（检测技术与自动化装置专业论文）城北水厂（一泵房）水泵优化调度的研究与应用.pdf

摘要 摘要 城北水厂( 一泵房) 水泵优化调度的研究与应用 硕十研究生：袁达 指导老师：周杏鹏教授 东南大学 电能是自来水行业的主要能源消耗，在供水成本中占据相当大的比例。如何以优化运行的方式 来调度水泵达到节能降耗的目的，是供水企业目前普遍面l 临的课题。 本文是南京市2 0 0 7 年重大科技项目自来水生产节能降耗关键技术及自动化、信息化示范工 程( 项目编号：2 0 0 7 0 1 2 0 ) 的子项目，主要研究一泵房水泵的优化调度。在对二泵房供水量数据进 行统计分析和预测的基础上，根据供水量变化特点，以“高峰补水、低峰蓄水”为原则充分发挥清 水池的调蓄作用，经济调度一泵房水泵，保证制水平衡。同时，根据水泵特性曲线，利用变频调速技 术，合理设置水泵运行频率，使水泵运行在高效区，达到：常能的目的。其三，合理设置开关泵时间， 减少开关泵次数，由此不仅能减少水泵磨损、延长水泵使用寿命，而且可减少因开、关水泵造成的 瞬时流量突变对加矾等后续工艺的冲击，对稳定和提高出厂水的水质有很大的帮助。 在此基础上提出了预测调度和实时控制的方案：预测调度采用模糊算法，结合水泵调度工艺和 操作人员的经验，产生六小时预测调度表，为后续的加矾、加氯自动控制提供依据，也为实时控制 算法提供指导；实时控制采用自适应串级p i d 算法来控制现场的水泵，利_ = i 串级系统中副回路的快 速反应能力来抑制一泵房出水流量等因素的突变对系统造成的干扰，主回路采用的单神经元自适应 p i d 算法能很好地适应现场环境的变化，提高系统的控制精度。 另外，本文通过建立基于s c a d a 结构的硬件平台，并结合p l c 和组态技术，在工程上实现了对 南京市城北水厂的一泵房优化调度，使该厂一泵房水泵的调度更加合理、经济。 关键词：水厂；优化调度：一泵房：模糊控制；自适应p i d 控制；s c a d a a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n da p p l i c 砒i o no f o p t i m i z a t i o nd i s p a t c h i n go f t h ew a t e rp u m p s i nt h em wp u m ps t a t i o no f c h e n g b e iw a t e rw o r k s b y y u a n d a s u p e r v i s e db yp r o f = z h o ux i n g - p c n g s o u t h e a s tu n i m 哪 e l e c t r i c i t yi st h em a i ne n e r g yc o n s u m p t i o no f t h ew a t e rw o r k sa n do c c u p i e sl a r g ep a r to ft h ew a t e r s u p p l yc o s t h o wt oo p e r a t ew a t e rp u m p si nt h ew a yo fo p t i m i z a t i o nt os a v ee n e r g yi sas u b j e c to ft h e w a t e rw o r k sc u r r e n t l yf a c e d o p t i m i z a t i o nd i s p a t c h i n go ft h ew a t e rp u m p si nt h er a wp u m ps t a t i o ni sm a i n l yc o n c e r n e d o nt h e b a s i so f s t a t i s t i c a la n a l y s i sa n df o r e c a s t i n gf o rt h ef l o wd a t ao f t h ec l e a nw a t e rp u m ps t a t i o n , w a t e rb a l a n c e i sf i n a l l yg u a r a n t e e db ym a k i n gf u l lu s eo ft h es t o r a g e - t a n kr o l e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v eo fw a t e rp u m p sa n du s i n gv v v ft e c h n o l o g y , t h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g yi sa c h i e v e db yk e e p i n g p u m p sr u n n i n ga tt h er e a s o n a b l ef r e q u e n c y t h i r d l y , t i m eo f t h eo n - o f fi ss e tp r o p e r l ya n dn u m b e ro fi t s t i m e si sa l s or e d u c e d t h e r e f o r e ，i tc a nn o to n l yr e d u c et h ea b r a s i o no ft h ep u m p s 。