大型泵站运行优化节能效果分析

大型泵站运行优化节能效果分析

0基于非线性规划法的系统运行优化大型收水站工程在防洪、排水、给排水、城市给排水和污水方面发挥着重要作用。确保人民生命财产安全，促进经济发展，改善人民生活，建设生态环境。中国已建成排灌泵站工程55万余座,机电排灌动力保有量8000多万kW。尤其对于梯级泵站,其工程设施、设备多,工程装机容量大,运行时间长,能源消耗大,运行费用高;同时,各级泵站之间有着密切的水力联系,各站的流量、水位相互影响,制约整个梯级泵站系统的运行。目前,中国大部分泵站未实现优化运行,能源浪费严重。关于泵站优化运行,国内外已有不少研究,主要侧重于优化方法的研究。VieiraF等采用线性规划算法求解供水系统能源效率的优化模型。Theocharisa等以管道费用和水泵抽水费用之和最小为目标,采用简化非线性规划方法研究了灌溉系统的运行优化问题。StadenAJV和张礼华等采用整数规划法研究了泵站运行优化控制策略。周龙才建立动态规划模型,求解确定了各级变频泵站的最优扬程分配;建立非线性规划模型,确定了站内各机组最优转速。程吉林、龚懿等采用动态规划法研究了泵站叶片可调机组运行优化问题。专祥涛采用改进动态规划算法研究了双泵控制下的最优启停控制序列和优化方案。任道远在保证安全输水前提下,研究了基于动态规划的调节池-潜水泵群最优运行协调控制模型、基于非线性混整规划的加压泵站群最优运行协调控制模型、基于复合系统三级递阶优化算法的泵站群最优运行的协调控制模型,并进行了经济分析。XiaoZH等建立了泵站总提水量时段优化模型,采用动态规划法确定了电动机最优转速与水泵最优叶片角。文献[11-14]采用遗传算法求解了泵站运行优化调度模型,优化效果较为显著。冯晓莉等采用遗传算法研究了南水北调东线高港泵站、宝应泵站以及一期源头工程的优化运行,优化效果较为显著。鄢碧鹏等应用混沌算法求解了供水泵站的变速优化运行问题,获得了较好的计算精度和较高的可靠性。RobertsAJ和OstfeldA等应用蚁群算法研究了供水系统的优化设计与运行。冯晓莉等采用遗传算法、基本粒子群算法与模拟退火粒子群算法求解单座泵站系统优化运行问题,结果表明,模拟退火粒子群算法求解速度较快,求解精度较高。István等采用中性进化搜索方法求解确定了输配水系统中水泵运行优化方案。Jack等采用过程能量优化方法分析了水泵节能运行管理,获得了30%的节能潜力。ZhaoTianyi等研究了基于极值分析的中央空调系统中并联变频液压泵在线优化控制方法,优化结果较单泵运行方案和双泵运行方案分别节约电费15.8%和4%。本文将综合考虑多方面因素,分析泵站系统运行优化研究范围,建立基于不同优化范围与影响因素的优化模型,并对典型泵站系统不同优化范围进行优化计算和比较分析。提出大型泵站系统运行优化建模时应综合考虑输变电、泵站和河道输水三方面能量损失。结果对于掌握大型泵站系统能耗与节能潜力,实现全泵站系统优化运行,节省泵站运行成本,具有重要意义。1按水泵流量控制的能量损失,可将其分为7个环节和一个提供能量的地方,一个是第一大环节所大型泵站运行优化研究范围逐步扩大,从研究水泵、水泵装置经济运行逐渐发展到研究单一泵站、并联泵站群以及梯级泵站的优化运行。优化目标主要侧重于效率及费用问题。起初只要求水泵效率高,但泵装置效率并不高。后来逐渐发展为以泵装置效率及泵站效率最高为目标。事实上,大型泵站要完成从水源地向目的地提水调水的任务,需要输变电设施、泵站和输水设施协同工作,三者分别负责电力输送、能量转换和水体输送。这3个环节发挥功能的同时不可避免地要造成能量损失。