大型泵站運行優(yōu)化節(jié)能效果分析

大型泵站運行優(yōu)化節(jié)能效果分析

0基于非線性規(guī)劃法的系統(tǒng)運行優(yōu)化大型收水站工程在防洪、排水、給排水、城市給排水和污水方面發(fā)揮著重要作用。確保人民生命財產(chǎn)安全，促進經(jīng)濟發(fā)展，改善人民生活，建設生態(tài)環(huán)境。中國已建成排灌泵站工程55萬余座,機電排灌動力保有量8000多萬kW。尤其對于梯級泵站,其工程設施、設備多,工程裝機容量大,運行時間長,能源消耗大,運行費用高;同時,各級泵站之間有著密切的水力聯(lián)系,各站的流量、水位相互影響,制約整個梯級泵站系統(tǒng)的運行。目前,中國大部分泵站未實現(xiàn)優(yōu)化運行,能源浪費嚴重。關于泵站優(yōu)化運行,國內(nèi)外已有不少研究,主要側(cè)重于優(yōu)化方法的研究。VieiraF等采用線性規(guī)劃算法求解供水系統(tǒng)能源效率的優(yōu)化模型。Theocharisa等以管道費用和水泵抽水費用之和最小為目標,采用簡化非線性規(guī)劃方法研究了灌溉系統(tǒng)的運行優(yōu)化問題。StadenAJV和張禮華等采用整數(shù)規(guī)劃法研究了泵站運行優(yōu)化控制策略。周龍才建立動態(tài)規(guī)劃模型,求解確定了各級變頻泵站的最優(yōu)揚程分配;建立非線性規(guī)劃模型,確定了站內(nèi)各機組最優(yōu)轉(zhuǎn)速。程吉林、龔懿等采用動態(tài)規(guī)劃法研究了泵站葉片可調(diào)機組運行優(yōu)化問題。專祥濤采用改進動態(tài)規(guī)劃算法研究了雙泵控制下的最優(yōu)啟?？刂菩蛄泻蛢?yōu)化方案。任道遠在保證安全輸水前提下,研究了基于動態(tài)規(guī)劃的調(diào)節(jié)池-潛水泵群最優(yōu)運行協(xié)調(diào)控制模型、基于非線性混整規(guī)劃的加壓泵站群最優(yōu)運行協(xié)調(diào)控制模型、基于復合系統(tǒng)三級遞階優(yōu)化算法的泵站群最優(yōu)運行的協(xié)調(diào)控制模型,并進行了經(jīng)濟分析。XiaoZH等建立了泵站總提水量時段優(yōu)化模型,采用動態(tài)規(guī)劃法確定了電動機最優(yōu)轉(zhuǎn)速與水泵最優(yōu)葉片角。文獻[11-14]采用遺傳算法求解了泵站運行優(yōu)化調(diào)度模型,優(yōu)化效果較為顯著。馮曉莉等采用遺傳算法研究了南水北調(diào)東線高港泵站、寶應泵站以及一期源頭工程的優(yōu)化運行,優(yōu)化效果較為顯著。鄢碧鵬等應用混沌算法求解了供水泵站的變速優(yōu)化運行問題,獲得了較好的計算精度和較高的可靠性。RobertsAJ和OstfeldA等應用蟻群算法研究了供水系統(tǒng)的優(yōu)化設計與運行。馮曉莉等采用遺傳算法、基本粒子群算法與模擬退火粒子群算法求解單座泵站系統(tǒng)優(yōu)化運行問題,結(jié)果表明,模擬退火粒子群算法求解速度較快,求解精度較高。István等采用中性進化搜索方法求解確定了輸配水系統(tǒng)中水泵運行優(yōu)化方案。Jack等采用過程能量優(yōu)化方法分析了水泵節(jié)能運行管理,獲得了30%的節(jié)能潛力。ZhaoTianyi等研究了基于極值分析的中央空調(diào)系統(tǒng)中并聯(lián)變頻液壓泵在線優(yōu)化控制方法,優(yōu)化結(jié)果較單泵運行方案和雙泵運行方案分別節(jié)約電費15.8%和4%。本文將綜合考慮多方面因素,分析泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化研究范圍,建立基于不同優(yōu)化范圍與影響因素的優(yōu)化模型,并對典型泵站系統(tǒng)不同優(yōu)化范圍進行優(yōu)化計算和比較分析。提出大型泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化建模時應綜合考慮輸變電、泵站和河道輸水三方面能量損失。結(jié)果對于掌握大型泵站系統(tǒng)能耗與節(jié)能潛力,實現(xiàn)全泵站系統(tǒng)優(yōu)化運行,節(jié)省泵站運行成本,具有重要意義。1按水泵流量控制的能量損失,可將其分為7個環(huán)節(jié)和一個提供能量的地方,一個是第一大環(huán)節(jié)所大型泵站運行優(yōu)化研究范圍逐步擴大,從研究水泵、水泵裝置經(jīng)濟運行逐漸發(fā)展到研究單一泵站、并聯(lián)泵站群以及梯級泵站的優(yōu)化運行。