李春桐

(天津三博水科技有限公司， 天津 300384)

2012年3月5日，国务院政府工作报告指出要扎实做好碳达峰、碳中和各项工作[1]。水企业通常是城市中的用电大户，供水系统中95%～98%的用电量用于维持水泵的运转[2]。目前大多数泵站运行采用人工经验调度，虽能满足正常供水需求，但是泵站能耗较大，并且水泵长期处于非高效段工作，不仅在泵站运行与水资源配置方面存在弊端，而且系统运行存在安全隐患[3]。近年来，国内外关于供水系统调度问题的研究着重水厂二级泵站的优化运行，对位于管网内部的三级泵站的优化运行研究较少。但三级泵站运行电耗在供水成本中同样占有较大比重。因此，在已有研究的基础上，运用水力模型优化泵站出口流量与压力进行供水系统的一级优化，对泵站内部的水泵组合与变速泵调频应用智能算法进行计算，对整个泵站系统进行两级优化，以期降低泵站的运行能耗，使泵站保持优化节能运行。

1 利用水力模型优化泵站出口压力

1.1 研究概况

某地三级泵站日供水量约为2.1×104m3，分别由1#泵、2#泵和3#泵联合供水，其中1#泵和3#泵为变速泵，泵站供水方式为叠压与变频恒压方式联合供水。泵站运行依靠传统人工经验的运行管理模式，调度人员往往通过水泵使用情况和运行数据制定调度方案，最终确定不同时段水泵的启闭和变频泵的调速比。这种管理模式基本能满足供水需求，但是缺乏灵活性和科学性，泵站运行能耗大。2020年7月至2021年7月，该泵站总供水量约为783×104m3，水泵总耗电量约为37×104kW·h，千吨水耗电量为47.434 kW·h，泵站运行能耗较大。统计2021年5月31日至6月6日泵站每小时出口流量变动情况，如图1所示。

图1 一周内三级泵站出口流量分布

由图1可知，可根据三级泵站出口流量大致划分为4个时段：23：00—5：00，6:00—10:00，11:00—17:00，18:00—22:00。但是由于泵站为叠压供水，且出口压力恒定在31.0 mH2O左右，在夜间以及凌晨供水流量较小时存在部分富裕压力，造成了不必要的能量浪费。因此，利用水力模型与水泵特性曲线对夜间至凌晨压力进行优化，降低泵站出口压力，从而减少能量的浪费和管网水量的漏失。

1.2 利用水力模型优化泵站出口压力

对该三级泵站供水区域进行水力建模分析，模拟在泵站任意出口流量与压力下供水系统的运行工况，借助最不利点压力反算得出泵站出口最佳压力，对泵站进行一级优化调度。该三级泵站供水区域水力模型如图2所示。

图2 三级泵站供水区域水力模型示意

以2021年6月6日的泵站运行工况为例，结合水力模型对泵站出口压力进行优化。当泵站出口压力为31.33 mH2O时，以泵站供水区域最不利点工况为决策依据，利用水力模型计算得出最不利点在夜间时段平均压力为28.81 mH2O，建筑超出正常6层建筑楼用水需求。利用水力模型进行优化，当最不利点水压达到28 mH2O时，泵站出口压力需要30.11 mH2O，较优化前降低约1.2 mH2O。因此以最不利点所需最小压力为约束，结合泵站每小时出口流量变动规律，利用水力模型模拟计算得出泵站每小时出口压力，结果如图3所示。

图3 最不利点优化前后压力对比分析

在保证最不利点正常用水的前提下，通过水力模型计算得出凌晨时段泵站出口压力从31.33 mH2O减小至30.11 mH2O，降低了1.22 mH2O。

2 利用遗传算法求解泵站二级优化调度

2.1 建立优化模型

2.1.1目标函数

二级优化调度是在完成供水系统一级优化的前提下，优化泵站内部的水泵组合与调速比，使其能耗最低[4]。目标函数为：

(1)

式中m为定速泵数量；n为调速泵数量；wi和wj分别为定速泵与调速泵的开停情况，1表示水泵开启，0表示水泵关闭；Ni和Nj分别为定速泵与调速泵的功率，kW。

2.1.2优化调度的约束条件

泵站出口压力约束：

Hp=H1=H2=H3=…=Hn

(2)

由于泵组是多水泵并联运行，在一个泵站内每台开启水泵的供水压力等于泵站出口压力，等于供水管网系统的目标压力。

总流量约束：

(3)

泵站中开启水泵的总流量之和等于供水管网系统中的目标流量。

调速泵调速比约束：

Sjmin≤Sj<1

(4)

调速泵的调速比不可大于1，调速比下降到一定程度会影响水泵的正常出水，因此下限一般设为0.5。开启水泵流量约束：

Qmin≤Qi

(5)

2.2 求解优化模型

利用最小二乘法求解得出泵站3台水泵特性曲线，具体参数如表1所示。

表1 水泵特性曲线系数计算结果

根据水泵特性曲线，应用遗传算法求解泵站内部的调度方案。由于泵站采用叠压供水与变频恒压组合的供水方式，泵站全天供水压力恒定，但是通过水力模型计算得出在凌晨时段泵站供水压力为30.11 mH2O。结合此时上游管网压力为17.30 mH2O，得出此时泵站出口压力为12.81 mH2O，出口流量监测值为791 m3/h。

应用遗传算法进行模型求解，由于泵站建设考虑远期发展，因此开启1台调速泵即可满足供水需求。优化前后均开启1#调速泵，对于水泵调速比进行优化，得出优化调速比为0.71，优化前后水泵的运行效率如图4和图5所示。

图4 优化前的水泵流量-效率曲线

图5 优化后的水泵流量-效率曲线

由计算结果分析可知，水泵功率为40.9 kW，计算在第一时段6 h内耗电量为245.4 kW·h，而实际监测电量为259 kW·h，节约了13.6 kW·h，节能率约为5.25%。水泵运行效率由81.3%升高至88.5%，节能效果较为明显。

3 结论

利用水力模型与智能算法指导某地区三级泵站进行两级优化调度，得出泵站在叠压供水条件下凌晨时段的优化调度方案。

① 利用水力模型模拟与最不利点压力约束对供水系统进行一级优化，优化泵站出口压力，泵站出口压力降低了1.22 mH2O。

② 在一级优化的前提下，以泵站运行能耗为目标函数，以泵站出口流量压力为约束条件，利用遗传算法求解二级优化模型，得出优化运行调速比。

通过与实际方案对比，水泵运行效率提高了7.2%，节能率为5.25%，达到了优化运行的目的。