南水北調(diào)東線工程江都泵站運行優(yōu)化研究

申 林 王肇優(yōu) 劉勁楓

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

1 引 言

泵站優(yōu)化運行是指在不同的運行條件下，對運行的泵站和機組進行優(yōu)化選擇，對機組的運行負荷和運行時間進行優(yōu)化。以水泵效率最高為優(yōu)化目標(biāo)是不合理的，因為水泵效率最高時泵組效率不是最高的，能耗也不是最小的。一套泵組運行時，水泵和進出口流道(管道)的泵組效率最高[1-2]。對于整個泵站的運行，應(yīng)以機組運行費用最小為目標(biāo)，根據(jù)抽水流量或抽水量的要求，在泵站優(yōu)化運行中應(yīng)考慮不同的裝置揚程。此外，在實施時變電價時，應(yīng)考慮時變電價對泵站優(yōu)化運行的影響，以使運行成本最小。在本研究中，針對不同的總泵流量和日總泵水量，研究了不同泵組揚程下的最優(yōu)運行方案[3-4]。分析了時變電價對泵站優(yōu)化運行的影響，以指導(dǎo)泵站優(yōu)化運行。

2 江都泵站基本情況

江都泵站位于江蘇省揚州市江都區(qū)，地處京杭大運河、新通揚運河和淮河入江尾閭芒稻河的交匯處，是南水北調(diào)東線工程水源泵站的一部分。江都四站共7臺主機組，本文以江都四站4臺主機組為模型，單機設(shè)計流量30m3/s，設(shè)計凈揚程7.8m，采用堤后式結(jié)構(gòu)，進水為肘形流道，出水為虹吸式彎流道，真空破環(huán)閥斷流。該站的主要作用是向北方調(diào)水，輔助作用是排水。泵站年平均運行時間5000h以上，年運行費用340萬元。如果在泵站中實施優(yōu)化運行，可節(jié)省大量的電費。

3 基于一定總泵流量的泵站優(yōu)化運行

江都泵站前池與長江相連。受長江潮位的影響，泵站安裝揚程變化頻繁，導(dǎo)致運行任務(wù)頻繁變化。根據(jù)泵組揚程的變化，本文將一天分為四個時段。表1列出了每個時段的電價和水頭。

表1 每個時間段的電價和水頭

時段劃分可多可少，但如果太少，電價和裝配揚程的變化反映不清，如果太多，就要經(jīng)常調(diào)整泵葉片的角度，裝置的可靠性就會降低。

在泵組揚程一定的情況下，為了保證泵組的穩(wěn)定運行，可以將葉片角度從最小值調(diào)整到最大值，從而使單機泵排量相應(yīng)地從最小值變化到最大值。以泵站用電成本最小為目標(biāo)，同時滿足單機抽水流量和總抽水流量的約束條件，建立總抽水流量為QT條件下的數(shù)學(xué)模型。最小電氣成本F的計算如下：

(1)

式中i——一天中的時段數(shù)；

j——泵組，共4臺；

g——重力加速度；

ρ——水的密度；

Hzi——一期泵總成揚程；

Qij——時段i泵組j總流量；

ηzij——時段i泵組j工作效率；

ηmot——電動機效率(給定ηmot=94%)；

ηint——傳輸效率(給定ηint=100%)；

ΔT——每段時間的小時數(shù)；

Pi——時段i的電價。

目標(biāo)函數(shù)等式(1)受以下約束：

(2)

Qij,min≤Qij≤Qij,max

(3)

式中Qij,min、Qij,max——泵組j在時間段i(即在水頭Hzi上)的最小和最大允許總流量。

傳統(tǒng)的求解方法，如微分法、動態(tài)規(guī)劃和建模技術(shù)，其計算過程對上述模型是復(fù)雜的。因此，應(yīng)用遺傳算法求解模型。

同一泵型的運行泵的總流量平均分配，故在計算過程中選取了8個變量，其中4個表示不同時段的單機流量，另4個表示不同時段的運行泵組數(shù)量。為了解決約束條件問題，在每個迭代過程中，拒絕偏離可行解的解，代之以當(dāng)前的最優(yōu)解。

