（市政工程专业论文）基于动态规划方法的取水泵站运行调度策略.pdf

摘要 随着国家发展与改革委员会颁布的电费政策开始实施，用水高峰与用电高 峰重合。自来水厂的运行负担加重，实现泵站的节能运行变得尤为重要。本文 以取水泵站的节能运行为研究对象。打破了传统的2 4 小时不间断均匀供水的策 略。针对实行峰谷电价的泵站实际运行情况，在二泵供水量和一泵吸水井水位 逐时变化的情况下，充分利用清水池容积，采用动态规划的方法合理分配取水 泵站各个小时的流量，并确定各台泵的运行时间，从而得到一泵站的经济运行 方案。 该课题主要包括以下几个内容：建立课题的数学模型、描述编程思路并建 立程序模块( 包括动态规划模块、水泵的最优并联运行组和方案选取模块和泵 站实时调度模块) 、检验程序的正确性、通过实例计算优化的结果、分析优化结 果的好坏以及影响因素等。 以福州市城门水厂的取水泵站为实例，并且根据程序进行分析可以得到较 为理想的优化结果。在实行峰谷电价政策下，该泵站能有效节能达到1 6 2 0 。在取消峰谷电价政策下，泵站的节能效率仍能达到1 0 1 6 。分析可知， 影响取水泵站优化调度效果的关键因素包含：取水口水位变化、水厂供水区域 的日变化系数、水泵的调速性能、清水池调节容积大小等等。运用动态规划方 法来解决泵站取水和用电之间的矛盾是一种较为理想的方法。通过c 语言编制 的程序简单易懂，计算快速，能在很短的时间内得到优化的结果。 最后根据该优化方法对取水泵站的节能改造提出了一些建议，也指出了一 些不足。由于在很多方面都还缺乏经验，要将该方法良好的运用于实践还有待 更深入的研究和实验。 关键词：自来水厂，取水泵站，清水池，动态规划，优化调度 a b s t r a c t w i t ht h ep r o m u l g a t i o no ft h es t a t ed e v e l o p m e n ta n dr e f o r mc o m m i s s i o n i n t r o d u c e dt h et a r i f f p o t c y , w a t e ra n de l e c t r i c i t ya tt h ep e a ko f t h ep e a kc o i n c i d e n c e h e a v yw a t e rp l a n to p e r a t i o n , t h ep u m p i n gs t a t i o nt oa c h i e v ee n e r g yh a sb e c o m e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , w a t e rp u m p i n gs t a t i o nf o rt h es t u d yo f e n e r g y - s a v i n go p e r a t i o n e v e nb r e a kt h et r a d i t i o n a l2 4 h o u ru n i n t e r r u p t e dw a t e r s u p p l ys t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no f r a ww a t e rp u m p i n gs t a t i o no f p r i c ed i f f e r e n c eb e t w e e np e a ka n do f f - ，i nc o n d i t i o n st h a tt h ef l o wo f s e c o n d a r y p u m p i n gs t a t i o na n dt h ew a t e rl e v e lo fs u c t i o nw e l lo fr a ww a t e rp u m p i n gs t a t i o n c h a n g e dh o u r l y , m a k ef u l lu s eo f c l e a nw a t e rt a n kv o l u m e ，r a t i o n a ld i s t r i b u t i o no f t h e f l o wo fr a ww a t e rp u m p i n gs t a t i o n se v e r yh o u rb yd y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d ， a n dd e t e r m i n et h en m n i n gt i m eo fp u m p s ，t h ee c o n o m i co p e r a t i o ni no r d e rt ob ea p u m p i n gs t a t i o np r o g r a m t h et o p i c si n c l u d et h ef o l l o w i n gs u b j e c t s ：e s t a b l i s h m e n to f t