申 林 王肇優(yōu) 劉勁楓

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

1 引 言

泵站優(yōu)化運行是指在不同的運行條件下，對運行的泵站和機組進行優(yōu)化選擇，對機組的運行負荷和運行時間進行優(yōu)化。以水泵效率最高為優(yōu)化目標是不合理的，因為水泵效率最高時泵組效率不是最高的，能耗也不是最小的。一套泵組運行時，水泵和進出口流道(管道)的泵組效率最高[1-2]。對于整個泵站的運行，應以機組運行費用最小為目標，根據(jù)抽水流量或抽水量的要求，在泵站優(yōu)化運行中應考慮不同的裝置揚程。此外，在實施時變電價時，應考慮時變電價對泵站優(yōu)化運行的影響，以使運行成本最小。在本研究中，針對不同的總泵流量和日總泵水量，研究了不同泵組揚程下的最優(yōu)運行方案[3-4]。分析了時變電價對泵站優(yōu)化運行的影響，以指導泵站優(yōu)化運行。

2 江都泵站基本情況

江都泵站位于江蘇省揚州市江都區(qū)，地處京杭大運河、新通揚運河和淮河入江尾閭芒稻河的交匯處，是南水北調東線工程水源泵站的一部分。江都四站共7臺主機組，本文以江都四站4臺主機組為模型，單機設計流量30m3/s，設計凈揚程7.8m，采用堤后式結構，進水為肘形流道，出水為虹吸式彎流道，真空破環(huán)閥斷流。該站的主要作用是向北方調水，輔助作用是排水。泵站年平均運行時間5000h以上，年運行費用340萬元。如果在泵站中實施優(yōu)化運行，可節(jié)省大量的電費。

3 基于一定總泵流量的泵站優(yōu)化運行

江都泵站前池與長江相連。受長江潮位的影響，泵站安裝揚程變化頻繁，導致運行任務頻繁變化。根據(jù)泵組揚程的變化，本文將一天分為四個時段。表1列出了每個時段的電價和水頭。

表1 每個時間段的電價和水頭

時段劃分可多可少，但如果太少，電價和裝配揚程的變化反映不清，如果太多，就要經常調整泵葉片的角度，裝置的可靠性就會降低。

在泵組揚程一定的情況下，為了保證泵組的穩(wěn)定運行，可以將葉片角度從最小值調整到最大值，從而使單機泵排量相應地從最小值變化到最大值。以泵站用電成本最小為目標，同時滿足單機抽水流量和總抽水流量的約束條件，建立總抽水流量為QT條件下的數(shù)學模型。最小電氣成本F的計算如下：

(1)

式中i——一天中的時段數(shù)；

j——泵組，共4臺；

g——重力加速度；

ρ——水的密度；

Hzi——一期泵總成揚程；

Qij——時段i泵組j總流量；

ηzij——時段i泵組j工作效率；

ηmot——電動機效率(給定ηmot=94%)；

ηint——傳輸效率(給定ηint=100%)；

ΔT——每段時間的小時數(shù)；

Pi——時段i的電價。

目標函數(shù)等式(1)受以下約束：

(2)

Qij,min≤Qij≤Qij,max

(3)

式中Qij,min、Qij,max——泵組j在時間段i(即在水頭Hzi上)的最小和最大允許總流量。

傳統(tǒng)的求解方法，如微分法、動態(tài)規(guī)劃和建模技術，其計算過程對上述模型是復雜的。因此，應用遺傳算法求解模型。

同一泵型的運行泵的總流量平均分配，故在計算過程中選取了8個變量，其中4個表示不同時段的單機流量，另4個表示不同時段的運行泵組數(shù)量。為了解決約束條件問題，在每個迭代過程中，拒絕偏離可行解的解，代之以當前的最優(yōu)解。

在總泵流量一定的情況下，泵站優(yōu)化運行結果見表2。要求在每段時間內泵送流量恒定，不受電價變化的影響。當指令抽水流量為50m3/s時，允許單機流量為25～50m3/s，因此運行泵的數(shù)量是非整數(shù)的，可以通過調整泵組運行時間來保證流量?；谝欢偙昧髁康谋谜境Ｒ?guī)運行(設計葉片角度)結果見表3。

