鹽環定揚黃灌區五泵站運行優化研究

孫天野，王忠靜，祝寶山

(1.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室&能源與動力工程系，北京 100084；2.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室&水利水電工程系，北京 100084)

1 研究背景

為優化水資源配置，解決區域水資源供需矛盾[1]，我國建設了大量調水工程[2-4]。泵站將水從低海拔地區輸送到高海拔地區，是大型調水工程的重要組成部分[5]。隨著經濟的發展，泵站的數量和規模越來越大，但泵站的運行能耗較大，降低了泵站和調水工程的綜合效益。因此，優化調度對提高運行效率具有重要意義[6]。國內外學者對泵站的優化進行了大量研究，Nitivattananon等[7]根據動態規劃法建立泵站運行優化模型，降低了泵站的運行成本；LINGIREDDY等[8]采用遺傳算法優化構建泵站運行能耗最低的模型；ABKENAR等[9]利用遺傳算法優化泵站各時段的流量、揚程、開停機等；劉家春[10]構建了單級泵站運行優化模型；周龍才等[11]以變速調節泵站為研究對象，建立了泵站多機組運行優化模型；鄢碧鵬等[12]采用神經網絡和遺傳算法，優化泵站運行；程吉林等[13]采用動態規劃法建立泵站日經濟優化運行模式；馮曉莉等[14]以泵站運行總成本最低為優化目標，提出了確定泵單元運行條件的定量方法；張榮軒等[15]建立了神經網絡模型，分析了串聯梯級泵站揚程優化分配；王彤等[16]以泵站運行總功率最低為目標，建立泵站運行效率遺傳算法模型；吳幫等[17]采用動態規劃方法和粒子組合算法模型，建立運行成本最低的優化模型；郗文軍[18]開展了基于優化調度的梯級泵站節能降耗分析研究；梁興[19]優化驗證調度周期內的運行成本；趙志鵬等[20]通過離散梯度逐步優化算法確定最佳搜索方向；陳立華等[21]將并行遺傳算法應用于雅龍江梯級水庫組優化調度；吳阮彬[22]改進了遺傳算法，建立供水基地泵站神經網絡模型；郭永靈等[23]采用動態規劃法提出單級泵站的日常經濟優化運行計劃；馮曉莉等[24]利用改進的狼群算法提供了泵站優化運行計劃。簡言之，國內外學者對于泵站的優化調度算法中，動態規劃法是最常用且有效的方法之一[25-26]。

在現有的研究基礎上，采用動態規劃算法對鹽環定梯級泵站五泵站進行優化控制，通過分析泵的運行特性和管道損失特性，建立泵站能耗優化數學模型。以泵站運行總能耗最低為目標函數，采用動態規劃法確定約束條件和遞推方程，MATLAB動態規劃程序求解模型，計算最佳啟動組合，降低泵站能耗，提高泵站運行效率，為泵站運行提供最佳決策，對降低泵站運行成本、提高泵站經濟效益具有一定的指導意義和應用價值[27]，而且對促進大型梯級供水工程的優化決策和科技創新具有較好的借鑒意義[28]。

2 鹽環定揚黃灌區五泵站概況

鹽環定五泵站位于吳忠市紅寺堡區太陽山鎮境內，屬陜甘寧鹽環定揚黃共用工程第五級泵站，設計流量10.68 m3/s，總揚程36 m，凈揚程31.45 m。1992年10月建成通水使用，2010年3月完成續建工程改造。2017年實施鹽環定揚黃共用工程更新改造項目建設，原址改建，2018年4月投運。泵站配備110千伏專用變電所一座，受電線路111坡惠Ⅰ線，主接線采用單母線接線方式，安裝2臺容量為6300 kVA的主變壓器。泵站裝備機組9臺(變頻機組2臺，異步機組7臺)，總裝機容量6900 kW，其中大機8臺，電機功率800 kW，采用自然通風冷卻方式，軸承采用潤滑脂潤滑，配套水泵流量為1.53 m3/s，小機1臺，電機功率500 kW，采用自然通風冷卻方式，軸承采用潤滑脂潤滑，配套水泵流量為0.96 m3/s。水泵軸承均采用機械密封方式。廠房機組錯開式布置，正向進水，直管淹沒式出水，出水壓力管道三排，單排管道DN1600，壓力管道長度均為1.13 km；干渠長度45.07 km。泵站管轄直開口1座，受水區設計灌溉面積3000畝，受益鄉鎮為吳忠市紅寺堡開發區太陽山鎮。

3 泵站運行優化

3.1 優化方法本文采用了動態規劃法，以陜甘寧鹽環定揚黃灌區五泵站為研究對象，以泵站運行總能耗最低作為目標函數，確定約束條件和遞推方程，編寫MATLAB動態規劃程序對模型求解，能夠計算出最優的開機組合。計算結果表明：采用動態規劃法，利用計算機語言，可以快速并準確地在滿足約束條件下所有的水泵開機組合型式中尋找出最優的開機組合，實現泵站的能耗減少，提高泵站的運行效率。建立的數學模型具有較強的實用性和通用性，可以為泵站的運行提供最優決策，對提高泵站的經濟效益具有一定指導意義和應用價值。

