王 彤，涂 杰，付 浩，赵 明，吴芬芬，丁 祥，刘文睿，石存杰

(1.长安大学 环境科学与工程学院，西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054；3.长安大学 建筑工程学院，西安 710061；4.中化二建集团有限公司，太原 030021；5 天津三博水科技有限公司，天津 300070)

水厂的取水泵、配水泵是水厂生产过程中耗电量大的主要设备，但是由于水泵的运行工况点偏离水泵特性曲线的高效区，使水泵机组低效运行，造成巨大的能源浪费。尽管近年来水资源费、人工费增长幅度较大，但大多数供水企业的平均耗电量占供水企业制水成本的40%以上，而主要用电消耗在水泵机组的运行中[1]。但由于市政基础设施建设具有超前性，一般对区域的用水规模预测偏大，同时在水泵选型中，一般按最高日最高时流量条件选择，扬程留有余度[2]，而在实际运行中，泵站的流量和扬程在绝大部分时间里远低于所设计的流量和扬程[3]。因此实行节能、节电、降耗是一个紧迫的任务。这对供水行业优质供水，提高企业经济效益，降低生产成本，具有非常现实和深远的意义。但大部分供水企业在优化调度时，采用的是人工调度的方法，即凭经验进行水泵的调节，这样会影响供水范围内用户水压和水量[4]。

利用水力模拟软件，建立供水管网水力模型，可以模拟供水区域各节点负荷情况，为供水企业进行供水调度提供供水区域内各点工况，分析出泵站最优的出厂压力。故以北方某市清源泵站为例，研究供水管网水力模型在泵站优化调度中的应用。

1 技术原理

1.1 泵站节能原理

泵站的供水单耗表达式如下：

(1)

式中：第一部分代表泵站所能实现的最小供水单耗，记为Wmin；第二部分代表当前工况下，泵站存在的节电潜力，记为ΔW。在ΔW中，前面是由于泵站运行效率η(Q，H)偏离最高效率ηmax(Q，H)形成效率偏差Δη(Q，H)，而造成的电能浪费；后面是由于泵站运行存在富裕扬程ΔH(Q，t)而造成的电能浪费[5]。故通过调节水泵出站压力，使其在高效区运行，降低效率偏差Δη(Q，H)，达到节能降耗的目的。

但调压对泵站供水范围内的用户有一定影响，所以利用水力模型软件建立和校核完成北方某市城市管网水力模型优化泵组，模拟获取泵站供水区域内各节点的负荷，确定供水泵站中水泵最优的控制工况的时候，应在保证用户水量水压的前提下, 达到优化调度，节能降耗的目的。

1.2 利用水力模型优化原理

利用WaterGEMS水力模拟软件，通过遗传算法进行优化，可对水泵进行长时间模拟(EPS)，以寻找最有效的优化方案。

水泵优化的目标是降低效率偏差Δη(Q，H)，通过式(1)可知，调节水泵的扬程H，可改变Δη(Q，H)，故设适应度函数(fitness)为：

(2)

在水泵优化时，需考虑最不利点、主干管、历史爆管检修记录较多的位置、现有管网中的压力监测点不能完全覆盖监控范围、供水分界线、地势高程变化较大的地方及敏感地区的压力与水量是否可以达到满足。因此将约束条件可设定为选取的临时压力监测点压力应介于最大与最小压力之间，且供水水量不应低于低峰时最小需水量[6]：

Pmin

(3)

Q>Qmin

(4)

在不改变现状设施和条件的基础上，选取临时压力监测点作为控制水泵参数变化的依据，然后制定具体优化调度方案；同时，应满足用户需水量和压力的要求。使水泵在特性曲线的高效区工作，均衡管网的压力，降低富裕水头。

2 数据收集

2.1 加压泵站基础资料

清源加压泵站位于某市南部偏东，在该市经十一路凤凰山风景区山脚，地势较高。属于半地下式泵站结构，由泵房、低配间、高配间、中控室、清水池、加氯间、办公室组成，清水池容量3 000 m3，为地下式，上面遮以覆土及植被，位于泵房南侧，清水池地面绝对高程为67.15 m。其地形影像及泵房布局如图1所示。