b u ta l s or e d u c et h e i r a p a c to f t h ef o l l o w p r o c e s sd u e t oi n s t a n t a n e o u sf l o wm u t a t i o n t h e nt h ep r o p o s a lo f t h ef o r e c a s t i n gs c h e d u l ea n dt h er e a lt i m ec o n t r o li sb r o u g h tu p f u z z yc o n t r o li s u s e di nt h ef o r e c a s t i n gs c h e d u l e r e a rt ot h et e c h n o l o g yo fp u m pd i s p a t c h i n ga n dt h ee x p e r i e n c eo ft h e o p e r a t o r s ，s i x - h o u rf o r e c a s t i n gs c h e m ei sp r o d u c e dw h i c hp r o v i d eg u i d et ot h ef o l l o w - u ps y s t e m sa sw e l l a st h er e a lt i m ec o n t r 0 1 s e l f - a d a p t i v ec a s e a d ep i de o n t r o li su s e di nt h er e a lt i m ec o n t r o lt oo p e r a t et h e p u m p s w em a k eu s eo ft h ef a s t - r e a c t i o nf e a t u r eo ft h es u b s i d i a r yl o o pi nc a s c a d es y s t e mt or e s t r a i nt h e d i s t u r b a n c ec a u s e db yt h ef l o wv a r i e t yo f t h er a ww a t e rp u m ps t a t i o na n do t h e rf a c t o r s m e a n w h i l e , s i r l g l e n e u r o ns e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o li su s e di nt h em a i nl o o pt oa d a p tt h ev a r i e t yo f t h ee n v i r o n m e n ta n dr a i s e t h ea c c u r a c yo f t h ec o n t r o ls y s t e m b yt h ew a y , b ye s t a b l i s h i n gap l a t f o r mo f s c a d aa n du s i n gt e c h n i q u e so f p l ca n dc o n f i g u r a t i o n , w e h e l p e dt h en a n j i n gc h e n g h e iw a t e rw o r k sd e s i g na no p t i m i z a t i o ns y s t e mo ft h er a ww a t e rp u m ps t a t i o n w h i c hm a k e st h ed i s p a t c h i n gm o r er e a s o n a b l ea n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：w a t e rw o r k s ；o p t i m i z a t i o n ；r a ww a t e rp u m ps t a t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；s e l f - a d a p t i v ep 1 d c o n t r o l ；s c a d a i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究： 作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得尔南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：扯日期：兰半 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 繇秘：附日期 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自来水是城镇千千万万民众生活、生产每天都离不开的特殊必需品，我国各级政府无不努力重 点保障广大市民都最为关心的供水质量和供水安全。