电能从区域中心变电所经专用高压输电线路进入泵站主变压器,再沿供电电缆向泵站主电动机及辅助设备等站用电设备供电。泵站系统总输入功率除一部分转变为有用的系统有效功率外,还有相当一部分转变为输电损耗、变压器损耗、变频装置能量损失、电动机能量损失、传动机构能量损失、主水泵能量损失、进出水流道能量损失、前池和出水池能量损失、站用电能耗(包括站用变压器损耗和辅助设备能耗)和输水河道能量损失。作者对江苏省内几座典型泵站系统的能耗进行了初步计算与分析,结果表明,输变电能量损失和辅助设备能耗约占整个泵站系统输入功率的2%~6%,水泵系统(包括输变电设施、泵装置、传动装置、电动机和辅助设备)效率最高点偏离于泵装置效率最高点,系统还具有节能的潜力与空间。目前,在研究泵站运行优化问题时,仅仅将泵站主机组(包括泵装置、传动装置和电动机)作为研究对象,或者即使考虑了其他部分设备(或设施)的能量损失,也只是仅作估算,未对其进行详细计算。因此,大型泵站运行优化应以整个系统为研究对象,综合考虑输变电、泵站和输水等三方面能量损失。2优化模型2.1按水泵效率最高为优化目标的泵装置效率计算对于单台机组,主要针对泵站扬程变化,通过调节叶片角度或水泵转速,使泵装置效率最高,但要考虑到机组的安全运行范围。通过调节机组开机台数,满足抽水流量的要求。对于具有叶片调节功能的轴流泵和导叶式混流泵,为实现单台机组经济运行,以泵装置效率最高为优化目标。在装置扬程一定的情况下,将泵装置效率拟合成叶片角度的函数,即式中,ηz为泵装置效率;ηp为水泵效率;ηpi为进出水流道效率;β为叶片角度,(°)。将式(1)对β求导,可得泵装置效率最高时的最优叶片角βopt。对于具有变速调节系统的泵装置,在装置扬程一定的情况下,以泵装置效率最高为优化目标,泵装置效率可表达成转速的函数,即式中,a、b、c、d为水泵效率曲线方程的参数;Q为水泵运行工况点流量,m3/s,可根据水泵流量~扬程曲线方程与需要扬程曲线方程联立求得;n0为额定转速,r/min;n为转速,r/min;Hz为泵装置扬程,m;S为流道阻力系数,s2/m5;其他符号含义同上。将式(2)对转速n求导,并令其等于0,可得泵装置效率最高时的最优转速nopt。2.2按水泵流量为及其设计目标函数的工业模式对于单座泵站,主要针对总抽水流量要求,确定开机类型、台数与机组运行工况。如果用户要求的是某时间段内的抽水总量,则需对泵站在该时间内不同时段的抽水流量大小进行优化。对于多座并联泵站群,还需考虑起用哪些泵站。如果实行分时电价,则问题会更加复杂。1)在抽水流量和装置扬程一定的情况下,若以泵站主机组运行电费最少为优化目标,其目标函数可表达为同时需满足单机流量约束、装机台数约束、总抽水流量约束,即式中,F为电费,元;i表示第i种型号机组;I表示机组总型号数;ρ为水的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;Qi为第i种型号机组单机流量,m3/s;Hz为泵装置扬程,m;ni为第i种型号机组开机台数;ηzi为第i种型号泵装置效率;ηdri为第i种型号机组传动效率;ηmoti为第i种型号机组电动机效率;t为运行时间,h;p为电价,元/(kW·h);Qi,min,Qi,max分别为第i种型号机组所允许的最小、最大单机流量,m3/s;M为装机台数;Qz为总抽水流量,m3/s。