h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，m o d u l ep r o g r a m m i n ga n dt h ee s t a b l i s h m e n to f p r o c e d u r e sd e s c d b e di n ( d y n a m i cp l a n n i n gm o d u l e ，p u m ps e l e c t i o no f t h eo p t i m u mo p e r a t i n gi np a r a l l e l g r o u p sa n dr e a l - t i m es c h e d u l i n gm o d u l ea n dp u m ps t a t i o nm o d u l e s ) ，t h ea c c u r a c yo f t e s t i n gp r o c e d u r e s a ne x a m p l eo f t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h ee v a l u a t i o na n d o p t i m i z a t i o na n a l y s i so f t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ei t f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o no f t h er a ww a t e rp u m p i n gs t a t i o nm a d e 8 0 m es u g g e s t i o n s ，a n da l s op o i n t so u tan u m b e ro f d e f i c i e n c i e s d u et oal a c ko f e x p e r i e n c ei nm a n yr e s p e c t s ，ag o o dm e t h o di sa p p l i e dt h e r es h o u l db eam o r e i n d e p t hr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a t i o n k e yw o r d s ：w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , r a ww a t e rp u m p i n gs t a t i o n ，c l e a nw a t e rt a l l k d y n a m i cp r o g r a m m i n g , s c h e d u l i n go p t i m i z a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：j 千虹 司年；月t 旧 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：f 吲l 川年弓月二f 日 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 能源是人类赖以生存和发展的基础。建设节约型社会，实现可持续发展是 依据我国国情提出的一项重大国策其中，城市供水是能耗很大的事业单位之 一在我国城市供水系统中由于管理、技术等方面的原因，存在着巨大的能源 浪费，造成巨大的能源流失和不必要的经济损失。因此，在保障安全供水的前 提下，降低能耗是供水系统中急需解决的问题在满足社会需求和环境保护要 求的前提下，必须尽量减少供水成本。 城市供水系统是城市的重要基础设施，主要是由城市水源、城市给水处理 系统、输配水系统等组成。其优化涉及到管网布置、用水量、泵站和蓄水池的 类型和数量、管材、电费等诸多方面。优化的方法也包含标准线性规划、动态 规划、遗传算法等。管网优化计算的目的是，在技术上满足城市供水水量、水 压和水质要求，在经济上做到费用最小。电费在自来水成本中所占比例较大( 一 般为3 0 4 0 ) ”l 。故降低电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益 的重要环节 在给水系统中，水库的作用除了能够调节泵站供水量和用水量之间的流量 差值外。在发生事故时，水库的存在对保障安全供水也是有利的。此外，在管 网适当地点建造调节水库，在用电、用水高峰时借助地势或水泵将水送出，在 用电、用水低谷时调闸进水，能明显降低供水系统的运行电耗节约用电。 随着遥测远传设备价格的下降，s c a d a 系统和优化调度系统进入了实用化 阶段；计算机技术的发展也使g p s 、g i s 、m i s 及o a 等系统走向成熟；信息技 术，传感器、电动执行机构、控制等技术的进步，促进了大型系统的控制和管理 水平提高；优化技术、模拟技术与计算机技术的发展，为模拟大型的动态变化的 给水管网系统提供了条件。 以福州市为例：福州市供电政策调整之后，供电价格分为三个时段，峰段、 平段和谷段。