優(yōu)化目標主要側(cè)重于效率及費用問題。起初只要求水泵效率高,但泵裝置效率并不高。后來逐漸發(fā)展為以泵裝置效率及泵站效率最高為目標。事實上,大型泵站要完成從水源地向目的地提水調(diào)水的任務,需要輸變電設施、泵站和輸水設施協(xié)同工作,三者分別負責電力輸送、能量轉(zhuǎn)換和水體輸送。這3個環(huán)節(jié)發(fā)揮功能的同時不可避免地要造成能量損失。電能從區(qū)域中心變電所經(jīng)專用高壓輸電線路進入泵站主變壓器,再沿供電電纜向泵站主電動機及輔助設備等站用電設備供電。泵站系統(tǒng)總輸入功率除一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫南到y(tǒng)有效功率外,還有相當一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩旊姄p耗、變壓器損耗、變頻裝置能量損失、電動機能量損失、傳動機構能量損失、主水泵能量損失、進出水流道能量損失、前池和出水池能量損失、站用電能耗(包括站用變壓器損耗和輔助設備能耗)和輸水河道能量損失。作者對江蘇省內(nèi)幾座典型泵站系統(tǒng)的能耗進行了初步計算與分析,結(jié)果表明,輸變電能量損失和輔助設備能耗約占整個泵站系統(tǒng)輸入功率的2%~6%,水泵系統(tǒng)(包括輸變電設施、泵裝置、傳動裝置、電動機和輔助設備)效率最高點偏離于泵裝置效率最高點,系統(tǒng)還具有節(jié)能的潛力與空間。目前,在研究泵站運行優(yōu)化問題時,僅僅將泵站主機組(包括泵裝置、傳動裝置和電動機)作為研究對象,或者即使考慮了其他部分設備(或設施)的能量損失,也只是僅作估算,未對其進行詳細計算。因此,大型泵站運行優(yōu)化應以整個系統(tǒng)為研究對象,綜合考慮輸變電、泵站和輸水等三方面能量損失。2優(yōu)化模型2.1按水泵效率最高為優(yōu)化目標的泵裝置效率計算對于單臺機組,主要針對泵站揚程變化,通過調(diào)節(jié)葉片角度或水泵轉(zhuǎn)速,使泵裝置效率最高,但要考慮到機組的安全運行范圍。通過調(diào)節(jié)機組開機臺數(shù),滿足抽水流量的要求。對于具有葉片調(diào)節(jié)功能的軸流泵和導葉式混流泵,為實現(xiàn)單臺機組經(jīng)濟運行,以泵裝置效率最高為優(yōu)化目標。在裝置揚程一定的情況下,將泵裝置效率擬合成葉片角度的函數(shù),即式中,ηz為泵裝置效率;ηp為水泵效率;ηpi為進出水流道效率;β為葉片角度,(°)。將式(1)對β求導,可得泵裝置效率最高時的最優(yōu)葉片角βopt。對于具有變速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的泵裝置,在裝置揚程一定的情況下,以泵裝置效率最高為優(yōu)化目標,泵裝置效率可表達成轉(zhuǎn)速的函數(shù),即式中,a、b、c、d為水泵效率曲線方程的參數(shù);Q為水泵運行工況點流量,m3/s,可根據(jù)水泵流量~揚程曲線方程與需要揚程曲線方程聯(lián)立求得;n0為額定轉(zhuǎn)速,r/min;n為轉(zhuǎn)速,r/min;Hz為泵裝置揚程,m;S為流道阻力系數(shù),s2/m5;其他符號含義同上。將式(2)對轉(zhuǎn)速n求導,并令其等于0,可得泵裝置效率最高時的最優(yōu)轉(zhuǎn)速nopt。2.2按水泵流量為及其設計目標函數(shù)的工業(yè)模式對于單座泵站,主要針對總抽水流量要求,確定開機類型、臺數(shù)與機組運行工況。如果用戶要求的是某時間段內(nèi)的抽水總量,則需對泵站在該時間內(nèi)不同時段的抽水流量大小進行優(yōu)化。對于多座并聯(lián)泵站群,還需考慮起用哪些泵站。如果實行分時電價,則問題會更加復雜。1)在抽水流量和裝置揚程一定的情況下,若以泵站主機組運行電費最少為優(yōu)化目標,其目標函數(shù)可表達為同時需滿足單機流量約束、裝機臺數(shù)約束、總抽水流量約束,即式中,F為電費,元;i表示第i種型號機組;I表示機組總型號數(shù);ρ為水的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;Qi為第i種型號機組單機流量,m3/s;Hz為泵裝置揚程,m;ni為第i種型號機組開機臺數(shù);ηzi為第i種型號泵裝置效率;ηdri為第i種型號機組傳動效率;ηmoti為第i種型號機組電動機效率;t為運行時間,h;p為電價,元/(kW·h);Qi,min,Qi,max分別為第i種型號機組所允許的最小、最大單機流量,m3/s;M為裝機臺數(shù);Qz為總抽水流量,m3/s。