供水企业自来水生产需经过取水、加矾、沉淀、 过滤、加氯、出水等工艺流程，如卜l 图所示”i 。 后朋氧 前加氯 幛琵 图1 i自来水生产流程 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。 城市供水系统是主要是城市水源、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鼍、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 9 6 4 。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。 通过对城市供水企业各级泵房的运行状况进行科学分析，找出存在的问题，以优化运行方式达 到节约能源、降低漏损、安全供水的目的，是供水企业目前普遍面l 临的课题。 1 2 国内外水泵调度的研究现状 自来水厂水泵机组所消耗的电能通常占水厂总耗电晕的9 0 以上，由于各种条件的限制，我国 泵站工程普遍存在效率不高，能源单耗大，制水成本高等问题，致使泵站工作效率较低，因此进行 能耗方面的研究意义较大。国内外对泵站系统优化运行主要通过两条途径：一是对泵站进行工艺优 化，其实就是水泵的优选，通过优化后提高泵站的机泵效率，达到节能的目的；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的情况下，使泵站始终运行在较优的 工作状态，以达到节能的目的。 国外采用的水泵优化调度1 的方法比较多。d r e i z i n 等人于1 9 7 1 年提出了动态规划算法d g ( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) ，后来发展出来的泵站实时运行算法大都是该方法的应用。例如：s t e r l i n g 和c o u l b e e k ( 1 9 7 5 ) 、d e m o y e r 和h o r w i t z ( 1 9 7 5 ) 、s a b e t 和h e l w a g ( 1 9 8 5 ) 都曾经用d g 法来构造 算法，应用于相对简单的系统；而c a r p e n t i e r 和c o h e n ( 1 9 8 4 ) 、z e s s l e r ( 1 9 8 4 ) 则将实时控制策略 东南人学硕士学位论文 应用于较复杂的系统；还有j 【f i 离散的最优化算法降低水泵运行费用的，例如h o l l a n d ( 1 9 7 5 ) 、g o l d b e r g ( 1 9 8 9 ) 、w a n g ( 1 9 9 1 ) 等人所采用的基因算法( g a ) ，d o u g h 呻和m a r r y o r ( 1 9 9 1 、1 9 9 3 ) 等人 引入的煺火算法。a b as a k a r y a ( 2 0 0 2 ) 在优化运行中还考虑了水质的影响。这些研究者们将新的 算法应用于大城市复杂供水泵站优化。这些算法虽然适用范围广，但由于所需要的计算时间太长， 不适合在线控制的实际应用。 s p e z e s h k 等人在1 9 9 6 年提出了适合在线控制的方法：适应性搜索最优化方法a s a ( a d a p t i v e s e a r c ha l g o r i t h m ) 。a s a 通过i j 系统特性系数搜寻全域最优解获得次优起始状态的方法来缩短求解时 问。每一次循环都将水泵与管道特性系数更新一次，而且加入系列新的最优泵，从而产生一个新 的更高效的泵组合方式。这一方法的一个主要优点是可以实时求解，可以处理大型的、复杂的系统， 而且便于使_ i ；j ，因为这一切都是由程序完成的。该方法的缺点是不能产生全域晟优解，因为目标函 数是非凸结构的。 p a u lw j o w i t t 等人在1 9 8 9 年将线形规划运用于制定水泵2 4 小时内的最优运行时间安排。将所 有的水泵耗电量设为各台水泵的运行时间、水量、扬程的线形函数，系统的特性系数、各水泵的极 限流量、扬程作为约束条件，求函数的最小值。k e i t hw l i r l e 和b r i a nj m c c r o d d e n 在此基础上发展 了混合整数线形规划法m 1 l p ( m i x e d i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 。