在推行分时电价后，水公司在泵站能耗上产生了一些问题，即如 何有效降低高峰时的用电量，达到电费最省的目的。修建水库是有效的手段。 第1 章绪论 可以充分利用一天中谷段电价的时间取水、制水并将出水送至管网内的水库， 在用水用电高峰时将水从水库中输出，既减少了峰时用电，又有效补充了白天 高峰时段用户的用水需要。 1 2 研究内容 水泵机组在给排水工程中应用较普遍据统计。2 0 0 1 年城市自来水行业的 能源消耗占全国能源消费总量的约0 5 ，为5 7 2 9 2 万吨标准煤。而给水处理厂 水泵机组所消耗的电能占水厂总耗电量的9 0 以上。由于各种条件的限制。我 国泵站工程普遍存在着效率不高，能源单耗大，制水成本高等问题，致使泵站 工程效益较低。国内外对泵站进行系统优化时主要通过两条途径，一是对泵站 进行工艺设计优化，其实就是水泵的优选，通过优选后提高泵站机泵效率，达 到节能目的；另一途径是对泵站进行运行优化调度，其实质是在城市用水量和 供水量发生变化时，使泵站运行始终处于较优的工作状态，达到节能目的。水 泵优选有启发式方法、动态规划算法、图解法、优化枚举法、d g 算法、整数规 划法等等。其中图解法计算简单、容易理解，但仅适用于简单泵站的水泵选取。 水泵采用的优化调度的方法比较多，如实时运行算法、基因算法、as a 法、混 合整数线性规划mi l p 、动态规划法、非线性规划法和线性规划法等等。即给水 处理厂泵站系统能量定量方法明确，因此优化方法丰富，同时也说明泵站系统 的节能方法并不单一。应根据实际情况结合运用【2 j 。 传统上对泵站的优化调度是对净水厂的输配水系统的的优化调度。通常采 用二级优化调度。第一级是确定各水厂最佳的供水量及供水水压。第二级为优 化调度各水厂的二级泵站【3 】。而对于一级泵站，都是采用最大日平均时的设计流 量计算选泵，采用2 4 小时不间断运行。实际上，其运行在很大程度上受水源水 位变化的影响。加上国家电费结构的调整，某些地区城市公用事业的电费实行 峰谷电价政策。且由于部分水厂的设计规模往往较实际产水量大，运行上可以 做到较为灵活。再者，由于清水池能够调节一级泵站和二级泵站之间的流量差， 且当清水池足够大时，调度更为有利因而在保证水处理构筑物的允许负荷实 现安全供水的前提下，对带变频调速泵的一级泵站的调度成为可能。 本研究课题是结合福州市自来水公司的课题，用动态规划法分析在原水泵 站、水处理构筑物、清水池和送水泵站组成的系统中，在保证处理构筑物正常 2 第l 章绪论 运行所需的水量负荷下，一充分利用清水池容积，利用峰、谷电价差，给出原水 泵房一天的调度策略 1 3 课题的工程意义 我国对于取水泵站的优化调度研究很少，其原因是取水泵站不像二级泵站 直接跟管网相连，当网内没有调节构筑物时二泵站的送水量要等于用户的用水 量，而当网内有调节构筑物时，对二泵站的调度就要综合考虑调节构筑的调节 容积，除了能在峰段电价时补充二泵出水量的不足，在谷段电价开闸进水外， 还能有效的稳定网内水压，有利于安全供水。对于取水泵站而言，在保证水处 理构筑物稳定运行的同时如果能充分利用清水池的调节容积，在允许的流量变 化范围内尽量在谷段电价时多取水，并让这部分水储存在清水池中：在峰段电 价时( 往往对应二泵站的供水高峰，对于管网内有还有调节构筑的情况，二泵 站的供水量要均匀得多) 利用一部分清水池的储存水量来共同满足二泵站的流 量。这样能够在一定程度上减小取水泵站的运行电耗，降低供水企业的制水成 本。 3 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 2 。1 我国城市供水系统概述嗍 城市供水系统是由供水管道按一定的配置方式连接而成的以一天为一个运 行周期系统。由于受到城市地形、城市规模及用水量等多种因素的影响，我国 城市供水系统在组成上存在着较大的差异，如有些城市供水系统中包含有加压 泵站，有些含有蓄水池，还有些含有水库等。由于这些设施的运行方式及对供 水系统运行的影响不同，使得不同组成供水系统优化调度问题的数学模型差异 较大。按其性质可将其分为两类 3 1 ，一类是系统中不包含水库的静态优化问题： 另一类是系统中包含水库的动态优化问题。以前对于第一类供水系统的优化问 题进行了比较详细的研究，取得了一定的成果。第二类即含水库城市供水系统 的优化调度问题，由于是一个大规模非线性的动态优化问题，与第一类问题相 比要复杂得多，对于它的研究还比较缺乏。 2 1 1 我国城市供水管网系统的主要问题【5 】 现行供水管网系统面临的主要问题： ( 1 ) 用户对供水安全性的要求提高 给水管网系统是一个庞大复杂的“反应器”，经水厂处理合格的水，在管网 中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降。用户对水量和水质 要求的提高也加大了供水系统的运行难度 ( 2 ) 管网优化运行要求管网合理布局 由于我国经济发展迅速、城市化发展快、自来水普及率提高迅速而导致供 水系统布局和规划有欠科学，忽略了供水系统是一个多目标问题，导致管线连 接复杂、铺设冗余，出现了管理困难、停留时间长、事故影响范围大等问题， 故应逐步改善管网布局以实现管网的优化运行。 ( 3 ) 供水效益亟待提高 在满足社会需求和环境保护要求的前提下，必须尽量减少供水成本 电费在自来水成本中所占的比例较大( 一般为3 0 4 0 ) ，故降低电耗始终是 4 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。 管网漏失也是影响供水企业经济效益的重要因素。 2 1 2 含水库城市供水系统的优化调度 一般以吸水井、二泵站、配水管网和调节构筑物为整体建立管网模型。在 这一系统中设置水库可以起到调节系统高低峰用水期负荷的作用。当系统处于 低峰用水时，系统压力较高，水能自动流进水库，此时水库成为负载。当系统 处于高峰用水期时，系统压力较低，而水库一般所处地势较高，水位差的作用 使水库中的水能自动流入管网中，此时水库成为水源。含水库供水系统的优化 调度问题就是在系统今后一天中各时间的负荷已知的情况下，确定系统中各水 源在各时间区间的供水流量和供水压力、水库的进出水量和水位等，在保证系 统服务质量的前提下，使供水费用最低。这是一个时间上关联的大规模非线性 动态优化问题 国外一些学者曾提出了解决该问题的一些算法1 6 】【刀。这些算法可以分为两 类，类是将优化调度问题的数学模型所具有的非线性等式约束直接用线性化 后的线性约束代替，然后求解一个具有线性约束的大系统优化问题，这类方法 适合于在一天中负荷变化不是太大的系统。另一类方法是将系统管网集结，将 其简化成为仅包含水源、水库等所在节点的系统，这类方法适合于系统中包含 大量水源和水库的系统。我国城市供水系统在一天当中的负荷变化比较大，而 包含的水源、水库的数量又较少，因而以上方法都不能很好的解决我国含水库 城市供水系统的优化调度。 2 2 取水泵站的节能与优化 含水库城市供水系统的优化调度一般不包括从取水口开始经取水泵站到水 处理构筑物最后到清水池的这一部分从理论上讲，包含供水泵站、配水管网 和网内调节水库的系统构成了一个完整的能量体系。如果从水源地开始直到用 户，可以将整个自来水系统分成三个能量体系，如下图所示； 5 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 图2 1 城市自来水系统能量体系图 含水库城市供水系统的调度是对第三个能量体系的优化调度。传统上对于 取水泵站的水泵选型，是以最高日平均时流量和反应池的最低运行水位作为选 泵主要依据，实际上泵站所需扬程低于最低运行水位时的设计最大扬程。特别 是低扬程取水泵站，水泵高效率区扬程变化范围窄，加上水源水位变化，需水 量的变化以及水泵组合方式的改变都会引起泵站扬程的变化，水泵工作点容易 偏离高效区，当设计最大扬程偏离高效区右端点时，水泵将长期低效运行，能 源单耗大，供水成本高。因而取水泵站优化调度首先要解决的问题是水泵在高 效段内的并联组合运行方案的确定和选取。要实现取水泵站水泵机组节能运行 首先要考虑利用变频调速泵的节能改造。 2 2 1 取水泵站的变频调速节能运行嘲 据统计，我国的发电总量的7 0 * * 左右消耗在电动机消耗上，风机、水泵消 耗我国发电总量的4 0 左右用电机变频调速来代替原有阀门调节流量，我国 每年可节约用电3 0 0 4 0 0 亿k w h 。在自来水行业，变频器主要用于取水泵房、 送水泵房，除了可以节电，还可以平滑调节取水流量、送水压力，满足制水、 供水工艺要求。在一定调速量范围内，调速前后水泵效率认为不变，水泵通过 变频、串级等方式调速运行，可以提高扬程利用率，使水泵机组高效运行，降 低能源单耗。 单台泵调速运行或多台调速泵并联运行，最小调速比应以水泵调速后的效率 发生明显下降为限对于不同类型规格的水泵，最小调速比是不同的。一般情 6 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 况下。转速下降不超过2 0 时，泵的最高运行效率可以认为是不变的。因此， 水泵的合理调速范围在降速时不应低于额定转速的8 0 t 9 1 1 1 0 1 为保证调速泵与 定速泵并联时在进水池设计水位下高效运行，调速泵调速后最高效率点扬程 王r 应不低于定速泵高效区右端点扬程h b ，最小调速比( n n o ) m i n - - ( h r i i b ) “5 。 从泵站节能降耗，提高经济效益目的出发，水泵合理的调速范围应根据泵站 运行条件在满足泵站总供水量要求的前提下，使能源单耗达到最小，通过优化 计算后确定。 2 3 清水池 在给水系统中水塔和清水池的作用之一就是调节泵站供水量和用水量之间 的流量差值。清水池的调节容积，由一、二级泵站供水量曲线确定。大城市的 用水量比较均匀，通常用水泵调节流量，多数可不设网内调节构筑物。当缺乏 制水曲线或供水曲线资料时，对于配水管网中无调节构筑物的清水池有效容积 可按最高日用水量的1 0 2 0 考虑【1 1 1 。 清水池应设置水位连续测量装置，发出上、下限水位信号。水位仪宜具有传 示功能，并有较大的传示范围。 2 4 供水管网s c a d a 系统【1 2 】【1 3 1 s c a d a 是集成化的数据采集与监控系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) ，又称计算机四遥，指遥测( t e l e m e t e r ) 、遥控( t e l e e o n t r 0 1 ) 、遥讯 ( t e l e s i n g a l ) 、遥调( t e l e a d j u s t i n g ) 技术，在给水管网调度系统中得到了广泛的 应用，取得了良好的经济效益与社会效益。