（模式识别与智能系统专业论文）给水管网系统节能技术研究和应用.pdf

摘要 摘要 供水管网是供水企业输送水的主要载体，科学的管理和维护质量直接影响 供水企业的经济效益和未来的发展，直接关系着人民生命和财产的安全。随着 国内城市化进程的快速发展，供水能耗大大增加，管网运行成本提高，因此供 水系统的节能降耗成为供水企业面临的重要研究课题。 给水管网系统是一个由泵站、管道以及阀门等水力要素组成的大型复杂网 络系统，而且随着管网的更新、改造，其复杂度越来越大。给水管网系统由泵 站加压经管网配水至用户或者调节构筑物，故本论文围绕泵站、管网和调节构 筑物的节能设计和运行两方面进行的技术研究，在输水管网的各个环节的上做 到节能降耗。主要内容包括： ( 1 )泵站设计：获取准确、充分的相关设计资料，进行合理选型、工况 校核，在满足工况的情况下使设计的运行能耗最低； ( 2 )管网设计：通过管网水量预测、管网系统造价分析优化和管网水力 计算使管网投资和运行费用经济合理； ( 3 ) 构筑物设计：主要包括地理位置的选择、容积大小的设计以及数量 的确定三部分。 通过在管网运行中的合理调度，能够实现安全经济合理的运行。主要包括： ( 1 ) 泵站运行和优化调度节能：水泵的工况点调节方法有：变速调节、 变径调节( 车削调节) 、闸阀调节：优化调度是水泵的优化组合运行。 ( 2 ) 管网运行调度节能：通过分析供水管网压力分布，优化管网压力， 检查多余服务压力或低压区域。将供水管网抽象为数学模型，分析其系统特性， 为水厂生产调度和改扩建提供可靠的依据。 ( 3 ) 构筑物调度：通过合理调度水箱、水库和水塔等调价构筑物的进水 时间和出水量，充分发挥它们的压力调节和水量调节的作用。 本研究成果在上海市自来水奉贤有限公司的给水管网系统中进行了应用研 究。具体包括： ( 1 )二水厂二泵站3 # 泵变频调速运行满足淡季时供水要求；6 # 泵叶轮切 削6 后即可满足高峰时的供水要求；同时可以通过优化组合调度满足供水需求。 ( 2 ) 使用e p an e t 水力计算软件对2 0 1 0 年集约化输水系统进行计算，结 摘要 果是满足各工况和远期最大时用水要求；通过对s c a d a 系统的实时数据、历史 数据进行分析，及时调整水厂的出厂水压力，在满足供水服务压力的前提下， 降低出厂压力；同时还可以对突发事件即时响应，提高了服务质量。 ( 3 ) 合理调度水箱和水池的进出水时间和水量，确保管网压力的情况下 实现节能降耗。 上海市自来水奉贤有限公司采用的相应节能技术尤其是泵站变频调速、切 削换轮运行及管网压力优化调度节能效果十分可观，也是当前自来水公司节能 的主要方式，故这些技术的应用也为其他自来水公司的节能降耗工作提供参考。 关键词：泵站，管网，调节构筑物，能耗分析，节能技术 i i a b s t r a c t p i p en e t w o r k sa r et h em a i nc a r t i e ro fw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s et ot r a n s p o r t w a t e r s o u r c e m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c es c i e n t i f i c a l l yh a sd i r e c ti n f l u e n c et oe c o n o m y b e n e f i t ，c r e d i ts t a n d i n ga n dd e v e l o p m e n to fw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e s ，a l s oh a ss t r a i g h t c o n n e c t i o nw i t hp e o p l e sl i v e sa n ds e c u r i t yo fp r o p e r t y a l o n gw i t h t h er a p i d d e v e l o p m e n to f u r b a n i z a t i o n ，e n e r g yc o n s u m p t i o n a n dc o s to f p i p e n e t w o r k p e r f o r m a n c eh a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y s oe n e r g y 。