2)在抽水總量(體積)一定的情況下,若以泵站主機組運行電費最少為優(yōu)化目標,考慮揚程變化和分時電價,其目標函數(shù)可表達為同時需滿足單機流量約束、泵裝置揚程約束、裝機臺數(shù)約束、抽水總量的約束,即式中,j為時段序號;J為時段數(shù);Hzj,min、Hzj,max分別為第j時段所允許的最小、最大裝置揚程,m;Vz為總抽水體積,m3;其他符號含義同式(3)、(4)。3)在抽水總量(體積)一定的情況下,考慮輔助設備和輸變電設施等,以整個泵站系統(tǒng)總運行電費最少為準則,考慮揚程變化和分時電價,其目標函數(shù)可表達為約束條件同式(6)。式中,Pzn為站用電能耗,kW;ΔPtel為主變壓器低壓側(cè)輸電損耗,kW;ΔPb為主變壓器損耗,kW;ΔPteh為主變壓器高壓側(cè)輸電損耗,kW;k為主變壓器序號;K為主變壓器臺數(shù);其他符號意義同上。2.3目標函數(shù)的表示對于梯級泵站,需考慮上下級泵站之間的揚程和流量的優(yōu)化配合、不同輸水線路的流量分配、河道輸水長度、輸水水量損失和水頭損失、不同泵站機組的流量、效率特性等因素。在水源水位、調(diào)水目的地水位及流量一定的情況下,若以梯級泵站系統(tǒng)總電費最低為目標,其目標函數(shù)可表達為約束條件:水源水位zs、調(diào)水目的地水位ze及流量Qe約束,各泵站最高、最低揚程約束,泵站單機流量及開機臺數(shù)約束,即式中,i(i=1,2,…,I)表示第i級泵站;fi為第i級泵站運行費用,元;j(j=1,2,…,J)表示第j座泵站;k(j=1,2,…,K)表示第k種型號機組;l(l=1,2,…,L)表示第l段輸水河道;qz為河道輸水蒸發(fā)損失,m3/s;qs為河道輸水滲漏損失,m3/s;其他符號意義同上。3使用示例3.1泵裝置效率最高優(yōu)化結(jié)果以南水北調(diào)東線江都四站單臺泵機組為研究對象,在泵裝置揚程一定的情況下,以泵裝置效率最高為優(yōu)化目標,利用式(1)求解確定最優(yōu)葉片角,結(jié)果如表1。可得出,最優(yōu)葉片角對應的泵裝置效率較設計角度對應的泵裝置效率最高可提高4.21個百分點。3.2基于模擬退火-粒子群的泵站運行優(yōu)化模型以南水北調(diào)東線江都四站泵站系統(tǒng)為研究對象,假設日總抽水量2200萬t,考慮揚程變化和分時電價等因素,以泵站運行費用最低為優(yōu)化目標,建立由式(6)、(7)組成的優(yōu)化模型,采用模擬退火-粒子群算法求解確定泵站各時段的開機臺數(shù)和機組運行工況。計算結(jié)果如表2,結(jié)果表明,實行分時電價、變角調(diào)節(jié)的運行優(yōu)化方案耗用電費37.951萬元,不考慮分時電價、設計葉片角度的運行方案耗用電費40.090萬元,前者較后者節(jié)約電費5.64%。3.3兩組水位分析和運行優(yōu)化計算以南水北調(diào)東線長江至洪澤湖段首段3級梯級泵站系統(tǒng)為研究對象,建立由式(8)-(10)組成的優(yōu)化模型,采用模擬退火-粒子群優(yōu)化算法求解,通過4層迭代計算,確定了長江三江營水源水位2.19m,洪澤湖水位13.5m,入湖流量為450m3/s的情況下,首段梯級泵站系統(tǒng)的運行優(yōu)化計算結(jié)果如表3所示。表中大汕子水位是潼河、金寶航道在里運河處匯合點的水位。從表3中可以看出,梯級泵站系統(tǒng)最優(yōu)方案耗用電費154.296萬元,設計方案耗用電費165.604萬元,前者較后者節(jié)約電費6.83%。若在優(yōu)化模型中再考慮分時電價等因素,節(jié)能效果將更加顯著。4系統(tǒng)運行優(yōu)化場景,分時電價是單臺機組、單座水泵系統(tǒng)和兩組1)大型泵站運行優(yōu)化范圍逐步擴大,從研究水泵、水泵裝置經(jīng)濟運行逐漸發(fā)展到研究單一泵站、并聯(lián)泵站群和梯級泵站系統(tǒng)的優(yōu)化運行,考慮的因素越來越全面。從要求研究水泵效率高,逐漸發(fā)展為以泵裝置效率和泵站效率最高為目標。但泵站能耗除了主機組能耗外,還包括輔助設備、攔污清污設備、輸變電設施和輸水系統(tǒng)能耗等,優(yōu)化運行方案時還需考慮分時電價。從全泵站系統(tǒng)角度建立優(yōu)化模型,優(yōu)化節(jié)能效果更好。2)對單臺機組、單座泵站系統(tǒng)和梯級泵站系統(tǒng)建立運行優(yōu)化模型,實