它建立在3 c + s 技术基础上，与地 理信息系统( g i s ) 、管网模拟仿真系统、优化调度等软件配合，可以组成完善 的管网调度管理系统。 现代s c a d a 系统不但具有调度和过程自动化的功能，也具有管理信息化的 功能。现代s c a d a 系统般采用多层体系结构，一般分成3 4 层： 1 ) 设备层：包括传感检测仪表，控制执行设备和人机接口等。 2 ) 控制层：负责调度与控制指令的实施。控制层向下与设备层联接，接受 设备层提供的工业过程状态信息，向设备层给出执行指令。 7 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 3 ) 调度层：实现监控系统的监视与调度决策。 4 ) 信息层；提供全球范围信息服务与资源共享，包括与供水企业内部网络 共享管理信息和水厂过程控制信息 在给水管网调度s c a d a 系统的生产现场，安装有许多传感器，完成s c a d a 系统的数据采集任务。常用的传感器有：水位、压力、流量、温度、湿度、浊 度、余氯、电压、电流、功率因素以及接近开关、限位开关、水位开关等。课 题所用的关键数据很多都来自生产实践，由s c a d a 系统提取，s c a d a 系统的 长期、稳定运行也是提供管网优化调度研究的关键和基础。 2 5 动态规划【1 4 1 【1 5 1 1 6 1 动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 是解决多阶段决策过程最优化问题的一 种方法。1 9 5 1 年，美国数学家r b e l l m a n 等人根据一类多阶段决策问题的特点， 提出了解决这类问题的“最优化原理”，并研究了许多实际问题和数学模型，从 而建立了数学规划的一个新分支动态规划。 所谓多阶段决策过程，是指这样一类活动过程：由于过程的特殊性，它可 以依据时间或空间划分为若干相互联系的阶段，每个阶段都需要作出一定的决 策。一旦做出了决策，过程就会产生效果。每个阶段最优决策的选择不能只是 孤立地考虑本阶段所取得的效果如何，必须把整个过程中的各个阶段联系起来 考虑，要求所做出的各个阶段决策的全体，能使整个过程的总效果达到最优 这类问题就是多阶段决策问题。决策过程的时间参数有离散和连续两种情况， 故决策过程也可以分为离散决策过程和连续决策过程。 在建立动态规划数学模型时，需要用到以下几个概念。 ( 1 ) 阶段 问题的全过程划分为若干相互联系的阶段。对于本课题，以一天2 4 小时为 问题的全过程，则每一个小时是相互联系的阶段。 ( 2 ) 状态 状态表示每个阶段所面临的自然状况或客观条件。通常一个阶段有若干个 状态。过程的状态则可以用一个或若干个变量来描述，称为状态变量。在本课 题中，对应每小时初的清水池的各个不同的水位h v 佃，为状态变量。从第一个小 时初开始的清水池起始水位起，每隔x 米取一个水位值，直至清水池的允许最 8 第2 章城市供水系统优化调度的理论研究 高水位止，有k 个状态值，即表示状态变量是一个有k 个分量的向量。 ( 3 ) 决策 给定某一阶段的状态后，从该状态到下一阶段的某一状态的一种选择称为 决策。可以用一个或一组变量来描述决策，称之为决策变量。在本课题中决策 变量为对应每个小时的取水泵站流量q q ( n ，和小时电价cc 。，。 ( 4 ) 策略 从第n 阶段开始的n 子过程中，由每个阶段的决策组成的决策函数序列称 为k 子过程策略，简称子策略。 ( 5 ) 状态转移方程 第n - t - 1 阶段的某一状态变量由第n 阶段的状态变量和决策变量所确定它 反映了从第n 阶段到第n + 1 阶段的状态转移规律，称为状态转移方程。 ( 6 ) 指标函数( 值函数) 任何一个决策过程都有一个衡量其策略好坏的的准则。这个准则往往可以 表示成一种数量指标，称之为指标函数或值函数。对于本课题，衡量过程好坏 的指标函数为小时电费计算式。而对于整个过程要衡量其策略的好坏，则累计 的小时电费计算式为其值函数。对最优策略来说，无论过去的状态和决策如何， 由前面诸决策所形成的状态出发，相应的剩余决策序列必构成最优子策略。 国内有一定的基于动态规划方法的工程性研究。在给水排水工程领域，动 态规划方法较为普遍的应用于大型水库的优化调度研究。吴沧浦最先提出了年 调节水库最优运行的动态规划模型此外，将水源地点、河道或水库中的水有 效地分配给若千用水地点，是水资源工程的一个重要问题，也是常见的运用动 态规划方法来解决的一类问题。还有对于管网中带调节池的多极泵站供水系统 也常用动态规划方法来建立优化求解模型【1 t l t l 8 j 。 本课题主要以取水泵站全天的运行费用为目标函数，将一天划分为若干相 互独立又相互关联的时段，考虑清水池的调节和峰谷电价对取水泵站运行费用 的影响，利用动态规划方法建立求解模型，计算优化后泵站的运行电耗。 