s a v i n gi n w a t e rs u p p l ys y s t e m b e c o m e sr e s e a r c h f u lf o rw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e w a t e rs u p p l ys y s t e mi sal a r g ea n dc o m p l i c a t e dn e t w o r k , w h o s eh y d r a u l i c c o n s t i t u t ep a r t sa r ep u m p i n gs t a t i o n s ，p i p en e t w o r k s ，r e g u l a t i n gw o r k s ，e t c w i t ht h e r e n e w a la n dr e c o n s t r u c t i o no fp i p en e t w o r k s ，t h ec o m p l e x i t y o fi t sd e s i g na n d o p e r a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n d m o r cd i f f i c u l t d e s i g na n do p e r a t i o no fp u m p i n gs t a t i o n s ，p i p en e t w o r k sa n dr e g u l a t i n gw o r k s i ss t u d i e di nt h i st h e s i s o no n eh a n d , i t sd e s i g nm u s tb ee n e r g y s a v i n g , w h i c hm o s t l y i n c l u d e d ： ( 1 ) p u m p i n gs t a t i o n sd e s i g n ：f i r s t , r e l a t e de x a c ta n d s u f f i c i e n td e s i g ni n f o r m a t i o ni s a c q u i r e d ，t h e nc h o o s i n gt h er a t i o n a lp u m pt y p ef o rp u m ps t a t i o n s a n dc o n d i t i o n sc h e c ka r e p r o c e s s e d ，w h i c hm a k ee n e r g yc o n s u m p t i o nt h el e a s t ( 2 ) n e t w o r k sd e s i g n ：i n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s to fp i p en e t w o r k s a l ee c o n o m i cw h e n w a t e rq u a n t i t yf o r e c a s t ，c o s ta n a l y s e so p t i m i z a t i o n ，a n dh y d r a u l i cc a l c u l a t i o na r em a d e ( 3 ) r e g u l a t i n gw o r k s ：l o c a t i o ns e l e c t , v o l u m ed e s i g na n dn u m b e r a l em a i n l yi n c l u d e d 0 nt h eo t h e rh a n d ，d i s p a t c h i n gr e a s o n a b l yw h e no p e r a t i o nc a na c h i e v ei t s f u n c t i o no f s e c u r i t y , e c o n o m ya n ds o u n d ，o fw h i c ha r em a i n l yc o m p r i s e da sf o l l o w s ： ( 1 ) e n e r g y s a v i n go np e r f o r m a n c ea n dd i s p a t c h i n go p t i m i z a t i o n ：m e a n so f w o r kp o i n t r e g u l a t i o n a r es h i f tr e g u l a t i o n ，c u t t i n gi m p e l l e ra n dg a t e v a l v er e g u l a t i o n d i s p a t c h i n g o p t i m i z a t i o ni so p t i m u mc o m b i n a t i o no fp u m p s ( 2 ) p i p en e t w o r k sd i s p a t c h i n go p t i m i z a t i o n ：p r e s s u r e i s o p t i m i z e d ，i n c l u d i n g c x o c 鼹 p r e s s u r ec