他们建立了一个相应于使用时间 安排t o u ( t i m eo fu s e ) 的最优化模型。模犁的目标函数是规定每一种泵或泵组合的运行小时数， 使得总的能量消耗( 其中包括商业能源，需要性消耗以及发电机运行消耗) 最小。模型的约束条件 是满足供水系统的平均、最大、最小需水量以及相应的扬程要求。 国内的运行优化方法有动态规划法、非线形规划法希i 线形规划法等。动态规划法需要将状态量 离散化。离散点越多，精度越高，但是计算时间较长。由于水泵的特性曲线成线形，所以用非线形 规划较难实现，而且难得到全局最优解。 综合国内外研究情况可知，泵站优化调度属于经济运行问题，通常采用等微增率法和动态规划 法求解。等微增率法是一种传统的优化方法，通常要求优化问题的目标晒数具有连续性、可微性和 单峰性。但它仅给出最优化问题的必要条件，并且在泵站机组特性曲线较复杂、机组台数较多的情 况下，其求解往往很凼难。动态规划法用于泵站优化调度的优点是它可以针对实际运行中工况时刻 变化的特点，进行分阶段决策，从而使整个过程达到较好的活动效果。但它需要在各机组的所有抽 水范围内一一比较，才能求得最优策略，许多不可能是最优策略的机组组合也要计算，这就大大增 加了工作量，国内外学者已提出了不少方法进行改进，如离散微分动态规划方法( d d d p ) 、逐步优 化算法( p o a ) 、动态规划逐次渐进法( d p s a ) 等。但这些方法也有缺点，很难保证收敛到全局晟 优解。 对于中小型供水企业，由于水泵数目较少，泵组组合模式也较少。因此，根据各供水企业的实 际情况，利用“动态规划的思想”，对水泵的运行方式分时段做出决策，从而使整个系统达到较好的 控制效果。 1 3 课题的来源、研究目的及意义 城北水厂( 一泵房) 水泵优化调度的研究与应用，是“自来水生产节能降耗关键技术及自动化、 信息化示范工程”项目的一个子课题。主要研究取水工艺，在对二泵房供水量数据进行统计分析和 预测的基础，根据供水量变化特点，以“高峰补水、低峰蓄水”为原则充分发挥清水池的调蓄作用， 经济调度一泵房水泵，保证制水平衡。同时，根据水泵特性曲线，利用变频调速技术，合理设置水 泵运行频率，使水泵运行在高效区，达到节能的目的。其三，合理设置开关泵时间，减少开关泵次 数，由此不仅能减少水泵磨损、延长水泵使用寿命，而且可减少因开、关水泵造成的瞬时流量突变对 加矾等后续工艺的冲击。 本研究课题结合城北水厂一泵房调度的实际情况，在一泵房、清水池、二泵房组成的系统中， 2 第一章绪论 充分利清水池的调蓄作_ h j ，对水泵的运行方式分时段做出决策，计算出未来时刻最优的泵组组合， 尽可能使各水泵运行在其高效区，达到竹能降耗和提高水质的目的。 “自来水生产节能降耗关键技术及自动化、信息化示范工程”项目的实施和进一步推广应用， 将使各水厂自来水生产运行的调度更加合理，生产运行安全可靠性提高，生产过程的各关键丁序控 制精度提高，出厂水水质更加稳定、优良，远远优于国家标准；南京市民将持续喝上更加优质的水， 为市民的健康造福，同时也有利于饮料、食品、药品、印染、精细化工等许多行业提高产品品质： 在全市各区域供水的压力更稳定响应与调整更快捷，对本市的经济与社会发展、进一步改善南京市 的软环境、构建和谐社会具有十分积极的意义。 此项目的实施，可节约自来水生产的电能与原材料( 矾和氯) ，为节约型社会建设做出贡献。 东南大学顾十学位论文 第二章水泵调度的工艺分析 2 1 水泵的基本特性研究 2 1 1 水泵的主要参数及性能曲线 用以描述水泵性能的参数p 1 主要有五个：扬程、流量、转速，功率和效率。 扬程：水泵的扬程是指水泵能够扬水的高度，通常以符号h 来表示，其单位为米。 流量：又称输水量，指泵在单位时间内输送液体的体积，常用q 表示，单位是米3 小时( m 3 h ) 、 升秒( l s ) 或米秒( m s ) 。 转速：每分钟泵轴的旋转次数，常用n 表示，单位是转分( r p m ) 。 功率：泵的功率大多是指轴功率，即泵在运转时，在一定的流量和扬程下，电动机输送给泵轴 上的功率，常用n 表示，单位是千瓦( k w ) 。有效功率是泵在单位时间内对流经泵的液体做的功，可 根据流量、扬程计算出来。 效率：泵在工作时，由于轴承、填料、叶轮和活塞等的摩擦，要消耗一部分能量( 称为机械损失) ， 液体从泵的进口到出口，途中由于摩擦和局部的阻力也要消耗一部分能量( 称为水力损失) ，以及水 泵内部液体回流和密封不严造成的外漏还要消耗一部分能量( 称为流量损失) 。所以，电动机传给泵 轴上的功率( 轴功率) 不可能全部变成有效功率。有效功率与轴功率的比值就是泵的效率常用n 表示。 通常在转速不变的情况下，每台水泵都有三条性能曲线，即流量一扬程( q - - h ) 曲线，流量一 效率( q 一) 曲线和流量一功率( q - - n ) 曲线，如图2 1 、2 - 2 所示。 1 0 8 5 o 6 5 o 4 5 0 2 5 图2 - 1 流量一扬程曲线和流量一效率曲线图2 2 流量一功率曲线 由q q 曲线可知，水泵的效率一般较低，且变化较大，因此保证水泵运行在商效区，对节能降耗 是至关重要的。效率n 是非线性函数，有一个最大值点，当水泵在该点增加或减少时，效率都会下降。 