图1 清源加压泵站及泵房Fig.1 Qingyuan pressurized pump station and pump room

该加压站共有4台水泵。其中1、2号水泵抽取清水池水进行加压，3、4号水泵直抽管道进行加压，清源水厂供水能力为4 万t/d，泵型号参数如表1所示。

表1 水泵性能参数Tab.1 Pump performance parameters

由水泵性能参数和实际调研可知，1,2号泵的实际扬程在78 m，效率只有60%，3,4号泵的实际扬程在35 m，效率只有28%。

2.2 泵站运行调研

为了解厂站调度运营模式，2017年1-2月，在集团调度中心、东区调度中心和清源加压泵站进行调研。同时，收集进厂压力、出站压力、清水池水位、出站流量和耗电量，作为后期节能工作对比数据。经过多日的调研工作，总结出关于清源加压泵站供水几点注意事项。

(1)在线压力监测点环山路是二次供水加压前的进厂压力，进厂压力不能低于10 m，否则加压设备无法启动。

(2)经十路花园地势较高，管网压力不得低于25 m。

(3)清源加压站内由于电容容量限制，1、2号泵不能同时工作，3、4号泵不能同时工作。

3 技术方案

3.1 节能方案试运行

根据前期调研的工作和北方某市自来水公司提供的大量基础资料，利用WaterGEMS水力模拟软件，建立水力模型。结合水力模型优化节能原理，在清源加压泵站进行为期12 h的节能降耗工作。根据2月3日节能期间管网测压点监测数据进一步校核清源加压泵站供水区域模型精度。表2为试节能工作期间厂站运营及管网压力监测点数据。由表2可得，水力模型模拟压力和监测数据对比，邦泰绿苑和环山路测压点精度误差在±1 m以内。竹园馨居精度误差较大，需要重新校核模型。

表2 试节能工作期间运营及管网压力监测点数据Tab.2 Data of operation and pipe network pressure monitoring point during trial energy saving work

模型重新校核后，满足了精度要求，水力模型可以投入使用。表3为2017年2月2日(未采用节能措施)与2017年2月3日(试运行测试阶段)厂站运营数据对比。

表3 2017年2月2日与2017年2月3日厂站运营数据对比Tab.3 Comparison of operation data of factory stationson February 2, 2017 and February 3, 2017

由表3可得，2017年 2月3日较2017年2月2日千吨水电耗降低1.36%。验证了水力模型理论的可行性，为下一步厂站节能降耗方案的实施提供依据。

3.2 厂站节能降耗方案实施

利用建立和校核完成的北方某市城市管网水力模型，在保障最低供水量(大于700 m3/h)的范围内，约束条件为主干管(环山路压力监测点)和泵站供水范围内的最不利点(竹园馨居压力监测点)大于规定的压力(14m)，利用遗传算法，模拟分析最优的泵站出站压力，在迭代1 000 次之后，优化的泵站出站压力最大为68 m，最小为60 m，如图2所示。

图2 水力模型模拟的泵站最优出站压力Fig.2 The optimal outbound pressure of the pump station simulated by the hydraulic model

由于供水管网优化调度首先是保证用户对水量、水压和水质的要求，其次才是尽可能高地追求管网运行的经济效益。在供水高峰时段水泵运行已达较高负荷，降低压力不利于高峰时段的供水安全保障。

故按高峰低峰时段分时段实施节能，即高峰用水时段不实施节能工作，低峰用水时段实施节能工作。0∶00-6∶00左右利用管网直抽加压，出站压力设为60 m，开1台变频水泵；6∶30-24∶00利用清水池和管网直抽两种加压方式同时工作，开2台变频水泵。高峰用水时段出站压力按厂站原有调度方式设68 m，低峰用水时段保证控制点压力控制在15 m左右，具体方案如表4所示。