h e c ka n dl o w - p r e s s u r ez o n e ，t h r o u g ha n a l y s i s o fi t sd i s t r i b u t i o ni nw a t e rs u p p l y h i n e t w o r k s p i p en e t w o r k sc a nb ea b s t r a c t e dt o m a t hm o d e l ，t h e ns y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa l e a n a l y z e di no r d e rt op r o v i d er e l i a b l ef o u n d a t i o nf o rd i s p a t c h i n g ，r e c o n s t r u c t i o na n dc o n t i n u a t i o n ( 3 ) r e g u l a t i n gw o r k sd i s p a t c h i n g ：p r e s s u r ea n dq u a n t i t yr e g u l a t i o na r eb r o u g h ti n t of u l l y p l a yt h r o u g hd i s p a t c h i n gt i m ea n dq u a n t i t yi na n do u to fw a t e rt a n k s ，r e s e r v o i r s ，w a t e rt o w e r s ，e t c a tt h es a m et i m e ，a p p l i c a t i o n st ow a t e rs u p p l ys y s t e mo fs h a n g h a iw a t e r w o r k sf e n g x i a nc o l t d a r em a d ef o rt h es t u d y t h e s ea l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e 错p u m pi nt h es e c o n dp u m ps t a t i o no ft h es e c o n dw a t e rp l a n tm e e t st h ew a t e r d e m a n di nl o ws e a s o nw h e nf u n c t i o n si nf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h e 醑p u m pc a nm e e tt h ew a t e r d e m a n di nf l o o dt i d e ，w h o s ei m p e l l e r c u t t i n gi s6 o p t i m u mc o m b i n a t i o nd i s p a t c h i n g s i m u l t a n e o u s l yc a l lm e e td e m a n d ( 2 ) c a l c u l a t i o n sa r em a d et ot h ey e a r2 0 1 0 si n t e n s i v ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，u s i n ge p an e t h y d m u f i cc o m p u t a t i o n a ls o f t w a r e ，a n do fw h i c hr e s u l ti s t h a ti tc a l la t t a i nw a t e rd e m a n do f d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dl o n gt e r md e m a n d t h r o u g ha n a l y s i st od a t ai nr e a lt i m ea n dh i s t o r yf r o m s c a d as y s t e m ，h y d r a u l i cp r e s s u r el e a v e sf a c t o r y , w h i c hr e d u c e di nc o n d i t i o nt h a tm e e t sw a t e r s u p p l ys e r v i c ep r e s s u r e ，i sa d j u s t e di ng o o dt i m e a tt h es a m et i m e ，a c c i d e n t sc 柚b er e s p o n d e d i m m e d i a t e l y , w