若q 运行在最高点时，其效率最高，使用最经济。当t 况点与q 最高点相差很远，水泵的效率很低， 也就不经济。故在配置泵站和控制水泵运行时，应约束流量范围，保证水泵在高效区【q 向，q i 。】运 行。 当水流经管道时，由于受到摩擦阻力的作用将产生扬程损失h f 。根据水力学原理，h f 近似与流 量成二次方关系 4 第二章水泉调度的_ t 艺分析 h i = s i q 2 ( 2 1 ) 其中，s f 称为管网阻力系数，表示单位流量时的扬程损失。由丁：h 舶存在，在流量为q 时，若用户所 需扬程为h ，则水泵实际应提供的扬程为 h c = h 口+ h f + s j q 。 2 2 ) 2 1 2 水泵的并联运行及工况点 大中型水厂中，为了适应各种不同时段管网中所需水量、水压的变化，常常需要设置多台水泵 联合工作。这种多台水泵联合运行，通过连通管共同向管网或高地水池输水的情况，称为并联工作。 水泵并联工作的特点”j ： ( 1 ) 增加供水量，输水管中的流量等于各台并联水泵出水晕之总和； ( 2 ) 可以通过开停水泵的台数调节泵站的流量和扬程，以达到节能和安全供水的目的； ( 3 ) 水泵并联扬水提高泵站运行调度的灵活性和供水的可靠性。当并联工作的水泵中有一台损 坏了，其他几台水泵仍可继续供水。 在并联工作时，各出水管在连接点处有共同的压力，若忽略进水管和连接点的扬程损失，可以 认为各个水泵具有相同的扬程，故并联后的q h 特性曲线可以通过横加法绘出，即把相同扬程下各 台水泵的流量相加作为并联后的流量q ，如图2 3 所示。 7 们 刍 口 o1 02 03 04 05 06 07 08 0 l - i m t t l l h 1 2 图2 - 3 两台水泵的并联特性 扬程曲线和管路系统特性曲线的交点就是水泵的工况点，是能量供给与消耗平衡的结果，符合 能量守恒定理。如图2 4 所示，当水泵在a 点运行时候，水泵提供的扬程h ，刚好供给管路系统需要和 水所获得的净扬程，此时水泵功耗损失最小。而当水泵工作在b 点时候，管路特性曲线上所需要的扬 程为h c ，而水泵提供的扬程为h b ，其中有h 的过剩扬程，所以能量损耗较大。由此可见，a 点为晟 佳上况点。 东南大学硕十学位论文 h h b h 2 1 3 水泵的性能调节 图2 - 4 水泵运行的工况点 在选择和使用水泵时，由于用户所需流量和扬程的变化，水泵的工况点往往会偏离晟高效率点， 以致引起工作效率降低、功率偏高和气蚀的发生。这时就必须采用改变q h 特性曲线的方法来变动 水泵的工况点，使之符合用户要求并高效运行。 常见的调节方法有节流调节、分流调节、车削调节、变角调节和变频调节，其中变频调节应用 最广。变频调节是通过改变水泵的转速，使水泵的性能曲线改变，达到调节水泵工况点的目的。水 在水泵内部的流动情况相当复杂，单纯凭借理论不能准确地算出水泵的工作参数，因此，常把水力 学中的相似原理运用到水泵中，根据水泵在某一状态下的工作参数，来换算其他状态下的工作参数。 当调节某水泵转速时，流量、扬程和轴功率分别满足如下的公式 鱼：生 q 2n 2 和 甍= c 3 以上公式说明，当水泵的转速改变时，水泵的流量、扬程和轴功率也随之改变 成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由这些关系可知 流量可以大大减少轴功率。 由式2 3 和式2 4 可得 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 即流量与转速 采用转速调节 等= 壶“ 以q 为横轴，h 为纵轴，满足式2 6 的点构成q h 坐标系下的一条二次抛物线，即 h = 坦2 图2 5 为相似工况点图。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) p m 一也 l l q 一也 第二章水泵调度的_ 丁艺分析 8 0 7 0 6 0 5 0 差4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 0 5n l0 1 5 0 20 2 50 30 3 50 4 q 皿3 s 一 图2 - 5 相似工况点 图中，在抛物线上的各点称为相似工况点。在相似工况点上，水泵的效率基本不变，故相似工 况抛物线也称为等效率曲线。从节能角度考虑，采用改变水泵转速的方法来改变水泵运行的工况点， 保证水泵在高效区范围内工作是可行的。 2 1 4 水泵高效区的数学描述1 9 】 实现水泵节能的最重要手段是尽可能使水泵的运行始终处于高效区。但在生产实际中，由于水 量、压力始终处于动态的变化之中，水泵不可能维持单一的工况点去运行。因此，水泵的运行很难始 终处于高效区。但是，如果过度偏离高效区，必然因水泵效率的下降带来电能的浪费。 根据q 叫曲线，其高效区可以通过限制流量范围 q i 。，q k 。 得到。当水泵在额定转速下运行 时，高效区为额定转速下q h 曲线中的一段。当水泵调速运行时。通常不宜在额定转速以上运行， 另外，为了满足工艺要求和防止汽蚀的发生，水泵转速不能调得过低，因此应同时约束流量和变频 调速比的上下限。