（控制理论与控制工程专业论文）大型污水输送泵站的最优控制策略研究.pdf

摘要 摘要 本文以合流污水泵站( 上海市污水治理二期工程 1 2 泵站) 为对象，针对泵 站系统控制存在的问题，提出了一种全新的控制策略。 污水泵站中的污水流量具有不确定性、滞后性和非线性等特点。本文以能 耗最小和污染最小为系统控制目标，对整个泵站系统提出了智能控制排放污水 流量的算法。通过分析污水泵站的运行工况，提出了一系列减少泵站能耗的方 法，主要有降低扬程，设置变频泵进行调速运行，优化泵机组合等，重点研究 了污水泵站中泵机变频调速的节能机理。 针对上海市污水治理二期工程m 2 泵站提出了模糊控制器变频调速的控制策 略，当中详细介绍了模糊控制器的设计并给出了一定的仿真结果。根据简单遗 传算法的特点，提出了改进式遗传算法，并详细介绍了改进式遗传算法在泵站 机组启停中的应用，根据仿真结果表明，使用改进式遗传算法来确定泵站机组 的启停，在满足泵站流量约束条件下，能使得系统的能耗最小。最后给出了遗 传算法控制泵站机组启停的方案及模糊控制器变频调速污水输送泵站的控制方 案。 关键词：污水泵站，变频调速，模糊控制器，遗传算法 a b s t r a c t w i t ht h ee x i s t e n t 胛o m e m so fd i s c h a r g i n gn e t w o r ks y s t e m ，a no p t i m a lc o n t r o l s t r a t e g yf o rs e w a g ep u m p i n gs t a t i o n ( m 2p u m p i n gs t a t i o n ，s h a n g h a i ) i sp u tf o r w a r d t h e s e w a g ep u m p i n gs t a t i o nh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f c o m p l e xh a ga n dn o n l i n e a r a ni n t e l l i g e n tc o n t r o l - d r a i n a g ea l g o r i t h mb a s e do ne n e r g ya n dp o l l u t i o nm i n i m i z i n g i sp r e s e n t e d t h r o u g ha n a l y z i n gc i r c u l a t i o no fp u m p i n gs t a t i o n , as e r i e sm e a n so f e n e r g ya n dp o l l u t i o nr e d u c i n ga r cp r o p o s e d ，m a i n l ya td r o p p i n gl i f t ，v w f o p t i m a l c o m b i n a t i o no fu n i ta n ds oo n a m o n ga l lo ft h em e t h o d s v v v fi sr e s e a r c h e d e s p e c i a l l y t h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf u z z yc o n t r o l l e rv v v ff o rm 2 p u m p i n gs t a t i o ni s i n w o d u c e d t h ed e s i g no f 凡z z yc o n t r o l l e ri s p r e s e n t e di l l d e t a i l b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m , a ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi sp u t f o r w a r d t h ea p p l i c a t i o no fi m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h mi n u n i tc o m m i t t i n gi s i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y w i t hs i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n ，t h i sc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e n p r o v e dt oh a v eg o o da p p l i c a t i o na n dr e f e r e n c e d e n e r g ya n dp o l l u t i o nm i n i m i z i n gc a n b ea c h i e v e dw i t ht h es a t i s f a c t i o no ff l u xr e s t r i c t i o n l a s t l y , t h ep r o j e c