h i c hi m p r o v e st h es e r v i c eq u a l i t y ( 3 ) d i s p a t c h i n gt i m ea n dq u a n t i t yi na n do u to f 、c e rt a n k sa n dr e s e r v o i r s ，w h i c hc a n a c h i e v ee n e r g y s a v i n gw h e np r e s s u r eo fn e t w o r ki sg u a r a n t e e d a p p l i c a t i o n si nd e s i g na n do p e r a t i o no p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g i e si ns h a n g h a i w a t e r w o r k sf e n g x i a nc o l t d ，e s p e c i a l l yo p e r a t i o ni nf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n d c u t t i n gi m p e l l e ra n dw a t e rp r e s s u r eo p t i m i z a t i o n ，h a sac o n s i d e r a b l ee f f e c t o n e n e r g y s a v i n g t h e s ea r em a i nm e t h o d so fe n e r g ys a v i n gf o rw a t e re n t e r p r i s e s ，s o t h e s ea p p l i c a t i o n sp r o v i d er e f e r e n c e st oo t h e r so nt h e s ea s p e c t s k e yw o r d s ：p u m ps t a t i o n ，p i p en e t w o r k , r e g u l a t i o nc o n s t r u c t i o n ，e n e r g y c o n s u m p t i o na n a l y s e s ，e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g i e s i v 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：侯佥霞 斯7 年弓月c e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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：侯金霞 勘四年专月f ，日 第1 章课题研究目的和意义 第1 章课题研究目的和意义 1 1 我国管网输水现状 水是人类生活、工农业生产和社会经济发展的重要资源，科学用水是人类 社会发展历史上重要的社会活动和生产活动内容之一。为了满足城市和工业企 业的各种用水需求，城市供水系统需要具备充足的水资源、取水设施、水质处 理设施和输水及配水管道网络系统，这些系统共同组成了给水系统。特别是在 近代历史中，随着人类居住和生产的城市化进程，给水排水工程已经发展为城 市建设和工业生产的重要基础设施，成为人类生命健康安全和工农业科技与生 产的基础保障。 给水管网系统是给水工程设施的重要组成部分，是由不同材料的管道和附 属设施构成的输水网络。其功能是承担供水的输送( 实现一定水量的位置迁移， 满足用水的地点要求) 、分配、压力调节( 采用加压和减压的措施调节水的压力， 满足输送、使用的地点要求) 和水量调节( 采用贮水措施解决供水、用水的水 量不平衡问题) 任务，起到保障用户用水的作用。 给水管网系统一般由输水管( 渠) 、配水管网、水压调节设施( 泵站、减压 阀) 及水量调节设施( 清水池、水塔和高位水池) 等构成1 1 j 。图1 1 为一个典型 的给水系统管网示意图。 1 清水池；2 - 供水泵站；3 输水管；4 配水管网； 5 - 水塔( 高位水池) ；6 加压泵站；7 - 减压设施 图1 1 典型给水管网示意图 1 第1 章课题研究目的和意义 我国的城市供水工程始于1 9 世纪7 0 年代，自1 8 7 9 年旅顺引泉供水，1 8 8 3 年e 海杨树浦水厂投产，至1 9 4 9 年，中国供水事业发展缓慢。至1 9 4 9 年为止， 我国h 有7 2 个城市约9 0 0 万人喝上自来水日供水能力仅2 4 0 万m 3 ，管道长度 仅6 5 8 9 k m 。1 9 4 9 年后，特别是在2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代大发展时驯，供水 事业得到蓬勃发展和提高ii 。