9 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 3 1 课题来源 福州市是福建的省会城市，拥有人口约1 0 0 0 万，水厂的日平均供水总量在 8 4 万立方米厌，现有7 个自来水厂，包括西厂、北厂、东南厂、城门厂、南厂、 义序厂和新东厂( 其中南厂现已并入西厂不做独立计量) 。针对福州市0 4 年起 实行的峰谷电价政策，对西厂、北厂、东南厂和城门水厂四个水厂的取水泵站 做优化调度，要求在保证安全供水的前提下尽可能的减小泵站的运行电耗。 3 2 基本情况分析【1 9 1 针对参与优化调度的4 个水厂：西厂、北厂、东南厂和城门水厂。具体的情 况如下： ( 1 ) 日供水量情况： 西厂：设计规模6 0 万立方米，天，实际运行3 7 万立方米天 北厂：设计规模1 5 万立方米厌，实际运行9 万立方米，天 东南厂；设计规模1 2 万立方米厌，实际运行l o 万立方米天 城门水厂；设计规模1 0 万立方米天，实际运行5 5 万立方米，天 ( 2 ) 取水泵站机组情况： 表3 1 各水厂取水泵站机泵一览表( 0 5 年9 月统计情况) 厂额定电流 配用功率 编号型号 流量( m 3 h )扬程( m ) 名( a )( k w ) 西 l #4 4 u 眨x b 1 96 8 4 01 96 1 55 0 0 厂2 #5 6 l k ) ( b 1 9 1 4 4 0 0 1 9 1 2 4 1 0 0 0 3 #5 6 u x b 1 9 1 4 4 0 0 1 9 1 2 4 1 0 0 0 4 # 3 4 z x 1 4 03 3 3 0 8 3 3 0 1 9 1 0 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 5 #5 6 u k x b 1 91 4 4 0 0 1 9 1 2 4 1 0 0 0 6 #4 4 l 】k x b 一1 96 8 4 0 1 9 6 1 55 0 0 1 # s f w _ p 8 0 - 6 0 0 1 2 d 2 6 0 0 - 4 2 0 0 4 4 , , - 3 3 56 75 4 5 北2 #2 8 s a 1 0 a3 6 0 05 26 5 55 6 0 r3 #s 】聊p 8 0 - 6 0 0 c d2 6 0 0 - - 4 2 0 04 4 - - 3 3 5 6 75 3 0 4 # 2 4 s a 1 0 a 2 7 0 0 3 94 63 8 0 1 # 3 6 i 蔗x a - 2 04 3 2 02 04 4 53 5 5 东 2 #“u d ( b 1 96 8 4 01 9 6 1 55 0 0 南 3 #3 6 l k x a - 2 04 3 2 0 2 04 4 53 5 5 厂 4 #3 4 0 z a x 4 9 02 0 8 d v 3 3 3 02 03 32 7 0 1 # 5 0 0 q w 2 c 0 0 - 1 5 - 1 6 0 2 6 0 0 1 53 0 01 6 0 2 # ( 预留) 城 3 # 5 0 0 q w 2 6 0 0 - 1 5 - - 1 6 0 2 6 0 01 5 3 0 01 6 0 f - j 4 # ( 预留) 厂 5 # 5 0 0 q w 2 6 0 0 - 1 5 1 6 0 2 6 0 01 53 0 01 6 0 6 #c p 3 4 0 0 ，7 3 52 2 8 0 1 51 2 5 如上表所示，西厂4 # 泵为液压式叶片调节泵，叶片调节角度在一o 3 2 。 1 2 6 。，流量范围为3 3 3 0 8 3 3 0 立方米小时，其余均为离心式定速泵；东南厂 4 # 泵也是液压式叶片调节泵，叶片调节角度在o 8 4 。一9 4 。，流量范围为 2 0 8 0 3 3 3 0 立方米小时，其余均为离心式定速泵；北厂1 # 泵为变频泵，流量 范围为2 6 0 0 4 2 0 0 立方米小时，其余均为离心式定速泵；城门水厂6 # 泵为变 频泵，流量范围为1 8 0 0 2 9 0 0 立方米小时，其余均为潜水定速泵。以上水厂 取水泵站均至少有一台调速水泵，为实现动态规划方法的泵站调度提供了必不 可少的前提条件。 ( 3 ) 清水池设置情况 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 表3 2 各水厂清水池参数一览表( 0 5 年9 月统计情况) 厂名西厂东南厂 一期 二期三期 个数 42222 长 1 2 0 1 l o 1 1 0 3 8 4 3 3 3 宽 1 81 81 82 5 53 3 3 水深3 8 3 83 83 3 总容积6 3 0 0 0l 0 0 0 0 厂名北厂城门厂 个数 2l l 长9 1 3 14 6 2 内径3 5 7 6 m 宽 3 2 3 i 水深 5 3 83 8 总容积1 0 0 0 01 7 0 0 0 在调度中，清水池的作用主要是调节取水泵站与二级泵站之间的流量差， 也就是清水池的容积越大越有利于调度。把清水池容积占最高日用水量的百分 比做为评价参数进行比较，则上述四个水厂分别为：西厂6 3 0 0 0 1 3 7 0 0 0 0 = 0 1 7 0 ： 东南厂1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 = 0 1 0 0 ；北厂1 0 0 0 0 9 0 0 0 0 = 0 1 l l ；城门厂 1 7 0 0 0 5 5 0 0 0 = 0 3 0 9 。