQi為時(shí)間步長j的總能量需求;ρ為水的密度;g為重力加速度。需要注意的是，泵效率是泵排量和泵壓頭的函數(shù)，與總排量有關(guān)。泵效率定義為排水量的函數(shù):ei(Qi)=aiQ2i+bi(Qi)+ci(3)其中:ai、bi和ci為t時(shí)刻泵的性能曲線。

3實(shí)例應(yīng)用

本文以淮河流域沂河水系攔河壩工程為背景，分析其最優(yōu)組合，抽水泵站按照流量分為4種類型，分別為30、35、40和45m3/h。圖1展示了需求－持續(xù)時(shí)間曲線及其離散化方案，該曲線必須由主泵站泵送，灌溉期間的全部需求必須通過設(shè)計(jì)的泵站來滿足。泵站現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，只選擇了3種不同的預(yù)設(shè)，僅通過這3種預(yù)設(shè)結(jié)果的比較來限制成本分析。表1列出了這些預(yù)設(shè)在實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化模型選擇的最佳設(shè)置中的規(guī)格。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇的最終設(shè)置是第一個(gè)預(yù)設(shè)。它由16個(gè)3型泵組成，除了其他預(yù)設(shè)之外，便于操作且年成本最低。由優(yōu)化模型選擇的最佳機(jī)組由10臺不同類型的泵組成:3臺1型泵、4臺2型泵和3臺4型泵。通過使用多種泵類型，泵站操作的靈活性增加，并且系統(tǒng)可以找到更合適的泵類型來更接近最佳操作。4種不同類型泵的規(guī)格和特性見表2和表3。效率－排量曲線系數(shù)由式(3)計(jì)算得出，結(jié)果見表4，可用于實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。表5列出了優(yōu)化模型的結(jié)果，并與實(shí)際設(shè)計(jì)的3個(gè)預(yù)設(shè)進(jìn)行比較。優(yōu)化模型的主要目的是最小化可行方案的年度總成本，該成本由年度折舊成本和年度運(yùn)營成本組成。在表5可知，最佳設(shè)置和預(yù)設(shè)之間的年折舊成本節(jié)省并不顯著。而主要的節(jié)約發(fā)生在年度運(yùn)營成本上，大約可節(jié)約32%的能源成本。通過使用該優(yōu)化模型，初始投資的年運(yùn)營成本和年折舊成本降低了約25%。該模型能夠根據(jù)年成本對所有可行機(jī)組進(jìn)行分類，然后根據(jù)最佳年凈成本以及可行機(jī)組中泵的數(shù)量、類型提供最佳經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)表。表6列出了10個(gè)最佳選擇方案。在優(yōu)化過程的最后，計(jì)算得到最佳流量需求分配表，見表7。通過精確地查看時(shí)間安排表，在每個(gè)灌溉期主動(dòng)分配泵的總需求流量。換句話說，在每個(gè)灌溉期，每個(gè)泵要么關(guān)閉，要么與其他具有相同類型泵中的運(yùn)行泵有相同的流量。在方案初步運(yùn)行后，舊泵的最佳排量大于泵的最大允許排量的一半。相對排量結(jié)果見表8，即泵的最佳排量與泵的最大允許排量之比均大于0.5。

4結(jié)語

泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行是一個(gè)大規(guī)模非線性規(guī)劃問題。在規(guī)定的規(guī)劃范圍內(nèi)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是將年度設(shè)計(jì)和運(yùn)營總成本降至最低。研究結(jié)果表明，采用該模型可以顯著降低年總成本，成本降低的主要原因是通過采用更好的操作規(guī)則來節(jié)省能源。未來有望將開發(fā)最佳操作規(guī)則與最佳設(shè)計(jì)模型聯(lián)系起來。

［參考文獻(xiàn)］

［1］李思聰，王慶龍，余暢舟，等.污水提升泵站運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018，24(13):89－90.

［2］張玉勝，吳建華，李雪轉(zhuǎn)，等.夾馬口取水泵站節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．人民黃河，2016，38(7):142－145.

［3］薛臘梅，唐智新.海水取水泵站取水泵運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［J］．冶金動(dòng)力，2020(2):56－58.

［4］王升，孫浩.城鎮(zhèn)中小型污水泵站的設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行管理［J］．四川水泥，2019(5):106.

［5］王彤，李春桐，劉文睿.基于遺傳算法的地表水取水泵站優(yōu)化調(diào)度［J］．水電能源科學(xué)，2020，38(6):89－91，107.

作者:葛慶斌 單位:費(fèi)縣水利局