尤其是近几年，随着中央政府对基础设施投资的进 步加大，我国的城市供水出现了建设而大、规模大、工艺新和速度快的特点， 但由于历史原因，城市供水发展中显现出的一些问题值得认真分析和思考p “。 供水发展现状 首先从中国城市供水能山看，根据近年的统计数字：2 0 0 7 年，中国城市自 来水生产能力2 5 7 0 83 6 万l d ，年末管道长度为4 4 7 2 2 9 22 k m 城市供水能力 己是最高几供水量的1 2 8 倍，人均日生活用水量为1 7 83 9 u 人d ，比1 9 9 0 的 1 7 57 1 2 人d 增长了2 2 。我国城市综合人均日用水量f 包括城市生产和生活用水 等) 自1 9 9 0 年至1 9 9 9 年从6 7 1o l 降至5 3 63 7 l ，下降了1 7 1 。但仍为欧洲1 5 国i 9 9 1 年平均值的20 6 倍1 6 j 。这充分说明，我国城市节约用水还有很大潜力， 特别是工业生产用水和其它公共用水。同时节水可以节约动力费用，相当于自】 接节约了能量。 2 供水水质现状 t # 国城镇供水协会统计资料表明【3 i ，纳入1 9 9 8 年供水水质有效统计的5 3 8 个城市中，管网水浊度、细菌、余氯和大肠杆菌水质综合合格率超过9 9 的城 市3 5 7 个；合格率在9 5 - 9 9 的城市1 6 7 个：小于9 5 的城市1 4 个。不同水 质综合台格率城市占统计城市数的百分比见图1 2 。 图1 2 我国城市水质合格率的比例 第1 章课题研究目的和意义 我国目前许多城市的自来水厂是2 0 世纪7 0 9 0 年代修建的，但现在仍在继 续使用，由于当时的设计标准偏低，水厂对出水水质要求不高，很难满足目前 新的生活饮用水水质标准，而且运行成本高，耗电高，因此急需从提高水质和 降低运行成本两方面进行技术改造。特别是在当今社会，经济不断发展，有毒、 有害污染物种类不断增加，水质检测手段不断提高，人们对身体健康越来越重 视的情况下，进一步提高城市饮用水水质和降低运行成本就成了城市供水行业 面临的重要任务之一。 1 1 3 供水漏损现状 根据统计资料计算【引，1 9 9 5 年我国不同供水规模城市其管长比漏损量的分 类统计结果见图1 3 。图1 3 表明，管长比漏损量有随着城市供水规模增加而增 加的趋势。国际供水协会对世界各国2 5 个城市管长比漏损量平均统计结果见图 1 4 1 3 j 。图1 4 表明，西欧、北欧和南欧国家供水管长比漏损量最低，仅为 0 5 0 - - 0 6 0 m 3 ( k a n h ) ；亚洲地区最高，平均为3 7 5 m 3 ( 1 衄h ) 的；世界城市平均值 为1 7 5 m 3 h ) 。根据建设部1 9 9 7 年有关统计资料计算【3 】，我国平均管长比漏 损量为1 9 3 m 3 ( k m h ) 为世界平均值的1 5 倍，为欧洲一些国家的4 倍。上述这些 统计数字表明，我国城市供水漏损量有待采取措施予以改善。 信 蔷s 蒸2 嘿 墨1 业 萎o * 1 0 0 日供水能力( 7 i t d ) 图1 3 我国不同供水规模城市管长比漏损量图 北欧西欧南欧东欧远东南非 国家、地区 图1 4 不同区域、国家管长比漏损量图 3 7 6 5 4 3 2 l o )im一咖骣嘿丑半扯露 蝴邈 一 姗戮滋纛盈 一 ，缀缓誊蛐懈羹 ，l 一 率 默缓 删 蟹 漏 l 蠕 一 长 巧缓 猷 吣盟 平 ，l 旷 啪邈 第1 章课题研究目的和意义 1 1 4 供水企业成本 统计表州3 1 ，我国供水企业中亏损企业占的比例在1 9 8 6 年仅4 ；到1 9 9 0 年，上升到1 6 ，1 9 9 7 年竟达到3 2 。究其原因，除了水价和管理等因素外， 运行成本过高是一个主要的原因。建设部颁布的我国城市供水行业2 0 0 0 年技 术进步发展规划i r l 的核心内容是“二提高，三降低 ，其中的“三降低”，把降 低能耗放在了首位，足见其重要性。建设部在我国城市供水行业2 0 1 0 年技术 进步发展规划【7 l 中再次明确提出：供水企业技术进步的核心是积极采取实用的 先进技术与经验，以较低的投资和运行成本，有效地完成提高水质和保证供水 的要求。在供水企业的成本中，电耗一般占4 0 7 0 ，且每年呈递增趋势。因 此降低能耗是提高企业经济效益的重要环节。 1 ，2 我国能源及管网输水能耗概况 在过去2 0 年里我国能源消费量已翻了一番【8 l ，2 0 0 7 年全国能源消费量为 2 6 5 6 亿吨标准煤，比2 0 0 6 年增长7 8 ，虽为2 0 0 2 年来最低，但仍占世界能源 消费总量的1 5 以上，是世界第二大能源消费国，到2 0 1 5 年将迎来“石油峰值。 据国际能源机构( 正a ) 的预测，从目前到2 0 1 5 年这段时间内，中国的能源需 求每年将增长5 1 ，是现在能源消费量的1 4 9 倍；因此，中国未来能源供需的 缺口将越来越大，在采用先进技术、推进节能、加速可再生能源开发利用以及 依靠市场力量优化资源配置的条件下，2 0 1 0 年仍然缺能约8 ，到2 0 4 0 年将短 缺2 4 左右【8 l 。国民经济的发展和人民生活水平的提高都只能走高效利用能源的 节能之路。 