變頻調角雙調節軸流泵機組在大型泵站中的優化運行研究

侯國鑫，劉梅清，梁 興，吳遠為

(1. 湖南省洞庭湖水利工程管理局， 長沙 410007；2. 武漢大學動力與機械學院，武漢 430072；3. 南昌工程學院，南昌 330099)

0 引 言

為解決實際供水、排澇、灌溉等問題，國內外修建了大量泵站，在其實際運行中，往往存在著效率不高，能量消耗大等問題。如何提高泵站工程的運行效率，降低其運行能量消耗，使其能夠安全且經濟的運行是一個重要的課題，開展泵站優化調度研究是解決以上問題的有效的非工程性措施之一。譬如，文獻[1]中考慮了渠道水力損失的因素，以梯級泵站系統日運行費用最小為目標函數建立梯級泵站優化調度模型，結果表明該模型優化結果改變顯著，能有效降低運行費用。文獻[2]考慮蓄水量、輸水線路水頭損失、流量平衡和總揚程等約束條件，建立優化調度經濟運行模型，以單位輸水成本最小為目標，采用動態規劃算法進行全局優化。文獻[3]以3個調蓄湖泊及9個泵站群為研究對象，對建立的多水庫水資源聯合調度模型進行仿真計算。文獻[4]以引水系統效率最高為優化目標，對流量進行平衡匹配計算，為泵站優化調度提供技術支持。文獻[5]研究轉速對立式軸流泵的能量性能的影響進行研究，為變速工況下軸流泵裝置能量特性的精準預測提供了參考。文獻[6]根據泵站揚程確定最佳的葉片安裝角，實現泵站的經濟運行。另外，隨著智能控制算法的發展，許多學者運用遺傳算法[7,8]、蟻群算法[9]、人工蜂群算法[10]等優化算法對泵站優化運行問題進行求解。

本文采用粒子群算法，針對湖南某泵站開展優化調度研究，建立變頻調角雙調節軸流泵優化調度模型，開展了大量工況的優化研究，為泵站制定科學合理的運行方案提供了有力的理論支持。

1 泵站基本情況介紹

湖南某泵站，改造后水泵臺數為4臺，型號為1200ZLQ-85立式全調節軸流泵，葉片角度范圍-6°～+4°，設計工況流量3.63 m3/s，設計工況揚程8.11 m，設計工況角度2°，單機功率400 kW，電機轉速采用雙速，低速490 r/min，高速730 r/min。

2 優化調度模型

以調度周期內耗電量最低為控制目標：

(1)

式中：p為調度周期內泵站耗電量；Hst(i)表示第i個時段下的泵站靜揚程；ρ表示水的密度；g為重力加速度；q(i)表示第i個時段下的站流量，且假定相同時段下該站所有運行的機組流量相同；T(i)表示第i個時段下的運行時長；η(i)表示第i個時段的水泵在不同轉速下最高效率。其中流道損失按照0.106Q2計算。

優化調度約束條件如下。

(1)計劃排水量約束：

(2)

式中：S為調度周期內計劃排水量。

(2)單泵流量約束：

qmin≤q≤qmax

(3)

式中：qmin和qmax代表單泵的最小和最大允許站流量。

(3)單泵揚程約束：

Hmin≤H≤Hmax

(4)

式中：Hmin、Hmax分別代表水泵最小、最大揚程。

(4)葉片角度調節約束。

αmin≤α≤αmax

(5)

式中：αmin和αmax代表泵站水泵的最小和最大葉片調節角度。葉片角度按照最小調整角度為0.5°進行優化計算。

(5)轉速約束。水泵轉速只有490、730 r/min等兩種轉速。

3 粒子群算法

3.1 基本算法簡介

在粒子群算法(PSO)中，如果解是J維的，那每個J維的粒子都可被視為優化問題的一個潛在解，它由適應度函數評估其當前位置的優劣，而粒子群則是解空間上的一個子集，它通過粒子的“飛行”來完成對解空間的搜索，以確定最優解。“飛行”的粒子，不僅具有初始速度，而且還能夠記憶其最佳的位置，同時可以獲知整個粒子群的最佳位置。

(6)

(7)

3.2 優化調度計算流程

計算流程圖見圖1。

圖1 計算流程圖

4 實例分析

王家湖泵站水泵運轉特性曲線如圖2所示，王家湖泵站靜揚程可以區分為7 m以下，7～9 m和9 m以上等低、中、高3種揚程情況。由于不同靜揚程下，水泵運行范圍差異性較大，顯然，水泵雙速調節可能在中等揚程范圍內存在。由于王家湖泵站改造后運行參數較少，本文擬按照低揚程(靜揚程范圍2.5～7 m)、中等揚程(靜揚程范圍7.5～9 m)和高揚程(靜揚程范圍10～22 m)等3種狀態，并匹配日排水量120、100、90、80、70和60 萬m3等，分每日3時段條件(即每隔8 h調整一次)和每日4時段調節(即每隔6 h調整一次)對王家湖泵站整個運行情況進行調度分析。其中，內江水位當日零點時選取26.6 m，24點時取27.0 m，內江水位成線性變化，外江基本水位取內江水位均值26.8 m+靜揚程，為更加貼合水位變化實際，在外江基本水位基礎上再計入較小的隨機波動值(0.1 m以內)，工況總計163種(如表1所示)。

圖2 王家湖泵站水泵運轉特性曲線

表1 優化調度計算工況表

綜合對比163種工況下，3階段操作和4階段操作優化結果，兩者耗電量基本一致，最大相差僅0.08 萬元，考慮到3階段操作相對簡單，故建議采用3階段操作(如表2所示)。在此基礎上，分析靜揚程、日提水量等對操作的影響。

表2 不同工況下最優操作方案(3階段)

圖3表明，在低揚程范圍內，轉速均按照490 r/min運轉，在相同的日提水量下，隨著靜揚程的增加，耗電量逐步增加。在相同靜揚程下，隨著日提水量的增加，耗電量逐步增加。在高揚程范圍內，轉速按照730 r/min運轉，靜揚程、日提水量等對操作的影響與低揚程范圍類似。

圖4表明，在低揚程范圍內，轉速均按照490 r/min運轉，在相同的日提水量下，隨著靜揚程的增加，平均開機角度快速增加。在相同靜揚程下，隨著日提水量的增加，平均開機角度逐步增加。在高揚程范圍內，轉速按照730 r/min運轉，角度變化與低揚程類似。

在中等揚程范圍(靜揚程7.5～9 m)內，水泵運轉情況比較復雜。在日提水量120 萬m3、靜揚程8.0 m左右，泵站宜采用高低轉速匹配運行，當揚程降低時，水泵趨于采用低速運行，當揚程增加時，水泵趨于采用高速運行。另外，在該范圍內當日排水量減小時，水泵趨于采用低轉速運行，反之，則向高轉速運行。

5 結 論

(1)在相同條件下，3時段操作和4時段操作耗電量相差較小，考慮到運行操作的簡單性，建議采用3時段操作方案。

(3)在相同的日提水量下，隨著靜揚程的增加，耗電量逐步增加，平均開機角度快速增加。在相同靜揚程下，隨著日提水量的增加，耗電量逐步增加，平均開機角度逐步增加。

(3)在低揚程范圍內，水泵轉速采用490 r/min運轉；高揚程范圍內，水泵轉速采用730 r/min運轉。在日提水量120 萬m3、靜揚程8.0 m左右，泵站宜采用高低轉速匹配運行，降低靜揚程或日排水量，則水泵運行轉速偏向490 r/min時，效率較高；反之則向730 r/min偏移。