南水北調東線單級泵站日經濟運行研究

2015-07-28 06:07:33馬兆龍桑國慶

山東水利 2015年3期

馬兆龍，桑國慶，張　林

（1.南水北調東線總公司，北京 100053；2.濟南大學資源與環境學院，山東濟南 250012；3.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250014）

南水北調東線單級泵站日經濟運行研究

馬兆龍1，桑國慶2，張林3

（1.南水北調東線總公司，北京 100053；2.濟南大學資源與環境學院，山東濟南 250012；3.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250014）

【摘要】針對南水北調東線典型變頻調速泵站，利用現有水泵裝置模型試驗數據，分析抽水裝置揚程～流量～轉速～效率之間的關系，在此基礎上利用動態規劃法建立了單級泵站日優化運行調度模型，以日運行費用最小為目標，尋求最優的日運行調度方案，確定各個時段內各機組的開機組合及運行方案。并以南水北調東線韓莊泵站為例進行了優化計算，結果表明泵站優化運行方案與現狀方案相比，可有效降低運行電費。

【關鍵詞】南水北調；泵站效率；分時電價；優化運行

近年來，為緩解北方水資源短缺的狀況、促進水資源優化配置，我國修建了一大批跨流域梯級泵站輸水工程。其中泵站是工程的核心部分，能耗及運行費用較大。因此，相應地運行節能的需求和潛力也很大。

大型提水泵站一般采用計劃配水方式，提前根據受水區各分水口門的需調水量，結合總干渠的過流能力制定日供水計劃。泵站日運行方案的優化是泵站經濟運行的核心環節。

1　抽水裝置性能特性分析計算

針對南水北調東線變頻調速泵站，根據現有水泵裝置模型試驗數據，進行相似換算得到水泵裝置的性能數據，采用B樣條曲線擬合方法，得到水泵原型裝置的綜合特性曲線。在此基礎上計入電機效率和傳動效率，得到泵站抽水裝置的綜合特性曲線，為泵站優化運行提供基礎數據。

1.1抽水裝置效率

抽水裝置效率的計算可在水泵裝置效率的基礎上考慮電機效率和傳動效率，抽水裝置效率計算公式：

1.2水泵裝置工況點確定

水泵轉速調節工況點計算原理見圖1。設水泵裝置在n1和n2轉速下的Q~H曲線上相似點為A1和A2，將水泵裝置各個轉速下Q~H曲線上等效率點的連線為一條通過坐標原點的二次拋物線，記H=kQ2為給定A點的揚程和流量，即可確定出k值，從而確定出通過A點的等效率曲線。求出等效率曲線與已知轉速n1下Q~H曲線的交點A1（Q1，H1，η1，n1），則A點的效率和轉速分別為：η=η1；n=（Q/Q1）·n1。

圖1　水泵轉速調節工況點計算原理圖

2　單級泵站日經濟運行模型構建

2.1單級泵站日運行費用計算

本文中的日運行費用指泵站抽水裝置正常運行所需的電費其表達式為：

2.2單級泵站日經濟運行模型

泵站日抽水總量一定，以日運行費用最小為目標，以各時段泵站內各機組葉片角度（轉速）為決策變量，考慮分段計時電價及揚程變化，求解泵站一天內各時段的流量分配及對應的泵站內部運行方案（開關機臺數、葉片角度、轉速），優化模型如下：

1）目標函數

2）約束條件

2.3模型求解

采用基于離散區間的動態規劃法對各模型的優化決策問題進行求解。一般動態規劃法的計算點是離散的，當相鄰階段決策點離散步長不等時，可能導致給定某一狀態沒有決策組合，從而導致離散點呈指數倍增長。為避免這一問題，對狀態變量采取區間離散代替點離散的方法。

3　韓莊泵站日經濟優化運行實例

3.1韓莊泵站概況

韓莊泵站樞紐工程位于棗莊市嶧城區古邵鎮八里溝村西，韓莊運河樁號4+200處。韓莊泵站裝機5臺，其中備用1臺，泵站設計（最高）揚程4.15m，最低揚程2.25m。單機設計流量為31.5m3/s。水泵采用10kV高壓變頻電機驅動，工頻轉速125r/min，電機功率2000kW，泵站總裝機容量10000kW。

韓莊泵站輸水采用計劃調水模式，以1d為一個調水循環周期，考慮分時電費循環及揚程變化因素，將1d內劃分為4個時段，時段揚程及電費變化情況見表1。

根據現有韓莊泵站水泵模型裝置性能數據，根據第1節方法可得泵站抽水裝置揚程-流量-效率和揚程-流量-轉速性能數據，并作為優化計算基礎數據。

3.2單級泵站日經濟運行方案計算及分析

選取典型工況如下：韓莊泵站日輸水總量要求范圍在（950×104～960×104m3）區間，根據優化模型計算出的韓莊泵站各時段流量分配，以及各機組優化運行方案見表1，表2。