tw i t hg e n e t i c a l g o r i t h mc o n t r o lu n i tc o m m i t t i n gi sp r o p o s e da n dt h es e w a g ep u m p i n gs t a t i o n c o n t r o l l i n gp r o j e c to f f u z z yc o n t r o l l e rv v v f i sp r o p o s e d k e yw o r d s ：s e w a g ep u m p i n gs t a t i o n , v v v f f u z z yc o n t r o l l e r , g e n e t i ca l g o r i t h m h 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：刘3 ，确 2 0 0 7 年5 月，6 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。 签名：亩j 姗1 年 小葡 5 月 第1 章综述 第1 章综述 1 1 污水输送泵站系统简介 在人们生产和生活中产生的大量污水，如从城镇住宅、工厂和各种公共建 筑中不断排出的各种各样的污水和废弃物，需要及时妥善地排除、处理或利用。 排水工程的基本任务是保护环境免受污染，以促进工农业生产的发展和保障人 民的健康与正常生活。其主要内容包括：收集各种污水并及时输送至适当地 点；将污水妥善处理后排放或再利用。污水输送泵站完成的是前项任务，污 水处理厂则完成后一项任务。图1 1 所示为城市污水排放系统中的合流污水泵 站及排污管网系统示意图。 o 河道 图1 1 泵站污水管网示意图 大型污水输送泵站的主要任务是汇集并提升区域管网集积的污水，排入下 级排水系统或污水处理厂。由于系统流量与扬程多变，泵站机泵控制是要确定 其在污水外溢污染最小的前提下，系统提升污水重力耗能最少。同时，为排除 积水，机泵运行状态必须实现有效控制f i l l 甜。 以上海市污水治理二期工程m 2 泵站为例。m 2 泵站位于上海浦东新区，是 上海市污水治理二期工程的控制中心、监测中心、管理中心。m 2 泵站近期主 要作用是将来自浦东中线及南线b 号泵站的合流污水提升后送往下一站的污水 第l 章综述 处理厂。远期则主要接纳浦西南市、黄埔区的初期雨水、城市污水及浦东中线 服务范围内的城市污水。主泵房内工设置六台主泵( 五用一备) ，四台定速泵( 配 用6 0 0 0 v 鼠笼式三相异步电动机) ，两台变频泵( 配用6 0 0 0 v 变频调速电动机) ， 以适应于系统流量的变化和减少开停泵次数。水泵将前池中的污水提升至高位 井，高位井的污水通过二根出水箱涵出泵站输向下游污水处理厂。 1 2 当前污水泵站系统控制中存在的问题及国内外研究技术现状 由于污水管网中的水来自各类用户排放的废水及天然降水，其污水流量受 人群行为、降雨，乃至管路泄漏等诸多不可测因素影响，不确定因素严重；下 雨，特别是下暴雨时，由于区域内部分雨水进入污水管网，使之水量陡增：此 外，污水管网中的污水流量受闸、泵等设备影响，非线性严重。目前污水泵站 控制的主要问题有： ( 1 ) 极大多数泵机仍然是恒速排水，不能做到进水量与排水量相等，深井 泵水造成能量浪费。 ( 2 ) 人工应付式的直接排放管理、操作与个人经验和训练程度及责任程度 有很大关联。 ( 3 ) 泵站之问链级制抑相互协调性差，难做到流入、泵出流量平衡，易造 成污水外溢、或高扬程大耗能泵水。 ( 4 ) 缺乏对系统模型的研究，对污水泵站变扬程、变流量、变压力工况下 最佳节电排放等无深入研究，泵机通常处于高耗能运行。 鉴于城市污水管网泵站排水中存在的问题，有必要采用先进的控制手段， 特别是优化的控制策略。国内外对此问题的研究主要有：1 9 8 8 年美国的h u b e 和d i c k i n g s o n 提出t e p a 地区的s w m m ( 污水管理模型) ，1 9 8 9 年日本东京都下 水道局对汤岛泵站进行改造探索，把模糊控制技术用于合流式污水泵站，获得 初步成功，并改变了排水领域难以实现自动化的观点。1 9 9 5 年英国伦敦建立了 用可编程控制水泵的地下水排放系统。1 9 9 9 年日本学者y a g i m ss h i b a s 提出了合 流式污水泵站模糊控制和遗传算法应用，建立区域排污水系统的数学模型，并 进行计算机仿真研究；1 9 9 9 年俄罗斯进行了莫斯科城市污水管网系统数学模型 的研究。总之，发达国家已在做污水最佳控制节电排放的工作，热点集中在算 2 第1 章综述 法和控制策略、实现方法、应用基础研究上。总的来说，美、欧等发达国家在 这一领域的研究已从理论型逐步转为实用型，但还未有实用化的污水泵站管网 控制系统。我国在9 0 年代末，我国开始研究将变频器用于污水泵机获取节电效 果，但对整个污水泵站排放系统的深入研究不多见。 1 3 污水泵站管网系统最优控制策略 解决当前污水排放系统存在问题的关键便是控制污水泵站排放系统使流入 污水泵站的污水及时排出，即q 漉 = q 漉自。此时如果选择了理想的目标水位( 由 工况实际调试决定) ，不仅使水泵实际扬程降低，而且使水泵运行在高效区，则 可实现良好的节电效果。同时，由于流入的流量能够被等量的泵出，所以链级 效应将不存在，整个污水排放系统处于最佳运行状态，实现动态平衡，即避免 污水溢出事故发生又能节电排放。 