我国节能潜力巨大。一是产品能耗高。中国主要用能产品的单位产品能耗 比发达国家高2 5 一9 0 ，二是产值能耗高【6 j 。中国产值能耗是世界上最高的国 家之一。产值能耗高即单位能耗创产值低，根据2 0 0 1 年的数据表明l 引，我国创 造每万美元g d p 所消耗的能源为7 2 4 t 标准油，而能源经济效率最高的日本为 1 3 l t 标准油，美国为2 3 3 t 标准油，韩国为5 4 4 t 标准油，印度为6 0 5 t 标准油， 德国为1 4 6 t 标准油，世界平均值为4 3 0 t 标准油。经测算，通过产业结构调整、 产品结构调整、降低高能耗行业的比重、增加高附加值产品的比重以及居民生 活用能优质化等措施，近期国民经济产值能耗节能潜力达3 亿吨标准煤左右。 4 第1 章课题研究目的和意义 因此我国“十一】i ”期间总的节能潜力约为4 亿吨标准煤，2 0 1 5 年我国节能潜 力约为9 亿吨标准煤。 供水系统是城市的耗能大户在整个给水工程的用电量中9 0 以上的电量 是用束维持水泵的运转。就一般的城市水厂而言，泵站消耗的电费通常占自来 水成奉的4 0 一7 0 就全国水泵机组的电能消耗而吉，它占全国电能总耗的2 0 以上吼在芰国每年生产出的电约有7 被给水厂消耗掉了【”l i 以1 9 9 8 年计，我 国自柬水生产和供应业总共消耗了5 4 17 3 万t 标准煤i “1 ，我国供水系统的电耗 均值约为0 4 0 k w h m 3 ：而同一时期美国供水管理机构( a w s ) t ”对其f 属的1 6 0 家水厂的调查表明，美国供水系统的电耗均值约为o5 0 k w h r a 3 ，具体分和见表 1 1 ： 袁1 1 水单耗分布情况 从比能耗上看，我国与美国供水系统相差小太，但美国的给水处理基本上 均采用深度处理，且水厂污泥全部进行了脱水处理；而我国绝大部分水厂都未 对污泥进行处理，这说明我国供水行业在节能方面存在着较大的潜力。 对北京水源八厂的成本核算调查见图15 1 4 j 图中动力费用占6 56 。因此 我国给水厂，尤其是工艺较为陈旧的老j 。，能耗较大，运行成本高，节能问题 十分突出。 凹15 北京水源八厂单位制求成本分配 综上所述，现有的城订供水系统普遍存在着供水可靠性筹，能耗岛，运行 成本高的问题，这严重影响了城市和供水行业的发展。进入2 1 世纪后随着国 民经济快速发展和城镇化的进程，人民生活水平将会有大的飞跃，这将促使给 水行业的进一步发展，给水行、l 对电能的需求将会增大。因此，研究和探索城 一精鲼费费l丽端美 第1 章课题研究目的和意义 市给水厂管网节能技术及其工程途径具有重要的现实意义。 1 3 课题研究的内容 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 对国内的管网输水现状、主要问题、能源和能耗现状做了概括，提出了 课题研究的目的和意义； ( 2 ) 对国内外管网系统节能技术研究现状做了总结概括，总结了国内外管网 系统节能研究成果、存在的问题和发展趋势； ( 3 ) 对给水管网系统的重要组成部分一泵站、管网和调节构筑物的能耗的理 论基础进行了阐述和总结，并在此基础上对其能耗做了理论分析； ( 4 ) 针对目前给水管网系统设计和运行中存在问题，对泵站、管网和调节构 筑物的能量效率进行了分析，提出了节能降耗的技术和应用方案构成； ( 5 ) 对泵站、管网和调节构筑物的节能设计和运行技术进行了研究； ( 6 ) 以上海市自来水奉贤有限公司给水管网系统为实例，对该区的管网系统 能耗现状和原因进行分析，做了泵站、管网和调节构筑物的节能设计和运行技 术应用分析。 1 4 课题研究的目的和意义 1 4 1 节能减排 输水管网系统中的泵站是直接消耗能量的。泵站内通常安装多台大小不同、 型号各异的水泵，以便根据管网用水量的需要，在运行时将各种水泵进行合理 搭配。近年来，变速泵的应用越来越多，所以不仅需要确定哪台变速泵应该启 动，还要决定该泵在什么转速下运行。有效的水泵调度，既要根据用水量需要 确定开动效率最高的水泵，又要确定在一天不同时段内能供多大流量。有些城 市电费的收费有时段性，为了鼓励夜间用电，往往此时电费较低，而在白天电 费较高，当用电量超过某一限度时可能还要增加收费等。利用这种电费的征收 特点，调度时可使水泵在夜间多抽水到蓄水池中储存起来，而在白天由蓄水池 向管网供水，以减少开泵的次数并节约用电。 6 第1 章课题研究目的和意义 1 4 2 可持续发展 输水管网的能耗分析和节能技术研究虽然没有减少需水量，但是他可以使 整体效益最大化，也是减缓水资源供需矛盾的最经济最快速的方法，同时它还 使科学技术渗透到水资源管理工作中，提高管理者的科学意识和管理水平，促 进工程水利向资源水利的转变。 利用优化技术和方法，通过输水管网合理设计和运行调度，降低单位配水 电耗，从而促进人口、资源、环境、经济协调发展。 发展是永恒的主题，片面的经济增长并不一定意味着发展。经济增长型的 水资源配置方式，虽取得了经济的迅速增长却带来了环境污染和生态破坏、对 人类的生存和发展构成了威胁。只有人口、资源、环境、经济相互协调的发展 才是最佳的发展模式。