梯級泵站輸水系統運行效率優化的方案探究

【摘 要】大型梯級泵站輸水工程是一項龐大而復雜的系統。梯級泵站輸水系統運行效率集合各種運行指標，對輸水費用產生直接影響。分析梯級泵站輸水系統運行效率影響因素，闡述了有關的數據函數，基于此，構建系統運行效率優化模型，把不同影響因素作為決策變量，實現梯級泵站輸水系統運行效率的最優化，結合水工程實例，分析優化結果，這種優化模型能顯著提升系統運行效率，是一種較為經濟的運行方式。

【關鍵詞】梯級泵站；輸水系統；運行效率；優化模型

對梯級泵站輸水系統運行效率優化，文章提出一些決策變量，如流量、級間水位等構建了系統運行效率優化模型，清楚梯級間水力優化運行方案和不同泵級對應的運行方案，保障了系統的高效運行。文章以代表性工程作為實際案例，相比傳統的運行方案，使用這種優化運行方案，極大提升了系統的運行效率。因為系統在很長一段時處于運行狀態，會創造可觀的經濟效益。

1梯級泵站輸水系統運行效率

1.1探析梯級泵站輸水系統結構

本輸水系統主要動力來源于電力，途徑泵站，實現不同級別間的提水，不同站別間，通過閘門、欄污柵和渠道等為水工建筑提供水源。所以，劃分梯級泵站輸水系統，可以分成兩個子系統，泵站和輸水，兩者關系十分緊密，兩子系統相互作用下，形成了系統的運行。分析影響兩子系統的運行因素，相應提出了兩者的概念和表達式，基于此，將兩者有效聯系起來，從而將梯級泵站輸水系統運行效率定義和公式提了出來。

1.2梯級泵站輸水系統運行效率、輸水子系統效率、泵站子系統效率

如果系統在平衡狀態下，基于輸水子系統與泵站效率，將二者的有關梯級提出-泵站輸水系統運行效率指標。對梯級泵站輸水系統運行效率，其定義可以理解為，途經多泵站子系統，提高輸水子系統傳輸，當進入目的后，獲得的凈能量與各級泵站消耗總能量的比值，和泵站子系統效率乘以輸水子系統效率是等同的。輸水子系統效率是輸水狀態指標的反應，如，閘門和欄污柵等。輸水子系統效率，也即是水體經泵站在提高后，途徑一些設備，如，閘門和欄污等，實現輸送的目的，最終得到的凈能量和不同級別泵站，提高水體耗損的總能量比值，結合水量損失與級間水力等考慮條件，可以分成不同的情況進行探究。文章探究的對象只是水量損失與級間無分水任務，只控制水流損失條件，計算輸水子系統效率。泵站子系統效對不同系級別泵站運行提供綜合性評估，基于單級別泵站運行效率，結合不同泵站效率，給出泵站子系統效率的定義和公式。對泵站子系統的效率，可以這樣理解，在各級泵站提升的基礎上，獲得的總能量與消耗能量間的比值。

2.梯級泵站輸水系統運行效率如何優化

2.1構建梯級泵站輸水系統運行效率優化模型與單級泵站效率優化模型

把系統運行效率最終優化目標，基于單級泵站效率優化，把流量與級間水位作為決策變量，結合不同梯級間水利耗損等條件，構建梯級泵站輸水系統運行效率最優模型，明確梯級間水力泵站內優化運行方案。當流量與揚程確定后，把最優目標定為單級泵站效率，基于抽水裝置性能計算，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等限制性條件，構建單級泵站效率優化運行模型，明確泵站內不同抽水配置優化運行方案。

2.2計算模型

在大系統分解協調理論的基礎上，根據系統結構與優化需求，第一，應將梯級泵站輸水系統分為不同的小規模的結構簡單的系統；第二，在區間離散的動態規劃算法的基礎上，尋找最優化的各子系統，確保各子系統的優化；結合系統總目標與任務，協助各子系統完成協調性工作 [1-2]。

2.2.1模型構造

首先，分解對梯級泵站輸水系統優化模型；其次，相關模型的構建。各分系統有效聯系。另外，在模型優化過程中，還包含了三個層面的決策問題，其中第一個層面是梯級間水位組合優化：也就是特定的流量和梯級凈揚程，把系統運行效率作為最優化目標，符合出水池水位和泵站進等限制性條件，分配梯級凈揚程任務，為輸水子系統與泵站子系統，不同梯級間水位進行優化組合。單級泵站內不同抽水裝置運行方案優化處在第二層決策中：在第一層決策的基礎上，通過分配進入到不同站級流量和揚程，將輸水任務配置到不同抽水裝置，確保最優化的泵站內部效率。系統輸水流量的優化處在第三層決策中，就是基于第一、二層決策，三層決策共同構成統一體，相互協調，實現最終目標。