以耗能最小和污染最少为系统控制目标，通过对区域污水流量测控及污水 泵站机泵排水量的控制，实现泵站及区域管网流量自动调节，各泵站、管线污 水流量进行优化分配，并以最佳扬程排放，得以保证泵站机组在高效率区运行 提高节电率。同时，实现对系统泵站水位、流量进行多参数协调控制，避免区 域管网的污水从管口、集水井口外溢。 现有的大部分污水泵站控制采用单一的水位作为参考量，通过人工值守进 行手动控制或简单的水位信号反馈控制，这种控制手段，在有污水突发涌入泵 站的情况下如果控制不及时，易造成污水溢出污染，为了防止这一情况发生， 泵站都实行低水位高扬程污水排放，造成电能的巨大消耗。在当今电能十分短 缺的情况下，这种依靠单纯的以水位作为控制指标的排放方式已很难适应时代 发展。 污水管网系统，本质上就是对污水进行合理排放分配的系统。由于污水泵 站管网系统流量排放主要依靠重力引流，泵站提升加压的方式，因此城市污水 管网及各泵站之间具有密切地关联，这就要求管网系统实时控制。即：针对系统 各个泵站的污水路径及流量进行更好地再分配，使其达到最优化，从而使管网 中泵站之间相互协调运行，减少污水提升输送时泵站泵机系统所消耗的电能。 对于如m 2 泵站这样定速、变频泵搭配使用的泵站，可以将理想目标水位、 3 第1 章综述 液位、流量作参考信号，把当前的水位及管网污水流量及其变化率通过相关传 感器转变成控制信号，调节变频器v v v f 输出频率，改变泵机转速疗及泵机 排水流量q 。 转速刀和流量q 间的对应关系为： q 一也 百瓯百( 1 1 ) 通过改变转速实现排放流量的调节，使q 漉入= 线出有效控制污水泵站进水 井及管网的水位。由于选了理想目标水位，水泵扬程降低，且水泵运行在高效 区，所以节电效果良好。变频调速污水泵站排水节电控制系统通常由、n ，、，f 变 频器、控制器、传感器、切换接触器及热电保护器等构成。以期尽量使污水泵 站进水口污水流量，满足排流要求获取得良好的节电效益。 1 4 本文主要研究内容 本论文通过对污水输送泵站系统及其运行工况等方面的研究，提出了一系 列减少污水泵站能耗的方法；并针对泵站的污水流量的不确定性、滞后性和非 线性等特点，提出了将模糊控制与遗传算法运用到泵站的控制当中。 具体完成的工作有：全面、系统的阐述了污水泵站系统控制中存在的问题、 国内外研究现状，简要介绍了污水管网的最优控制策略及其意义。接着，通过 分析泵站运行的基本工况，提出了一系列的泵站节能方法。之后，详细介绍了 模糊控制与遗传算法在泵站控制中的应用。最后，简单介绍了泵站的最优控制 策略及实现方法。 1 5 本章小结 本章主要介绍了污水输送泵站系统，并简单介绍了上海市污水治理二期工 程m 2 泵站的情况。之后，指出了当前污水泵站系统控制中存在的问题及国内 外研究技术现状，简单介绍了污水泵站管网系统最优控制策略。最后介绍了本 文的主要研究内容。 4 第2 章污水泵站运行工况分析及节能机理 第2 章污水泵站运行工况分析及节能机理 2 1 污水输送泵站运行工况分析 市政部门为了满足日常排水需要，一般在同一泵站都配有多台机泵，供不 同流量时排水使用( 如m 2 泵站共有六台机泵，五用一备，四台定速，两台变 频调速) 。具体工程实施中由于泵站实际流量的不确定性、非线性、难预测性， 机泵的简单组态很难做到流入泵站的流量q 奴= q 漉出最佳的控流情况。实际流 量及控制工况可归纳为三种：级 q 漉m 工况；级入 q 漉工况 当流入泵站的实际流量q 流入 出时，将导致泵站进水口污水井及管网中的 污水水位升高，随着水位升高，水泵实际扬程变小。 h o = + h ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，风为静扬程，即机泵进水口和出水口的水位差，h 为管路中 水头损失之总和( 包括吸水管水头损失和出水管水头损失) 。 当扬程降低时，机泵排流量随之增大。但每台机泵在恒速状态下调节流量 的能力是很有限的。单台机泵过大的排流量也会引起另一些问题，如围堰结构 的机泵排水量的大幅度增加会使围堰出口闸门滞流影响增强，即机泵出水口由 于滞流会形成附加水柱h ，这相当于增加了污水机泵实际扬程e ，。它产生的 压力也可视为水泵管阻的增加。而水泵阻力矩的增大，使得电机加速的有效输 出力矩变化，使血转速差增大，使得泵出流量a q 变化增大，这是不利于机泵 系统稳定工作的。这种周期性变化的a q 或管阻 使机泵工作点摆动，不但增 加了排水能量损耗而且也因液流变化带来机泵系统的机振及噪声，同时还会造 成气蚀现象趋重，机泵效率下降。简而言之，过高水位运行会造成管网污水流 速过缓而滞留，使上一级泵站出水口围堰形成附加水柱h ，相当于上一级泵 站的管阻增大，排流功率加大。以此类推，泵站管网将产生链级效应，使管网 5 第2 章污水泵站运行丁况分析及悼能机理 泵站的效率下降，由于管网水位增高降低了管网容纳峰流的能力，它是造成低 海拔标段的污水外溢污染及管子承压破损的直接原因之一。 ( 2 ) q 漉入 q 巍出工况 在该工况下，泵站进水口水井及管网中水位将迅速下降，机泵实际运行扬 程将升高。随着扬程升高，机泵每分钟泵出流量q 会减少，由机泵的q r 曲线 可知机泵效率降低。一定条件下，由于扬程h 可看成正比于流量和时间的积分， 即h f q 唾，流量、扬程不稳定带来的振动和噪声加剧，机泵将难以正常运行。 在级入 t e m p f o r j - - n ：6 t e m p e ( i , j ) = e ( i + l j ) ； t e