这种集约化供水方式，是在保护生态环境的同时，促进 经济增长和社会繁荣，从而保证了可持续发展的顺利进行。 供水系统是城镇最重要的基础设施之一，它的完善程度是社会文明、经济 发展和现代化水平的重要标志。 1 4 3 管网能耗的重要价值 我国城市给水事业发展迅速，规模还在不断扩大，对城市旧的给水管网的 改建、扩建以及新建工程的要求日益迫切，城市用水企业也在不断地注入大量 资金用于管网的运行管理方面的技术改造，以期实现经济高效、现代化的运行 管理。 输配水管网的设计和调度优化不仅关系到合理的供水电耗，还涉及要适应 用户需要，提高供水可靠，合理降低管网漏失率等。所以，城市给水管网的优 化调度研究是城市供水行业亟待解决的问题，也同时是具有重大经济效益和社 会效益的研究课题。 1 减小漏水量 水资源是宝贵的财富，因此节约用水的意义重大，减小管网漏水量也是节 约用水的一项措施。我国城市管网的实际漏水率约为1 2 一1 5 。避免漏水的方 法很多，降低过高的水压是减少漏水量的有效方法。 2 降低维护保养费用 7 第1 章课题研究目的和意义 保持管网最小所需的自由水压，避免管网过高的压力，可以减小爆管的可 能性。因爆管修复的费用很大，所以维持管网适当水压非常必要。另外在调度 时，应合理经济的开停水泵，过于频繁开停会增加设备磨损，并且会出现有破 坏性的水锤现象。 由以上论述可以看出，很有必要实现输水系统的设计和运行优化调度，这 样不仅可以保障安全可靠地供水，更重要的是可以极大地降低供水成本，提高 供水企业经济效益。 8 第2 章课题研究国内外现状 第2 章课题研究国内外现状 随着工业生产能力的提高，城市人口的增加，以及人民生活水平的不断改 善，对城市供水系统的要求也越来越高，供水系统的规模在不断扩大，复杂性 随之提高。我国数以百计的城市用于供水系统的能耗是巨大的，传统的经验调 度方式能量浪费甚大，已不能适应现代社会发展的需要。如果进行合理的节能 分析，优化调度，不仅能节省大量能源，而且能使管网在合理的状态下运行， 既满足供水的要求，也使管网的压力更为合理。面对同益复杂的供水系统，如 何在满足供水水量、水压及水质要求的前提下，最大限度地提高系统的经济效 益和社会效益，是所有供水部门面临的重要课题。随着科学技术的不断进步， 规划方法、现代控制理论及计算机技术等发展迅速，有力地促进了大型系统的 控制和管理水平的提高，使供水系统借助于科学的方式进行调度管理成为可能。 2 1 课题研究现状 目前国内外对城市给水工程能耗的研究基本上都集中在泵站工程方面，而 对给水管网系统方面的能耗研究相对较少。从总的来看，对给水水管网及调节 构筑物的能耗方面的研究大大落后于管网可靠性、漏损和水质的研究。 2 1 1 泵站能耗 水泵机组所消耗的电能通常占水厂总耗电量的9 0 以上，由于各种条件的 限制，我国泵站工程普遍存在效率不高，能源单耗大，制水成本高等问题，致 使泵站工作效益较低，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，其实质就是水泵的优 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，使泵站运 行始终处于较优的工作状态，以达到节能目的。 1 泵站工艺优化 9 第2 章课题研究国内外现状 国外水泵优选方法包括启发式方法，如采用高效的水泵组合方式或是用储 水池来削弱高峰流量对泵站的冲击性，进行这类研究的有c h a o ( 1 9 7 9 ) 和 j a c o b s ( 1 9 8 0 ) 等 1 3 j 。更严谨的方法有用数学方法优化选择水泵。如l i n d e l le o r m s b e e ( 1 9 9 4 ) 的动态规划算法d g ( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) b 4 l 。 c h e r t ( 1 9 8 8 ) 认为，在没有水塔的供水系统中，动态规划算法d g ( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 适用于选出可以提供最优连续流量的水泵，而l i t t l e 和 m c c r o f d d e n ( 1 9 8 9 ) 贝, t 发展出一种d g 算法来选择水泵最优组合。这一算法的目标 函数中了包括能耗项和高峰流量项。 t i m o t h yd h i r r e l ( 1 9 8 9 ) t 1 5 j 提出利用图解法进行水泵的优选，该法在考虑用水 量变化的基础上确定水泵的流量和扬程，但它不适合于复杂泵站。 b u l a n i c k i 和j e r a n c e ( 1 9 9 3 ) 1 1 6 j 等人用多个约束条件来选择水泵。每一个约 束条件都对水泵进行一次筛选，只有符合所有约束条件的水泵，才被列入优选 结果。这种方法被称为优化枚举法。该法也可以找到全域最优解，缺点是计算 时间长。 国内学者采用的选泵方法主要是整数规划法和图解法。整数规划法【1 7 l 是将 流量时间曲线分成不同的供水阶段。