由上述结果可以看出，城门水厂清水池的容积占最高日用 水量的百分比为3 0 9 ，要远大于其它水厂，对于取水泵站的优化调度是非常 有利的。如果上述三个水厂均满负荷运行则清水池容积占最高日用水量的百分 比分别为：西厂6 3 0 0 0 6 0 0 0 0 0 = 0 1 0 5 ( 1 0 5 ) ；北厂1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 = 0 0 6 7 ( 6 7 ) ： 城门水厂1 7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 = 0 1 7 ( 1 7 ) 8 3 用水量情况分析 2 0 】 根据福州水司提供的资料，各水厂二级泵站流量变化情况如下： ( 1 ) 西厂 用水量变化曲线图( 2 0 0 6 年3 月1 日) ： 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 l 一 广一 _ 1 l k h - - - - - - 2 4 x 4 6 4 1 0 0 = 1 1 1 liii 24681 01 21 41 61 82 02 22 4 时间( h ) 图3 1 西厂供水量( 用水量) 变化曲线图 从上图可以看出，最高时是晚上6 7 点，最高时用水量为4 6 4 ，时变化 系数= 1 1 l ( 2 ) 北厂 用水量变化曲线图( 2 0 0 6 年3 月1 日) ： j 一l _ i 一厂 l - - 2 4 x 4 7 3 1 1 0 0 = 1 1 3 liii 24681 01 21 41 6 1 52 02 22 4 时间( h ) 图3 2 北厂供水量( 用水量) 变化曲线图 从上图可以看出，最高时是晚上7 8 点，最高时用水量为4 7 3 ，时变化 系数k o = 1 1 3 ( 3 ) 城门厂 用水量变化曲线图( 2 0 0 6 年3 月1 日) ： 1 3 5 4 3 2 1 0 摹v籁求陋哪繁暖叮幄嚼衄 5 4 3 2 l o 摹v鞠求陋捌簧旺叮恒嚼衄 第3 章取水泵站优化调度案例的撤述 爨 u 鲻 莰 ；墨 删 * 罂 墨 框 塌 电 i - - 。- _ j l 一 1 r l j k h _ 屯4 x 6 6 1 1 0 0 = 1 5 9 ilil 24681 01 21 41 61 82 02 22 4 葬孝阗强) 豳3 3 城门厂供水量( 用水量) 变化曲线图 献上图可l = 盂看出，最高辩建晚上5 6 点，最高辩雨水萤为6 6 1 ，时交化 系数= 1 5 9 获上甏霹驻看出，西厂移托厂静供承魏皴魄较均匀，辩变他系数较，j 、。獬 果当清水池比较小时，则要求取水泵站要尽壁稳定运行，而当清水池较大时取 承泵培允诲秘漉耋交钯葱霜霹戬适鹭罄太，稳要在鲶逢构筑锡免谗钓流量交纯 范围之内。城门水厂的供水曲线变化较大，时变化系数达到了1 5 9 。当城门水 厂致清承淹褰积较大拜重，取承泵菇豹流量交纯范萤霹j | ；盂魄较大。j | ：辩首先簧考 虑的魁构筑物对流量燮化的承受能力。 3 4 原水水位变化情况分析 对于低扬程的取水泵站丽言，原水的水位变化怒影响泵站运行效率的重要 嚣素。下嚣瓣各令承厂熬擐承承位蘩援徽了分爨。 ( 1 ) 磷厂 器厂凝瘩日程闽江禳多 段纛选上游戆缝方，羧摆蘧厂豹獒辩统谤努辑 得到其取水泵站取水口处的水位变化情况如下图( 以某周为例) ： 1 4 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 圈3 4 西j 。取水口水位变化曲线图 由上图可以看出，一周内西厂取水口水位标高最高值为4 7 7 米，对应 同一天的最低水位值为2 1 0 米；一周内的最低水位标高值为1 3 5 米，对应 同一天的最高水位标高差值为3 3 6 米。综合来看，这一周内西厂取水口处 的水位标高值一天之内的水位差一般不超过2 7 米。 ( 2 ) 北厂 北厂和西厂的取水1 3 在地理位置上相邻( 间隔1 0 0 米) 因而北厂取水 口水位的变化情况可以参考西厂。另根据北厂的资料统计分析得到其取水 口处某两个月的平均变化情况如下图： ( 以4 、5 连续两个月的平均值为例) 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 圈3 5 北厂取水口水位变化曲线图 由上图可以看出，以月平均值计算得到的取水口水位变化值连续两个月都 在4 5 米2 0 米之间，可以初步推断此处原水水位在一天之内的变化值不会大 于2 5 米。对西厂来说，泵站的平均扬程为1 9 米，对北厂来说，由于水厂距离 取水口距离较远( 5 4 k i n ) ，泵站的平均扬程为4 2 7 5 米。 ( 3 ) 城门厂 城门厂取水口在闽江福州段靠近下游处，由于海水潮汐的影响，取水口处 每天的水位变化较大，对取水泵站的运行效率影响较为严重。