此时高效区可以扩展为扇形区域，如图2 6 中的区t 或a b c d 。 8 0 7 0 6 0 5 0 盏4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 0 50 10 1 50 20 2 50 30 | 3 50 4 q m 3 s - i 图2 6 水泵的高效区图 7 图中a 、b 两点为额定转速| 卜i 的高效区边界点，其流量分别为q 。坩0 和3 。，c 、d 点分别为最 小变频调速比l ( 1 | i 。下q - - h 特性曲线与经过a 、b 点的相似工况抛物线i l ，1 2 的交点。最小变频调速比f q - - h 特性曲线方程为 = 锰h 一q 2 ( 2 8 ) 相似工况抛物线1 。的方程为 日“办鲁班老q 2 旺， 相似工况抛物线1 2 的方程为 日趔= 鲁q 2 - 去q 2 旺 联立求解方程组式2 8 、式2 9 及式2 1 0 ，可确定c 点和d 点。 水泵调速运行时，只有工况点在a b c d 商效区内时才能高效运行。若已知应提供的扬程，则高 效区仅由流量范围确定，缩减为一条线段。图中，当扬程为e 时，高效区为线段m n ，流量范围为 【( ，级 ；当扬程为日f 时，流量范围为 绋，级 。设水泵应提供的扬程为h e ，则可按式2 1 1 和式2 1 2 确定高效区流量的上下界 = = h c 2 h b h ：h b 以上两式即为变频调速高效区的流量表达式。 2 2 城北水厂一泵房水泵的实际参数及调度分析 ( 2 1 2 ) 南京市城北水厂一泵房一期有三台机泵取水，其中两台变频机泵( 分别为6 # 和7 # 泵) ，另一 台是工频泵( 8 # 泵) 。水泵的制造厂家是著名的英格索兰一德莱赛泵公司( i d p ) ，各台泵的具体参 数如表2 - 1 所示。 表2 1 水泵铭牌上的主要参数 水泵编号型号规格制造厂家 流量扬程 效率转速 6 #3 6 h i f l oi d p6 6 6 0m h2 8 6 m8 6 7 4 0 “m i n 7 #3 6 h i f l oi d p6 6 6 0m h 2 8 6 m 8 6 7 4 0 r m i n 8 #3 6 h i f l oi d p6 6 6 0m h2 86 m8 6 7 4 0 r m i n 8 q 如 一 z 2 z 3 ) ，对应的工频泵流量分别是q l 、q 2 、 q 3 。( q h 即为工频泵( 变频水泵满频) 时的q h 曲线，( q h ) n 为变频泵频率为n 时的q h 曲线。 通过对该图的分析，可以得出以下结论。 工频泵的出水量主要是取决于江水位的高低，当江水位一定时，水泵出水量也一定，水泵的 出水量会随着江水位的升高而增大，且存在一个单泵最大流量o m a x ，此时长江水位最高接近i o m 。 工频泵的出水量不一定能符合需要的供水量，此时需采用变频水泵进行供水，存在以下三种 情况，若一泵房需要供水量为q a 。 江水位为z 2 ，开工频泵，运行工况点为a 点，恰能满足供水要求。 江水位为z l 时，若开工频泵，运行工况点为b 点，流量为q i ，大于需要供水量q ，此时可 开变频泵( 频率调至f 1 ) ，运行工况点为a 点，流量0 2 = q a ，此时能满足供水要求。 江水位为z 3 时，若开工频泵，运行工况点为c 点，流量为q 3 ，小于需要供水量q ，此时需 增开一台水泵，此情况属于两台水泵联合供水，具体讨论见后。 ( 2 ) 两台水泵联合供水运行工况分析 9 奎壹查兰堡：兰兰竺丝兰 有两种调度方式：采j 甘一台变频水泵加一台j ：频水泵或采用两台变频水泵( 两台变频泵频率基 本保持一致) 联合供水，运行工况分析如图2 - 8 所示。 图2 8 两台水泵联合供水运行工况图解 ) 2 ) 1 由于是进行定性的分析，所以将管路水头损失忽略不计，采用等扬程下的流量叠加的方法由 单台水泵的特性曲线绘出两台水泵联合供水的特性曲线。 图中以实线表示的( q 卜_ _ h ) 2 曲线是一台工频水泵与一台频率为f 2 的变频水泵联合供水的特性 曲线，以虚线表示的( q h ) l 曲线是两台频率均为f 1 的变频水泵联合供水的特性曲线。 n m “是单台水泵运行效率最高的等效率曲线，它与不同频率的( 卜_ h 曲线的交点就是该频率 下水泵运行的高效点，如图中点b 、c 、d 。 点d 是两台变频泵( 频率均为f 1 ) 联合供水时单台调速泵效率最高的工况点，可以看出采用 两台水泵联合供水时，在两台变频水泵频率保持一致的情况下，两台水泵的高效点是重合的。 点b 是一工频和一变频( 频率f 2 ) 联合供水时定速泵效率最高的工况点，点c 是一工频和一 变频( 频率t 2 ) 联合供水时变频泵效率最高的工况点。可以看出在采用一工频和一变频联合供水时， 当变频泵在满频率时，工频和变频两泵的最高效率工况点是重合的，而当变频泵频率下调时，工频 变频两泵的最高效率工况点将渐渐的相互远离。 当一泵房需要供水量为q a 时，即水泵工况点在a 点，由图2 - 9 可以看出，采用一工频和一变 频或两台变频联合供水均能满足供水量q a ，但相比较而言，在采取两台变频泵供水( 频率相同) 的 方式下，此时两台水泵的的高效点要更接近a 点。 