2)在抽水总量(体积)一定的情况下,若以泵站主机组运行电费最少为优化目标,考虑扬程变化和分时电价,其目标函数可表达为同时需满足单机流量约束、泵装置扬程约束、装机台数约束、抽水总量的约束,即式中,j为时段序号;J为时段数;Hzj,min、Hzj,max分别为第j时段所允许的最小、最大装置扬程,m;Vz为总抽水体积,m3;其他符号含义同式(3)、(4)。3)在抽水总量(体积)一定的情况下,考虑辅助设备和输变电设施等,以整个泵站系统总运行电费最少为准则,考虑扬程变化和分时电价,其目标函数可表达为约束条件同式(6)。式中,Pzn为站用电能耗,kW;ΔPtel为主变压器低压侧输电损耗,kW;ΔPb为主变压器损耗,kW;ΔPteh为主变压器高压侧输电损耗,kW;k为主变压器序号;K为主变压器台数;其他符号意义同上。2.3目标函数的表示对于梯级泵站,需考虑上下级泵站之间的扬程和流量的优化配合、不同输水线路的流量分配、河道输水长度、输水水量损失和水头损失、不同泵站机组的流量、效率特性等因素。在水源水位、调水目的地水位及流量一定的情况下,若以梯级泵站系统总电费最低为目标,其目标函数可表达为约束条件:水源水位zs、调水目的地水位ze及流量Qe约束,各泵站最高、最低扬程约束,泵站单机流量及开机台数约束,即式中,i(i=1,2,…,I)表示第i级泵站;fi为第i级泵站运行费用,元;j(j=1,2,…,J)表示第j座泵站;k(j=1,2,…,K)表示第k种型号机组;l(l=1,2,…,L)表示第l段输水河道;qz为河道输水蒸发损失,m3/s;qs为河道输水渗漏损失,m3/s;其他符号意义同上。3使用示例3.1泵装置效率最高优化结果以南水北调东线江都四站单台泵机组为研究对象,在泵装置扬程一定的情况下,以泵装置效率最高为优化目标,利用式(1)求解确定最优叶片角,结果如表1。可得出,最优叶片角对应的泵装置效率较设计角度对应的泵装置效率最高可提高4.21个百分点。3.2基于模拟退火-粒子群的泵站运行优化模型以南水北调东线江都四站泵站系统为研究对象,假设日总抽水量2200万t,考虑扬程变化和分时电价等因素,以泵站运行费用最低为优化目标,建立由式(6)、(7)组成的优化模型,采用模拟退火-粒子群算法求解确定泵站各时段的开机台数和机组运行工况。计算结果如表2,结果表明,实行分时电价、变角调节的运行优化方案耗用电费37.951万元,不考虑分时电价、设计叶片角度的运行方案耗用电费40.090万元,前者较后者节约电费5.64%。3.3两组水位分析和运行优化计算以南水北调东线长江至洪泽湖段首段3级梯级泵站系统为研究对象,建立由式(8)-(10)组成的优化模型,采用模拟退火-粒子群优化算法求解,通过4层迭代计算,确定了长江三江营水源水位2.19m,洪泽湖水位13.5m,入湖流量为450m3/s的情况下,首段梯级泵站系统的运行优化计算结果如表3所示。表中大汕子水位是潼河、金宝航道在里运河处汇合点的水位。从表3中可以看出,梯级泵站系统最优方案耗用电费154.296万元,设计方案耗用电费165.604万元,前者较后者节约电费6.83%。若在优化模型中再考虑分时电价等因素,节能效果将更加显著。4系统运行优化场景,分时电价是单台机组、单座水泵系统和两组1)大型泵站运行优化范围逐步扩大,从研究水泵、水泵装置经济运行逐渐发展到研究单一泵站、并联泵站群和梯级泵站系统的优化运行,考虑的因素越来越全面。从要求研究水泵效率高,逐渐发展为以泵装置效率和泵站效率最高为目标。但泵站能耗除了主机组能耗外,还包括辅助设备、拦污清污设备、输变电设施和输水系统能耗等,优化运行方案时还需考虑分时电价。从全泵站系统角度建立优化模型,优化节能效果更好。2)对单台机组、单座泵站系统和梯级泵站系统建立运行优化模型,实