梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化的方案探究

李文慧馬華明/.寧夏固海揚(yáng)水管理處 .寧夏水利電力工程學(xué)校

梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化的方案探究

李文慧1馬華明2/1.寧夏固海揚(yáng)水管理處 2.寧夏水利電力工程學(xué)校

大型梯級(jí)泵站輸水工程是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率集合各種運(yùn)行指標(biāo)，對(duì)輸水費(fèi)用產(chǎn)生直接影響。分析梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率影響因素，闡述了有關(guān)的數(shù)據(jù)函數(shù)，基于此，構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化模型，把不同影響因素作為決策變量，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率的最優(yōu)化，結(jié)合水工程實(shí)例，分析優(yōu)化結(jié)果，這種優(yōu)化模型能顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，是一種較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。

梯級(jí)泵站；輸水系統(tǒng)；運(yùn)行效率；優(yōu)化模型

對(duì)梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化，文章提出一些決策變量，如流量、級(jí)間水位等構(gòu)建了系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化模型，清楚梯級(jí)間水力優(yōu)化運(yùn)行方案和不同泵級(jí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方案，保障了系統(tǒng)的高效運(yùn)行。文章以代表性工程作為實(shí)際案例，相比傳統(tǒng)的運(yùn)行方案，使用這種優(yōu)化運(yùn)行方案，極大提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因?yàn)橄到y(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率

1.1 探析梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本輸水系統(tǒng)主要?jiǎng)恿?lái)源于電力，途徑泵站，實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別間的提水，不同站別間，通過(guò)閘門、欄污柵和渠道等為水工建筑提供水源。所以，劃分梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)，可以分成兩個(gè)子系統(tǒng)，泵站和輸水，兩者關(guān)系十分緊密，兩子系統(tǒng)相互作用下，形成了系統(tǒng)的運(yùn)行。分析影響兩子系統(tǒng)的運(yùn)行因素，相應(yīng)提出了兩者的概念和表達(dá)式，基于此，將兩者有效聯(lián)系起來(lái)，從而將梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率定義和公式提了出來(lái)。

1.2 梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率、輸水子系統(tǒng)效率、泵站子系統(tǒng)效率

如果系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下，基于輸水子系統(tǒng)與泵站效率，將二者的有關(guān)梯級(jí)提出-泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率指標(biāo)。對(duì)梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率，其定義可以理解為，途經(jīng)多泵站子系統(tǒng)，提高輸水子系統(tǒng)傳輸，當(dāng)進(jìn)入目的后，獲得的凈能量與各級(jí)泵站消耗總能量的比值,和泵站子系統(tǒng)效率乘以輸水子系統(tǒng)效率是等同的。輸水子系統(tǒng)效率是輸水狀態(tài)指標(biāo)的反應(yīng)，如，閘門和欄污柵等。輸水子系統(tǒng)效率，也即是水體經(jīng)泵站在提高后，途徑一些設(shè)備，如，閘門和欄污等，實(shí)現(xiàn)輸送的目的，最終得到的凈能量和不同級(jí)別泵站，提高水體耗損的總能量比值，結(jié)合水量損失與級(jí)間水力等考慮條件，可以分成不同的情況進(jìn)行探究。文章探究的對(duì)象只是水量損失與級(jí)間無(wú)分水任務(wù)，只控制水流損失條件，計(jì)算輸水子系統(tǒng)效率。泵站子系統(tǒng)效對(duì)不同系級(jí)別泵站運(yùn)行提供綜合性評(píng)估，基于單級(jí)別泵站運(yùn)行效率，結(jié)合不同泵站效率，給出泵站子系統(tǒng)效率的定義和公式。對(duì)泵站子系統(tǒng)的效率，可以這樣理解，在各級(jí)泵站提升的基礎(chǔ)上，獲得的總能量與消耗能量間的比值。