以上方案实施过程中，会根据实际供水情况作相应的调度，如节假日用水高峰时间与工作日不一样。工作人员向集团申请在清源加压泵站进行为期15 d，每天24 h的节能降耗工作，具体时间为2017年3月9日凌晨0∶00至2017年3月24日凌晨0∶00。节能工作期间每日供水量和千吨水耗电如表5所示。

表4 节能实施的优化方案Tab.4 Energy-saving implementation of the optimization program

注：控制点为主干管环山路压力监测点处和最不利点竹园馨居压力监测点处。

表5 节能工作期间每日供水量与千吨水耗电Tab.5 Daily water supply and energy consumption perkiloton of water during energy saving work

4 数据分析

4.1 节能效果分析

由于清源泵站于2016年10月份水泵改造完成，所以为便于比较节能实施的成果，将2016年11月-2017年3月8日的运营数据作为对比。收集整理2016年11月-2017年3月8日运营数据，如图3所示。

图3 出厂数据统计Fig.3 Factory Statistics

节能前后千吨水耗电对比如表6所示。

由表6可得节能期间平均千吨水耗电较2016年11月降低5.10%，较2016年12月降低3.73%，较2017年1月降低 4.92%，较2017年2月降低7.26%，较2017年3月降低4.86%。节能期间，设计的优化调度方案比原来的经验法优化调度可降低5.2%的能耗，节能降耗优势明显。

千吨水耗电公式：

W=(I/Q)×1 000 (5)

表6 节能前后千吨水耗电对比Tab.6 Energy consumption before and afterthe tons of water contrast

式中：W为千吨水耗电，kWh/km3；I为电量，kWh；Q为流量，m3。

节能效益公式：

E=ΔW×24×365q

(6)

式中：E为节能效益，元/(km3·a)；ΔW为通过技术改造千吨水耗电的降低值；q为电价，元/kWh。

基本电价按0.68 元/kWh计算，与2015年比较节能效益为187 226.20 元/(km3·a)；与2016年比较节能效益为137 486.92 元/(km3·a)。

4.2 不同工况下节能降耗分析

以周一与周日两种不同供水工况为例(工作日与周末)，采用节能期间与节能前出站压力、供水量、千吨水耗电、管网最不利点压力监测进行对比，如图4～图7所示。

图4 节能前后出站压力对比Fig.4 Energy saving before and after the outbound pressure contrast

图5 节能前后日供水量对比Fig.5 Comparison of water supply before and after energy saving

图6 节能前后厂站千吨水耗电对比Fig.6 Before and after energy saving plant tons of water power consumption contrast

图7 节能前后最不利点压力监测对比Fig.7 Comparison of the most unfavorable point pressure monitoring before and after energy saving

由图分析可得，节能期间与节能前相比，厂站日供水量基本不变，在降低出厂压力的情况下，最不利压力监测点的数值有所下降，但仍能满足节能降耗方案的约束条件。在上述情况下，厂站千吨水耗电量有所下降，节能降耗的成果较好。

5 结 语

(1)节能工作取得的成果：节能期间平均千吨水耗电较2016年11月降低5.10%，较2016年12月降低3.73%，较2017年1月降低 4.92%，较2017年2月降低7.26%，较2017年3月降低4.86%。节能期间，设计的优化调度方案比原来的经验法优化调度可降低5.2%的能耗，节能降耗优势明显。

(2)节能工作取得的节能效益：基本电价按0.68 元/kWh计算，与2015年比较节能效益为187 226.20 元/(km3·a)；与2016年比较节能效益为137 486.92 元/(km3·a)。

(3)节能期间与节能前相比，厂站日供水量基本不变，在降低出厂压力的情况下，压力监测点的数值有所下降，但仍能满足节能降耗方案的约束条件。在上述情况下，厂站耗电量和千吨水耗电量都有所下降，节能降耗的成果较好。

(4)利用水力模型分析模拟为实施节能降耗工作提供理论性依据，提供可行较高，最优的节能方案。