根据城门水厂提 供的资料统计分析得到其取水泵站取水i ：2 1 处的水位变化情况如下图： 图3 6 城门厂取水口水位变化曲线图 1 6 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 由上图可以看出取水口处的水位变化4 ( 潮汐变化) 呈现一种比较规律的向 后推移据泵站操作员经验估计，一般第二天的潮汐要比前一天向后推迟4 0 分 钟左右。通过大量数据的分析可以根据前一天的水位变化情况大致推出第二天 的水位，对于泵站的调度可以作为参考另外，由上图可推知城门水厂取水口 水位变化幅度一般在0 5 米 5 5 米之间，一天当中的平均水位差在4 5 米左右。 城门水厂取水泵站的平均扬程为1 5 米，水位变化幅度占到了泵站总扬程的1 3 可以预知泵站的运行情况受水位变化影响很大，水泵长期在高效段以外的区间 工作，泵站电耗大 3 5 清水池容积利用情况分析 前面讲到清水池的容积占最高日用水量的百分比大小是影响取水泵站调度 的一个因素。下面分析西厂、北厂和城门水厂的清水池容积使用情况。 ( 1 ) 西厂( 2 0 0 6 年3 月1 日) 图3 7 西厂清水池2 4 小时水位曲线图 上图反映了西厂清水池常年水位曲线的基本情况，从大量资料可以知道西 厂清水池一天当中最高、最低水位的变化值平均在2 3 米左右，其清水池的有 效水深为3 8 米，考虑清水池池顶和池底均留有0 5 米的安全高度，尚有0 5 米水深所对应的容积没有充分利用，通过优化调度还具有定的节能潜能。 ( 2 ) 北厂( 2 0 0 6 年3 月1 日) 1 7 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 图3 8 北厂清水池2 4 小时水位曲线图 上图反映了北厂清水池常年水位曲线的基本情况，北厂清水池一天当中最 高、最低水位的变化值平均在3 米左右，其清水池的有效水深为5 米，最低水 位一般不低于1 5 米，因而清水池的平均水位较高。虽然尚有有效容积可以利 用，但清水池平均水位高对于降低二级泵站的运行扬程是有利的。 ( 3 ) 城门水厂( 2 0 0 6 年3 月1 日) 图3 9 城门厂清水池2 4 小时水位曲线图 上图反映了城门厂清水池常年水位曲线的基本情况，城门厂清水池一天当 中最高、最低水位的变化值平均在3 米左右，其清水池的有效水深为3 8 米。 充分利用了清水池的调节容积，前面讲到城门水厂的日变化系数较大，一、二 1 8 第3 章取水泵站优化调度案例的描述 级泵站之间的流量差也较大，怎样能更有效的利用清水池调节容积减小泵站的 耗电量是本课题研究的内容之一 3 6 小结 本章节主要对影响水厂取水泵站节能优化调度的参数进行了大量分析，分析 了水厂供水范围内的日变化系数、清水池的容积利用情况、泵站取水口水位变 化情况等。分析建立在大量实测数据的基础上 1 9 第4 章取水泵站优化调度的基础研究 第4 章取水泵站优化调度的基础研究 4 1 取水泵站优化调度系统构成 取水泵站的优化调度系统包含取水泵站、水处理构筑物、清水池和送水泵 站。要研究如何在保证处理构筑物的正常运行所允许的水量负荷的条件下，充 分利用清水池容积，利用一天当中相应的峰谷电价差和取水水源水位差，给出 取水泵站一天2 4 小时的运行调度策略。从而有效的削减泵站的运行电费，以达 到节能的目的。 4 2 取水泵站优化调度影响因素 取水泵站优化调度的影响因素包含取水水源水位的变化情况，水处理构筑 物所能承受的水量变化范围、清水池的有效容积、峰谷电价、用水量变化情况 c - - 级泵房的出水量情况) 以及取水泵房的水泵机组构成等。优化调度所采用 的水泵机组是根据取水泵站现有的水泵机组为基准，考虑近远期因水厂处理规 模增大而增加的机组。 4 2 1 取水水源水位变化对泵站优化调度的影响 目前取水泵站的选泵，都是以最高日用水量加上输水管漏损和净水构筑物 自身用水量作为取水泵站的设计流量，以净水构筑物进口水面与水源最枯水位 的标高差( 净扬程) 加上输水管对应于设计流量的水头损失确定水泵的扬程。水 泵的输水能力能够达到一年当中最大供水量和最大静扬程同时产生时的要求。 然而，在我国实际情况是：每年的1 月3 月为河流的枯水期，静扬程最大， 但由于是处于冬季，城市用水量是一年当中最小的时段；而每年的7 月9 月 为河流的丰水期，静扬程最小，但是处于夏季，城市用水量是一年当中最大的 时段【z “。由此可见，水源的最枯水位与系统的最大供水量存在明显的季节差异， 不可能同时出现。这样按照原有的选泵原则选取的水泵不可避免的会造成运行 2 0 第4 章取水泵站优化调度的基础研究 上的浪费。对于已建取水泵站可以利用变频调速实现节能改造。怎样在已有选 泵的基础上使水泵尽可能的运行在高效区间，也是本课题要研究的问题之一。 水源水位在一年当中具有季节性变化，在一天当中也具有潮汐的影响变化。 潮汐对水位的影响变化规律较之季节对水位的影响变化规律要复杂一些。以福 建闽江为例，闽江一天当中( 2 4 小时) 有两次涨潮，且从月初到月末会逐步往 后延迟。在某水厂取水口附近，天当中闽江最低水位( 当地以罗零标高为准) 可低于o 6 米，而最高水位则可高于5 米。福州市一天当中的用水量变化则是 比较规律的。对于总扬程较小的取水泵站而言，这样的变化的幅度可能会直接 导致水泵长期工作在偏离高效段的工况上。 4 2 2 施行峰谷电价对泵站优化调度的影响嘲 根据城市用水2 4h 变化情况实现泵站水