表2 基于一定總泵流量調節(jié)葉片角度的泵站優(yōu)化運行

表3 基于一定總泵流量的泵站常規(guī)運行

4 泵站按一定日總抽水量優(yōu)化運行

在日總抽水量一定的情況下，以泵站用電成本最小為目標，建立了如下數(shù)學模型。同時滿足單機抽水流量和總抽水量的約束條件。最低電氣成本F如下：

(4)

目標函數(shù)等式(4)受以下約束：

(5)

Qij,min≤Qij≤Qij,max

(6)

在計算過程中，葉片角度和時變電價是影響單機泵流量和機組運行臺數(shù)的兩個因素。考慮時變電價和不考慮時變電價情況下調整葉片角度的結果見表4～表5。考慮時變電價和不考慮時變電價的設計葉片角度下的結果見表6～表7。運行泵的臺數(shù)是非整數(shù)的，通過調整泵組運行時間可以保證水量。不考慮時變電價的情況是指在優(yōu)化計算過程中，抽水量不隨電價變化而變化，而在實際運行中實施時變電價。

表4 考慮時變電價調節(jié)葉片角度的泵站優(yōu)化運行

表5 不考慮時變電價調整葉片角度的泵站優(yōu)化運行

表6 考慮時變電價設計葉片角的泵站優(yōu)化運行

表7 不考慮時變電價設計葉片角的泵站優(yōu)化運行

5 不同優(yōu)化運行方案的比較分析

由表4～表7可知，當裝置揚程最低、電價較低時，泵站第四時段抽水量最大；當裝置揚程最高、電價較高時，泵站第一時段抽水量最?。划斞b置揚程較高、電價較低時，泵站第三時段抽水量較大；當裝配揚程較低、電價較高時，泵站第二時段抽水量較小。

以每天總抽水量1296萬m3為例，表8顯示了在考慮時變電價(W1)和不考慮時變電價(W2)之間的每個時段的抽水量比較。結果表明，第一時段(裝配水頭和電價較高時)抽水量減少；第四時段(裝配水頭和電價較低時)抽水量增加。

表8 泵站不同時段抽水量的比較

表2～表3中的總流量150m3/s、100m3/s和50m3/s分別對應表4～表7中的總抽水量1296萬m3、864萬m3和432萬m3。江都泵站不同情況下的電費比較見表9。F1和F2分別表示在一定總泵流量的基礎上，通過調整葉片角度和常規(guī)操作(在設計葉片角度)來實現(xiàn)泵站運行的電氣成本；F3和F4分別表示泵站運行的電費，在考慮時變電價和不考慮時變電價的情況下，根據(jù)抽水量調整葉片角度；F5和F6分別表示在考慮時變電價和不考慮時變電價的情況下，泵站在設計葉片角度下運行時的電費。從表9可以看出，在抽取一定水量的情況下，考慮調整葉片角度和時變電價的方案的電費最低，而在總流量一定的情況下，常規(guī)運行方案的電費最高。前者比后者節(jié)省4.73%～31.27%。與常規(guī)的基于一定總流量的運行方案相比，基于一定總流量的葉片角度調整方案節(jié)省了2.03%～5.79%的電力成本；在不考慮泵送一定水量時變電價的情況下，采用調整葉片角度的方案，可節(jié)省電費4.54%～24.60%；在設計葉片角度和考慮泵送一定水量時變電價的情況下，方案節(jié)省了2.82%～17.56%的電費；在不考慮泵送一定水量時變電價的情況下，設計葉片角度方案節(jié)省了2.59%～16.24%的電費。

表9 不同情況下泵站用電成本的比較

6 結 論

根據(jù)不同的運行要求，泵站有兩種基于一定抽水流量和一定抽水量的優(yōu)化運行方案。在實行時變電價方面，泵站具有調節(jié)葉片角度的功能，應根據(jù)不同情況調整葉片角度和水泵運行臺數(shù)，以降低用電成本。當水頭和電價較低時，應多抽水，當水頭和電價較高時，應少抽水。以日抽一定水量為基礎的葉片角度調整方案和時變電價方案的電費最低，而以一定抽水流量為基礎的常規(guī)運行方案的電費最高。前者比后者節(jié)省4.73%～31.27%。