2.梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率如何優(yōu)化

2.1 構(gòu)建梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化模型與單級(jí)泵站效率優(yōu)化模型

把系統(tǒng)運(yùn)行效率最終優(yōu)化目標(biāo)，基于單級(jí)泵站效率優(yōu)化，把流量與級(jí)間水位作為決策變量，結(jié)合不同梯級(jí)間水利耗損等條件，構(gòu)建梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率最優(yōu)模型，明確梯級(jí)間水力泵站內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行方案。當(dāng)流量與揚(yáng)程確定后，把最優(yōu)目標(biāo)定為單級(jí)泵站效率，基于抽水裝置性能計(jì)算，把為決策變量定為不同抽水裝置分配流量，符合出水池水位與泵站進(jìn)等限制性條件，構(gòu)建單級(jí)泵站效率優(yōu)化運(yùn)行模型,明確泵站內(nèi)不同抽水配置優(yōu)化運(yùn)行方案。

2.2 計(jì)算模型

在大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化需求，第一，應(yīng)將梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)分為不同的小規(guī)模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng);第二，在區(qū)間離散的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上，尋找最優(yōu)化的各子系統(tǒng)，確保各子系統(tǒng)的優(yōu)化；結(jié)合系統(tǒng)總目標(biāo)與任務(wù)，協(xié)助各子系統(tǒng)完成協(xié)調(diào)性工作[1-2]。

2.2.1 模型構(gòu)造

首先，分解對(duì)梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化模型;其次，相關(guān)模型的構(gòu)建。各分系統(tǒng)有效聯(lián)系。另外，在模型優(yōu)化過(guò)程中，還包含了三個(gè)層面的決策問(wèn)題，其中第一個(gè)層面是梯級(jí)間水位組合優(yōu)化：也就是特定的流量和梯級(jí)凈揚(yáng)程，把系統(tǒng)運(yùn)行效率作為最優(yōu)化目標(biāo)，符合出水池水位和泵站進(jìn)等限制性條件，分配梯級(jí)凈揚(yáng)程任務(wù)，為輸水子系統(tǒng)與泵站子系統(tǒng)，不同梯級(jí)間水位進(jìn)行優(yōu)化組合。單級(jí)泵站內(nèi)不同抽水裝置運(yùn)行方案優(yōu)化處在第二層決策中：在第一層決策的基礎(chǔ)上，通過(guò)分配進(jìn)入到不同站級(jí)流量和揚(yáng)程，將輸水任務(wù)配置到不同抽水裝置，確保最優(yōu)化的泵站內(nèi)部效率。系統(tǒng)輸水流量的優(yōu)化處在第三層決策中，就是基于第一、二層決策，三層決策共同構(gòu)成統(tǒng)一體,相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。

2.2.2 在區(qū)間離散的動(dòng)態(tài)規(guī)劃基礎(chǔ)上求解

當(dāng)前，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化模型，最為常用的一些求解方法主要有下述幾種情況：遺傳算法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等。文章在區(qū)間離散的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的基礎(chǔ)上計(jì)算,動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是一種較為普及的數(shù)學(xué)運(yùn)算方法，適合用在系統(tǒng)不同級(jí)別間的分析和決策中，將復(fù)雜的問(wèn)題詳細(xì)化,分層級(jí)進(jìn)行求解，通常動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的計(jì)算點(diǎn)不集中，如果最優(yōu)決策點(diǎn)沒(méi)有處在特定狀態(tài)，導(dǎo)致漏掉,使離散點(diǎn)產(chǎn)生指數(shù)不斷增長(zhǎng)[3-4]。為了防止出現(xiàn)這種情況，針對(duì)狀態(tài)變量，使用區(qū)間離散代替點(diǎn)離散能將這一問(wèn)題有效解決。

3梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化

3.1 工程案例

工程施工段韓莊運(yùn)河段工程，是南水北調(diào)工程之一，溝通了南四湖輸水干線和賂馬湖輸水干線。項(xiàng)目工程利用獨(dú)特地理優(yōu)勢(shì)，如韓莊運(yùn)河中水源輸入的特征，途徑了臺(tái)兒莊、萬(wàn)年閘等一些新建工程，把駱馬湖水源輸送到南四湖下級(jí)湖，工程輸水規(guī)模125m3/s，結(jié)合泵站，可將輸水渠道劃分成下述幾種類型：萬(wàn)年閘-韓莊段與臺(tái)兒莊-萬(wàn)年閘段，相應(yīng)長(zhǎng)度分別為16km和15km,其中，韓莊泵站、萬(wàn)年閘和臺(tái)兒莊都配置了4臺(tái)機(jī)，當(dāng)前未投入運(yùn)行，各泵通過(guò)模型裝置效率的換算，能得到站水泵裝置效率。結(jié)合攔污柵等設(shè)施和現(xiàn)有測(cè)量資料，進(jìn)行水利模型的構(gòu)建。計(jì)算不同水池的水位、上下梯級(jí)間水位流失狀況，文章把臺(tái)兒莊-萬(wàn)年閘渠段作為探究的例子。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行效率優(yōu)化模型并投入實(shí)踐中，優(yōu)化計(jì)算韓莊段梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)后，獲得上下梯級(jí)輸水系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，在輸水流量一定的情況下，梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)最佳運(yùn)行效率，和相應(yīng)梯級(jí)間水力優(yōu)化措施，梯級(jí)泵站內(nèi)部?jī)?yōu)化實(shí)施方案。以代表工程為準(zhǔn)：臺(tái)兒莊站地下水位21.7m，韓莊站地上水位為33.2m,梯級(jí)凈揚(yáng)程11.4m,輸水流量126m3/s。

3.3 分析結(jié)果

還是以上述代表工程為探究對(duì)象，結(jié)合優(yōu)化模型，計(jì)算地水位和低下水位，輸水流量不同，輸水子系統(tǒng)效率與梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率有必然關(guān)系，輸水子系統(tǒng)效率直接對(duì)梯級(jí)間水力損失產(chǎn)生影響;泵站子系統(tǒng)效率和不同抽水裝置能量損失有很大關(guān)系，相應(yīng)計(jì)算不同水流量條件下，水流總損失占系統(tǒng)總輸入的百分比，對(duì)比兩者系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響大小。在水流量不同情況下，梯級(jí)間水力損失和泵站抽水裝置損失影響運(yùn)行效率。最佳系統(tǒng)運(yùn)行效率需兩者相互協(xié)調(diào)。當(dāng)流量增加時(shí)，梯級(jí)間水力損失隨之增加，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，呈上升趨勢(shì)。確定流量高效區(qū)間，控制系統(tǒng)上下級(jí)水位不變，和流量相應(yīng)梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行效率均有差異，系統(tǒng)能達(dá)到的最大運(yùn)行效率為70.2％，相應(yīng)輸水流量為61m3/s;運(yùn)行最低效率64.0％,相應(yīng)輸水流量109m3/s,兩者相差5.8％，為此，選擇恰當(dāng)輸水流量區(qū)間很有必要[5]。

4. 結(jié)束語(yǔ)

隨著流量增大，這種影響將逐漸上升，所以，工程設(shè)計(jì)并投入實(shí)踐運(yùn)行，基于提升不同泵站內(nèi)運(yùn)行效率，對(duì)引起梯級(jí)間水力損失的影響因素應(yīng)切實(shí)重視，采取有效應(yīng)對(duì)措施，將水力損失降低最低，如欄污棚能的提升就是不錯(cuò)的方法。梯級(jí)凈揚(yáng)程處于一定條件時(shí)，梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率和輸水流量有很大關(guān)系，在調(diào)度實(shí)踐中，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行效率與流量關(guān)系，考慮輸水計(jì)劃，制定有效的輸水流量方案。

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