2.2.2在區間離散的動態規劃基礎上求解

當前，對系統運行效率優化模型，最為常用的一些求解方法主要有下述幾種情況：遺傳算法和動態規劃法等。文章在區間離散的動態規劃法的基礎上計算，動態規劃法是一種較為普及的數學運算方法，適合用在系統不同級別間的分析和決策中，將復雜的問題詳細化，分層級進行求解，通常動態規劃法的計算點不集中，如果最優決策點沒有處在特定狀態，導致漏掉，使離散點產生指數不斷增長[3-4]。為了防止出現這種情況，針對狀態變量，使用區間離散代替點離散能將這一問題有效解決。

3梯級泵站輸水系統運行效率優化

3.1工程案例

工程施工段韓莊運河段工程，是南水北調工程之一，溝通了南四湖輸水干線和賂馬湖輸水干線。項目工程利用獨特地理優勢，如韓莊運河中水源輸入的特征，途徑了臺兒莊、萬年閘等一些新建工程，把駱馬湖水源輸送到南四湖下級湖，工程輸水規模125m3/s，結合泵站，可將輸水渠道劃分成下述幾種類型：萬年閘-韓莊段與臺兒莊-萬年閘段，相應長度分別為16km 和15km，其中，韓莊泵站、萬年閘和臺兒莊都配置了4臺機，當前未投入運行，各泵通過模型裝置效率的換算，能得到站水泵裝置效率。結合攔污柵等設施和現有測量資料，進行水利模型的構建。計算不同水池的水位、上下梯級間水位流失狀況，文章把臺兒莊-萬年閘渠段作為探究的例子。

3.2優化結果

構建系統運行效率優化模型并投入實踐中，優化計算韓莊段梯級泵站輸水系統后，獲得上下梯級輸水系統的優化參數，在輸水流量一定的情況下，梯級泵站輸水系統最佳運行效率，和相應梯級間水力優化措施，梯級泵站內部優化實施方案。以代表工程為準：臺兒莊站地下水位21.7m，韓莊站地上水位為33.2m，梯級凈揚程11.4m，輸水流量126m3/s。

3.3分析結果

還是以上述代表工程為探究對象，結合優化模型，計算地水位和低下水位，輸水流量不同，輸水子系統效率與梯級泵站輸水系統運行效率有必然關系，輸水子系統效率直接對梯級間水力損失產生影響；泵站子系統效率和不同抽水裝置能量損失有很大關系，相應計算不同水流量條件下，水流總損失占系統總輸入的百分比，對比兩者系統運行效率的影響大小。在水流量不同情況下，梯級間水力損失和泵站抽水裝置損失影響運行效率。最佳系統運行效率需兩者相互協調。當流量增加時，梯級間水力損失隨之增加，影響系統運行效率，呈上升趨勢。確定流量高效區間，控制系統上下級水位不變，和流量相應梯級泵站輸水系統優化運行效率均有差異，系統能達到的最大運行效率為70.2%，相應輸水流量為61m3/s；運行最低效率64.0%，相應輸水流量109 m3/s，兩者相差5.8%，為此，選擇恰當輸水流量區間很有必要 [5]。

4. 結束語

隨著流量增大，這種影響將逐漸上升，所以，工程設計并投入實踐運行，基于提升不同泵站內運行效率，對引起梯級間水力損失的影響因素應切實重視，采取有效應對措施，將水力損失降低最低，如欄污棚能的提升就是不錯的方法。梯級凈揚程處于一定條件時，梯級泵站輸水系統運行效率和輸水流量有很大關系，在調度實踐中，結合系統運行效率與流量關系，考慮輸水計劃，制定有效的輸水流量方案。

參考文獻：

[1]馮曉莉，仇寶云，楊興麗，等·大型復雜并聯梯級泵站系統運行優化研究[J].水利學報，2012， 43（9）： 1058-1065.

[2]龔菇，程吉林，張仁田，等.并聯泵站群日優化運行方案算法！[J].掃灘機械工程學報，2011， 29（3）： 230-234.

[3]俞亭超，張士喬.基于遺傳算法洪水系統優化調度模型閉.系統工程理論與實踐，2005， 25（12）： 88-95.

[4]孫曉君.基于MATLAB的動態規劃逆序算法的實現[J].紡織高?；A科學，2002， 15（1）： 38-41.

[5]桑國慶，曹升樂，郭瑞，官慶朔，白咸勇.梯級泵站輸水系統運行效率優化模型[J].系統工程理論與實踐，2014，（08）：2179-2185.