3.2 泵站技術參數五泵站的技術參數、站內各泵的流量揚程特性曲線和流量功率特性曲線等見表1和表2。計算步長中的變頻步長為5 Hz，流量步長為0.005 m3/s。

表1 五泵站主要技術參數Table 1 Main technical parameters of pump station five

表2 主水泵參數Table 2 Main technical parameters of main pump

3.3 水泵性能分析與曲線擬合對工頻泵和變頻泵進行了流量揚程性能曲線分析和流量功率性能曲線分析。圖1和圖2為工頻泵1、3—9流量揚程功率曲線圖，圖3和圖4為工頻泵2流量功率曲線圖。圖中：H為揚程，Q為流量，P為功率，η為效率，變頻泵為泵4和泵8。

圖1 工頻泵1，3—9流量揚程曲線圖Fig.1 Power frequency pump 1，3—9 flow head curve diagram

圖2 工頻泵1，3—9流量功率曲線圖Fig.2 Power frequency pump 1，3—9 flow power curve

圖3 工頻2泵流量揚程曲線圖Fig.3 Power frequency pump 2 flow head curve diagram

圖4 工頻泵2流量功率曲線圖Fig.4 Power frequency pump 2 flow power curve diagram

對泵站各水泵，包括工頻泵和變頻泵流量揚程性能曲線，以及流量功率曲線進行了擬合。擬合對比圖如圖5—圖8所示，其中紅色線為擬合線，圖5和圖6分別為工頻泵1，3—9流量對應揚程和功率的擬合曲線，圖7和圖8分別為工頻泵2流量對應揚程和功率的擬合曲線。擬合后流量-揚程、流量-功率公式見表3。R為水泵實際運行頻率與額定頻率的比值。

圖5 泵1，3—9流量揚程曲線擬合Fig.5 Pump 1，3—9 flow head curve fitting

圖6 泵1，3—9流量功率曲線擬合Fig.6 Pump 1，3—9 flow power curve fitting

圖7 泵2流量揚程曲線擬合Fig.7 Pump 2 flow head curve fitting

圖8 泵2流量功率曲線擬合Fig.8 Pump 2 flow power curve fitting

表3 泵性能曲線擬合參數表Table 3 Pump performance curve fitting parameter

3.4 泵站優化模型

3.4.1 目標函數和約束條件 單級泵站總能耗為兩子系統能耗之和[29]，目標函數為：

DP=min(F1(Qa)+F2(Qb))

(1)

約束條件為：

Q=Qa+Qb

(2)

(1)工頻泵對應流量下能耗優化模型

工頻泵系統為求解所有工頻泵的能耗模型，目標函數如式(3)所示：

(3)

約束條件為式(4)—式(7)：

(4)

qmin

(5)

Hf(Q)

(6)

X=0或1，i=1，2，…，n

(7)

式中：P為工頻泵的能耗；qmin為單泵最小過流量；qi為單泵的流量；qmax為單泵最大過流量；n為所有工頻泵數量；H(qi)為單泵揚程；1.2Hf(Q)為泵站過流量Q時對應的需要揚程；X為開機或關機，數值為1的時候為開機，0為關機。

(2)變頻泵對應流量下能耗優化模型

變頻泵子系統為求解所有變頻泵的能耗模型，目標函數為式(8)：

(8)

約束條件為式(9)—式(11)：

(9)

0.6qmin

(10)

Hf(Q)

(11)

3.4.2 流量約束和揚程約束 圖9和圖10分別為工頻泵和變頻泵流量和揚程約束，其中雙豎向紅線內為流量約束，雙橫向藍線為揚程約束。

圖9 工頻泵流量約束和揚程約束Fig.9 Flow constraint and head constraint of power frequency pump

圖10 變頻泵流量約束和揚程約束Fig.10 Flow constraint and head constraint of variable frequency pump

3.6 泵站優化前后對比如表4所示，優化前泵站水泵運行組合為工頻泵：泵2，泵3，泵5，泵6和泵7，流量分別為0.8 m3/s、1.69 m3/s、1.66 m3/s、1.62 m3/s和1.64 m3/s；變頻泵為泵8，流量為1.36 m3/s，頻率為48.36 Hz，總功率為3077 kW。優化后，泵站水泵運行組合為工頻泵：泵2、泵6、泵7和泵9，流量分別為1.04 m3/s、1.69 m3/s、1.69 m3/s和1.69 m3/s；變頻泵為泵4和泵8，流量為1.345 m3/s和1.31 m3/s，頻率分別為47.25 Hz和47 Hz，總功率為2955 kW，節省功率122 kW，功率節省率為3.96%。泵站按每天24小時運行計算，每個月節省總功率在87840 kW，節能效果顯著。

表4 優化算法結果對比Table 4 Optimization algorithm results comparison

4 結論

本文以鹽環定梯級泵站五泵站為研究對象，建立了站內優化調度模型，并采用動態規劃算法對模型進行求解，計算結果表明：泵站運行優化后，每天可節省功率122 kW，功率節省率為3.96%，每月節省總功率為87840 kW，因此泵站優化運行后節能效果顯著，也減少了運行費用，本文提出的模型和算法對確定泵站運行工況具有良好的應用前景。