因此，采用一台变频水泵加一台工频水泵联合供水时( 变频泵的频率远小于满频) ，两泵是不可 能同时处在高效点附近运行的，而采用两台变频水泵联合供水则可以更好的使两台水泵同时运行在 高效点附近，就水泵运行的效率来看，后者比前者能耗要低。 然而，上述分析中采用两台变频泵供水比采用一台工频水泵加一台变频水泵供水节能应该是在 某段流量范围内。从以往运行的实际经验来看，在两台变频泵频率接近满频率时，其电耗比相同工 况下采用一工频泵加一变频泵的电耗要高，这是因为变频器本身有2 5 左右的功率损失。 2 2 2 实测数据验证 为了验证一下理论分析的可靠性，随机采集了两种调度方式下，在一台变频水泵加一台工频水泵 联合供水和两台变频水泵联合供水下，各自两天中1 2 小时的运行数据进行对比，如表2 - 2 所示。 1 0 第二章水泵调度的r t 艺分析 表2 - 2 两种调度方式下的运行数据 一台变频水泵加一台工频水泵联合供水 平均流量电耗平均江水位平均泵后压力 时段 ( m h )( k w h m m )( m )( b a r ) 3 月2 3 日8 ：0 0 - 一2 0 ：0 0 8 7 7 50 0 0 4 2 9 43 6 12 3 2 3 月2 4 日8 ：0 0 2 0 ：0 08 5 0 80 0 0 4 2 9 0 3 6 2 2 3 l 两台变频水泵联合供水 平均流量电耗平均江水位平均泵后压力 时段 ( m h )( k w l d m 3 m )( m )( b a r ) 3 月2 5 日8 ：0 0 2 0 ：0 0 9 5 5 80 0 0 4 1 6 53 5 42 3 7 3 月2 7 日8 ：0 0 - 2 0 ：0 0 8 8 3 3 0 0 0 4 2 4 43 6 12 3 4 不难看出，在江水位相同时，采用两台变频供水要比采用一工频和一变频供水的电耗低i 2 ， 这是因为在一定的流量下，若采用一变频泵加一工频泵供水，变频泵的频率较低，致使工频变频两 泵的高效点距离较远，造成能耗的升高；而采用两台变频泵在同频率下供水，两泵的重合高效点将 更接近于运行工况点。 2 2 3 不同供水量下的调度建议 当供水量小于等于单台工频水泵最大供水量时，若开工频水泵基本能满足需要供水量，则开启 工频泵；若开工频泵流量大于需要供水量，则开启变频泵。若开一台工频泵流量小于需要供水量， 则需开两台变频泵。 当供水量大于单台工频水泵最大供水量时，开启两台变频水泵联合供水，两泵频率保持基本一 致。当供水量接近两倍的单台工频水泵最大供水量时，开启一台变频水泵加一台工频水泵联合供水。 2 3 水泵的人工调度方式及其存在的问题 目前，城北水厂一泵房的调度采用人工调度，调度方式主要有四种，在2 2 节已经给出说明。 人工调度的流程如图2 - 9 所示。 图2 - 9 人工调度的流程图 由上图可知，操作人员根据经验对一泵房水泵进行调节。操作人员通过观察清水池的液位高低 及二泵房的出厂水流量，经过决策后来确定一泵房泵组的开关以及频率的设置。 1 1 东南大学硕 。学位论文 在本课题未进行之前，城北水厂原有设备已初步实现了一些数据监测及报警的功能，并且具有 水泵故障等紧急事故处理的能力。但是由于在设计时对一泵房的自动控制考虑较少，从而导致其仍 处于人工控制阶段。对于一泵房控制这样一个复杂的过程而言，仅仅依靠人工经验是很难取得良好 的控制效果的。经总结，人工调度主要存在以下不足之处。 1 有些时段频率设置得较低，水泵偏离高效区 通过对历史数据的分析，我们发现在人工调度时水泵的频率有时候设置得比较低，低于9 0 。 根据水泵的运行曲线及管路特性，在低频时刻水泵的运行偏离管路曲线，也偏离了水泵的高效区范 围，达不到节能降耗的目的。 2 水泵开关泵次数较多 一般来说，白天流量的时候，一泵房开两台泵。但有时候由于操作人员的疏忽，长时间使两台 水泵运行在较高的频率，导致清水池水位偏高，从而不得不关闭一台水泵实现安全生产。频繁开关 水泵会导致很多问题，首先会造成对水泵的磨损，不利于延长水泵使用寿命；其次造成瞬时流量突 变，对后续的加矾等工序产生重大的冲击。 3 操作员的操作习惯不一致，难有统一的标准 人工调度很依赖于个人的操作习惯，有些操作员喜欢将清水池水位打到高位，达到蓄水的目的： 而有些操作员喜欢将清水池水位打到平均水位，达到安全生产的目的。由于操作习惯的不一致，就 很难有统一的标准，不利于水泵的长期稳定运行。 图2 1 0 是在人工调度下城北水厂的水泵泵组切换及频率设置图，由图可以发现在一些时刻水泵 频率设置得较低。此外，开关水泵的次数也比较多。 图2 1 0 人工调度下的泵组切换及频率设置图 尽管人工控制不能完全适应各种工况，但其长期积累的工作经验仍然非常有助于自动控制方案 的选择，充分利用计算机的计算能力，并与人的智慧相结合将更加有助于系统的完善。 1 2 第三章一泵房优化调度的总体方案设计 第三章一泵房优化调度的总体方案设计 3 1 一泵房优化调度的总体方案设计 3 1 1 调度需求 城北水厂一泵房优化调度的需求主要分为三个部分：水量方面、工艺方面以及节能方面，下面 分别进行说明。 