用枚举法为每一阶段选适合的泵，再将各 阶段的水泵型号可能的情况进行排列组合，列出所有可能方案，再比较这些方 案的年费用值，年费用值最小的就是最优解。该法计算量太大，所有方案都要 计算年费用值。图解法是根据系统特性曲线和水泵的特性曲线，找到高效段符 合系统水量水压的水泵。这种方法的优点是计算简单，容易理解，很方便，但 仅适用单泵站的水泵选取。 2 泵站工程的优化调度 国外采用的水泵优化调度方法比较多。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 e 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 ) 贝j j 将实时控制策略应用于较复杂的系统。 还有用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( 1 9 9 4 ) 所采用的基因算法( g a ) ，d o u g h e r t y 和 m a r r y o t t ( 1 9 9 1 ) 等人( 1 9 9 2 ) 弓1 a 的煺火算法。a b a s a k a r y a ( 2 0 0 2 ) 在优化运行中还 1 0 第2 章课题研究国内外现状 考虑了水质影响。这些研究者们将新的算法运用于大城市复杂供水泵站的优化。 这些算法虽然适用范围广，但由于所需要的计算时间太长，不适于在线控制的 实际应用。 s p e z e s h k 等人( 1 9 9 6 ) 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 es e a r c ha l g o r i t h m ) 。a s a 通过用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间。每一次循环都将泵和管道特性系数更新 一次，而且加入一系列新的最优泵，从而产生一个新的更高效的泵组合形式。 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； 而且便于使用，因这一切都由程序来完成。该方法的缺点是不能产生全域最优 解，因为函数是非凸结构的。 p a u lw j o w t t i 等人( 1 9 8 9 ) 将线性规划运用于制定水泵2 4 小时内的最优运行 时间安排。将所有水泵的耗电量设为各台水泵的运行时间、水量、扬程的线性 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 t t l e 和b r a i nj m cc o r d d e n 在此基础上发展了混合整数线性规 m i l l ( 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 ) ，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。模型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1 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 应扬程要求。 国内的运行优化方法有动态规划法、非线性规划法和线性规划法等。动态 规划法需要将状态变量离散化。离散点越多，精度越高，但是计算时间越长。 由于水泵的特性曲线成线性，所以用非线性规划较难实现，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 化问题的目标函数具有连续性，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 往很困难。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，进行分阶段作出决策，从而使整个过程达到最好的活动效果。 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 第2 章课题研究国内外现状 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 ) 【1 8 1 ，逐步优化算法 ( p o a ) 【1 9 1 ，动态规划法逐次渐进法( d p s a ) 【2 0 1 等。但这些扩展方法也有缺点，如 很难保证收敛到全局最优解。由于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，也说明泵站系统的节能方法并不单一，应根据实际情况进行。 故将能量工程的分析方法引入该研究领域非常必要。 2 1 2 管网能耗 给水输配水管网形式很多，但大体上可以分为输水管线系统和配水管网系 统。输水管( 渠) 是连接水源至水厂或从水厂至给水区的管线，近年来随着城市用 水量不断增加，附近难以找到合适的水源，远距离大流量的输水工程日趋增多。 树状给水管网一般投资较小，广泛用于村镇供水，在工矿企业给水系统建 设初期，一般也采用树状管网，以后随着用水规模的不断扩大，由树状管网逐 步发展成为环状管网。环状给水管网供水可