井群泵站運行優(yōu)化研究

王超 朱滿林 李小周 閆天柱

摘要 井群泵站水泵機(jī)組臺數(shù)多，裝機(jī)功率大，對其進(jìn)行運行優(yōu)化是減少能源消耗、降低供水成本的重要手段。建立井群泵站水泵并聯(lián)運行的非線性能量方程組，通過牛頓迭代法求解并聯(lián)運行水泵工況點。以泵站提升1萬t水耗電量最低為目標(biāo)建立運行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用枚舉法結(jié)合matlab軟件編程求解所有開機(jī)組合提升1萬t水的耗電量。計算結(jié)果表明，不同開機(jī)組合提升1萬t水的耗電量不同，其中最大耗電量與最小耗電量相差12.8%。選擇合適的開機(jī)組合可以達(dá)到節(jié)約能源、降低運行成本的目的。

關(guān)鍵詞 井群泵站；并聯(lián)運行；枚舉法；運行優(yōu)化

中圖分類號 TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-291-02

Abstract The well group pumping station has a lot of pump units， the operation optimization of pumping station is an important means to reduce energy consumption and reduce the cost of water supply. In this research， we set up the nonlinear energy equations of the parallel operation of the pump， and solved the equations by Newton iteration method. Taking the minimum power consumption of supplying ten thousand tons of water as the objective， we established the mathematical model of operation optimization. Using enumeration method combined with matlab software programming， the power consumption was solved which used by all of water pump combination mode supply ten thousand tons of water. The calculation results showed that the power consumption of supplying ten thousand tons of water was different between different pump combinations， and the maximum difference reached 12.8%. The choice of suitable pump combination mode could achieve the purpose of saving energy and reducing the running cost.

Key words Well group pump station； Parallel operation； Enumeration method； Operation optimization

在滿足供水要求的前提下，泵站運行成本最小是供水工程所追求的目標(biāo)。一般情況下，供水成本的大小、水泵效率的高低總是與泵站的運行調(diào)度有關(guān)，通過優(yōu)化調(diào)度，可顯著降低泵站的運行成本[1-2]。張煥俐等以水泵機(jī)組并聯(lián)運行的總耗電功率最小為目標(biāo)，建立了各水泵機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，尋求并聯(lián)水泵之間的最優(yōu)流量分配，以及流量變化時的最優(yōu)啟停泵順序[3]。周龍才在采用迭代法求解泵組工作參數(shù)的基礎(chǔ)上，以總流量需求為約束條件，以總功率最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了求解多泵并聯(lián)最優(yōu)開機(jī)組合的動態(tài)規(guī)劃模型，并開發(fā)了針對該模型的軟件程序[4]。泵站優(yōu)化運行問題本質(zhì)上屬于組合優(yōu)化調(diào)度問題。為了確定泵站的最優(yōu)運行方式，必須研究泵站中各臺泵的工作特性，然后根據(jù)實際工作條件，按各臺泵的性能，計算確定泵站運行機(jī)組的最優(yōu)組合[5]。筆者以某井群泵站提升1萬t水耗電量最低為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，通過牛頓迭代法求解并聯(lián)運行水泵工況點，應(yīng)用枚舉法結(jié)合matlab軟件編程求解該工程所有開機(jī)組合提升1萬t水的耗電量，可據(jù)此選擇最經(jīng)濟(jì)的運行方案。

1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

1.1 某井群泵站工程概況

某井群泵站由5口井并聯(lián)向高位水池供水，如圖1所示。每口井安裝3臺同型號潛水泵，共安裝15臺泵，其中12臺工作，3臺備用。

2 計算結(jié)果分析

應(yīng)用枚舉法結(jié)合matlab軟件編程計算得到該工程不同開機(jī)組合和相應(yīng)提取1萬t水所消耗電量的關(guān)系圖，如圖2所示，圖2中橫坐標(biāo)表示不同開機(jī)臺數(shù)，縱坐標(biāo)表示不同開機(jī)組合提升1萬t水的耗電量。

由圖2可知，不同開機(jī)組合的1萬t水耗電量相差較大。圖2中每種開泵臺數(shù)都有一個1萬t水耗電量最低的開機(jī)組合，隨著開泵臺數(shù)的增多，相應(yīng)的1萬t水最低耗電量值也隨之增大。

表1所示為3臺泵運行時，不同開機(jī)方案工作點參數(shù)。由表1可清楚地看出，同一開泵臺數(shù)下不同開機(jī)方案能耗相差較大，選擇最優(yōu)開機(jī)方案可節(jié)能12.8%。

由表2可看出，運行4臺泵的所有開機(jī)組合中，1萬t水最低耗電量為5 841.329 kWh；運行12臺泵的所有開機(jī)組合中，1萬t水最低耗電量為6 289.965 kWh，二者相差7.7%。由此可知，選擇合適的開機(jī)方案，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)論

泵站優(yōu)化運行問題本質(zhì)上屬于組合優(yōu)化調(diào)度問題，針對某井群泵站中各臺泵的工作特性，用牛頓迭代法求解了不同組合情況下各臺泵的工況點，通過優(yōu)化調(diào)度，確定了不同工況下泵站運行機(jī)組的最優(yōu)組合。針對目標(biāo)函數(shù)，通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，井群泵站不同開機(jī)組合1萬t水耗電量相差較大，不同開機(jī)組合1萬t水耗電量最大相差12.8%。在滿足供水要求的前提下，選擇最優(yōu)的開機(jī)組合可以節(jié)約能源、降低運行成本。

由該研究的計算結(jié)果可以看出，在用戶需水量較小的情況下，選擇開機(jī)臺數(shù)較少的開機(jī)組合是比較經(jīng)濟(jì)的。

泵站優(yōu)化運行問題的核心是正確求解出水泵工況點，該研究所用牛頓迭代法雖然能正確地求出各種工況下水泵的工況點，但是其計算過程復(fù)雜，工作量大，尤其是當(dāng)能量方程組比較復(fù)雜時，對其進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)求解比較困難；而且計算過程中要將非線性方程組線性化，忽略了高階無窮小量，使得 計算精度降低，迭代次數(shù)增加。因此，找到一種簡便快捷求解水泵工況點的方法是今后需要研究的方向。

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