1 水量方面 对二泵房供水量数据进行统计分析和预测，根据供水量变化特点，以“高峰补水、低峰蓄水” 为原则来合理设定清水池水位，即在二泵房供水高峰来临前将清水池水位蓄水到允许摄高水位，高 峰过后再渐渐蓄水到允许最高水位，以保证下一个高峰供水。在充分发挥清水池调蓄作用的情况下， 通过合理经济调度一泵房水泵台数和频率，并适时安排沉淀池排泥和滤池反冲洗，最大程度地保证 制水平衡。 2 工艺方面 保持一泵房出水的稳定性，减少开关机组次数，使沉淀池和滤池稳定运行，并降低对加矾等后 续工艺的影响。 3 节能方面 利用长江水位变化及变频调速技术，使水泵运行在高效区；其次，利用清水池的调节，推迟早 上开两台泵的时问和提前实现过夜；第三，在一定条件下，实现工频泵过夜。 3 1 2 系统总体方案设计 图3 - 1 是自来水生产的示意图，源水来自长江，由一泵房将其打到配水井，经加矾加氯工艺后， 净水流至清水池，再由二泵房将出厂水打至南京市管网中。 图3 - 1 自来水的生产流程 二泵房 一泵房的优化调度主要研究取水工艺，在满足水量要求的基础上，适时调整机组的运行状况， 使机组处于经济运行状态，实现泵站的优化控制。从上图我们可以发现影响一泵房优化调度的因素 主要有：长江水位、清水池液位、二泵房的流量等。因此，研究一泵房优化调度需要综合考虑这些 因素。 一泵房的优化调度一方面用于实时操控现场的水泵；另一方面为后续的加矾、加氯自动控制提 供六小时的预测调度表。因此，一泵房优化调度需要以下模块：二泵房的流量预测、长江水位的预 测、清水池液位设定、水泵特性自辨识、工频泵过夜问题、预测调度和实时控制，如图3 2 所示。 1 3 东南人学硕士学位论文 二泵房流量预测 _ - - 长江水位粗略预测；_ 预 测 嘉 调 清水池液位设定 _ - - 度 _ - 卜 方 水泵特性自辨识b 案 工频泵过夜判断b 图3 - 2 一泵房优化调度的总体框架 水泵 现场 控制 图中的预测调度方案主要依据二泵房流量预测和长江水位的粗略预测模型，结合水泵的工作曲 线，通过清水池的调蓄作用，确定泵组的运行组合和水泵运行的频率，尽量使备台水泵运行在高效 区。由此生成的六小时水泵调度计划，为后续的加矾、加氯自动控制提供依据，也为实时控制算法 提供指导。预测调度方案结合清水池液位曲线，在保证安全运行的同时，更多考虑的是水泵节能问 题，属于“粗调”；而后级的实时控制主要用于控制现场的各台水泵，更多考虑的是控制精度，属 于“细调”。 控制方案部分我们将在下一章具体展开论述。下面我们先对二泵房流最预测、长江水位的粗略 预测、清水池水位的设定、工频泵过夜问题以及水泵特性自辨识等关键模块分别进行介绍。 3 2 一泵房优化调度的相关模块分析 3 2 1 二泵房的流量预测 城市用水量符合统计规律，一般来讲，晚上用水量小，白天用水量大，气温高的时候用水量比 气温低的时候要多。二泵房的供水量也有类似的规律，因此其流量曲线可以根据历史统计规律进行 预测。图3 - 3 统计了一个星期的二泵房流量。 弋隋弋弋陌柯n ”队擘 uuul fu ju 图3 - 3 二泵房流量曲线图 1 4 第三章一泵房优化调度的总体方案设计 从上图中我们可以看出二泵房的出水量具有一定的规律性，晚上的流量小，白天的流量大。崩 水高峰一般集中在上午和傍晚，午后有一段时间流量也比较小。此外，通过对历史数据的研究，我 们发现气温也是影响用水量的一个重要因素，夏季气温高的时刻，二泵房的日平均流量要比冬天大 得多。 我们的二泵房流量模型考虑了上述因素，以历史流量曲线为基本参考模型，同时兼顾了当日气 温这个主要的扰动量，如图3 4 所示。 图3 - 4 二泵房流量预测模型 基于这个流蕞模型，我们对某日的二泵房流量进行模拟仿真，如图3 - 5 所示。图中实线部分是 那天实际的二泵房流量曲线，虚线部分是预测曲线。分析发现，预测模型很好地模拟预测了当日的 流量曲线。 3 2 2 长江水位的租略预测 图3 - 5 二泵房流量预测仿真图 长江南京河段位于长江下游，属于感潮河段，其水位变化除了受到长江干流洪水和潮汐的影响 之外，有时还会受到附近地区暴雨、淮河入江洪水顶托和台风及风暴潮的影响i ”】。因此，精确预测 东南大学硕士学位论文 长江南京河段的江水位不仅需要积累数年的数据，还要考虑诸多闪素的影响，对长江水位建立准确 的数学模型有相当的难度。 由于江水位在小范同内的波动对水泵扬稃影响不大，泵组山水流量的变化也很有限，冈此只要 建立一个简略的预测模型，就可以满足我们系统的要求。研究发现，江水位在短期内的变化趋势主 要受潮汐的影响，呈现出周期性的变化规律，如图3 - 6 所示。长江水位在一个潮汐周期内有两个波 峰和两个波谷。周期间的平均水位随诸多因素的影响而缓慢地上升或下降，有一定的变化趋势。 我们对长江水位的预测正是考虑了这两个因素，以上一个潮汐周期的陈江水位为基础，根据近 期的水位变化规律对预测水位进行实时修正。 aa囊八八八。八汐 v v nv j v v 3 2 3 工频泵过夜问题 图3 - 6 长江水位的一周变化趋势图 变频水泵由于存在变频器，所以同规格的变频泵在满频时其功耗要比工频泵大。这是因为变频 器本身存在功率损耗，其效率大约为9 4 一9 6 。因此在夜间较高流量时刻，使用一台工频水泵比 使用变频水泵更为经济。