在總泵流量一定的情況下，泵站優(yōu)化運行結(jié)果見表2。要求在每段時間內(nèi)泵送流量恒定，不受電價變化的影響。當(dāng)指令抽水流量為50m3/s時，允許單機流量為25～50m3/s，因此運行泵的數(shù)量是非整數(shù)的，可以通過調(diào)整泵組運行時間來保證流量。基于一定總泵流量的泵站常規(guī)運行(設(shè)計葉片角度)結(jié)果見表3。

表2 基于一定總泵流量調(diào)節(jié)葉片角度的泵站優(yōu)化運行

表3 基于一定總泵流量的泵站常規(guī)運行

4 泵站按一定日總抽水量優(yōu)化運行

在日總抽水量一定的情況下，以泵站用電成本最小為目標(biāo)，建立了如下數(shù)學(xué)模型。同時滿足單機抽水流量和總抽水量的約束條件。最低電氣成本F如下：

(4)

目標(biāo)函數(shù)等式(4)受以下約束：

(5)

Qij,min≤Qij≤Qij,max

(6)

在計算過程中，葉片角度和時變電價是影響單機泵流量和機組運行臺數(shù)的兩個因素。考慮時變電價和不考慮時變電價情況下調(diào)整葉片角度的結(jié)果見表4～表5。考慮時變電價和不考慮時變電價的設(shè)計葉片角度下的結(jié)果見表6～表7。運行泵的臺數(shù)是非整數(shù)的，通過調(diào)整泵組運行時間可以保證水量。不考慮時變電價的情況是指在優(yōu)化計算過程中，抽水量不隨電價變化而變化，而在實際運行中實施時變電價。

表4 考慮時變電價調(diào)節(jié)葉片角度的泵站優(yōu)化運行

表5 不考慮時變電價調(diào)整葉片角度的泵站優(yōu)化運行

表6 考慮時變電價設(shè)計葉片角的泵站優(yōu)化運行

表7 不考慮時變電價設(shè)計葉片角的泵站優(yōu)化運行

5 不同優(yōu)化運行方案的比較分析

由表4～表7可知，當(dāng)裝置揚程最低、電價較低時，泵站第四時段抽水量最大；當(dāng)裝置揚程最高、電價較高時，泵站第一時段抽水量最小；當(dāng)裝置揚程較高、電價較低時，泵站第三時段抽水量較大；當(dāng)裝配揚程較低、電價較高時，泵站第二時段抽水量較小。

以每天總抽水量1296萬m3為例，表8顯示了在考慮時變電價(W1)和不考慮時變電價(W2)之間的每個時段的抽水量比較。結(jié)果表明，第一時段(裝配水頭和電價較高時)抽水量減少；第四時段(裝配水頭和電價較低時)抽水量增加。

表8 泵站不同時段抽水量的比較

表2～表3中的總流量150m3/s、100m3/s和50m3/s分別對應(yīng)表4～表7中的總抽水量1296萬m3、864萬m3和432萬m3。江都泵站不同情況下的電費比較見表9。F1和F2分別表示在一定總泵流量的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整葉片角度和常規(guī)操作(在設(shè)計葉片角度)來實現(xiàn)泵站運行的電氣成本；F3和F4分別表示泵站運行的電費，在考慮時變電價和不考慮時變電價的情況下，根據(jù)抽水量調(diào)整葉片角度；F5和F6分別表示在考慮時變電價和不考慮時變電價的情況下，泵站在設(shè)計葉片角度下運行時的電費。從表9可以看出，在抽取一定水量的情況下，考慮調(diào)整葉片角度和時變電價的方案的電費最低，而在總流量一定的情況下，常規(guī)運行方案的電費最高。前者比后者節(jié)省4.73%～31.27%。與常規(guī)的基于一定總流量的運行方案相比，基于一定總流量的葉片角度調(diào)整方案節(jié)省了2.03%～5.79%的電力成本；在不考慮泵送一定水量時變電價的情況下，采用調(diào)整葉片角度的方案，可節(jié)省電費4.54%～24.60%；在設(shè)計葉片角度和考慮泵送一定水量時變電價的情況下，方案節(jié)省了2.82%～17.56%的電費；在不考慮泵送一定水量時變電價的情況下，設(shè)計葉片角度方案節(jié)省了2.59%～16.24%的電費。

表9 不同情況下泵站用電成本的比較

6 結(jié) 論

根據(jù)不同的運行要求，泵站有兩種基于一定抽水流量和一定抽水量的優(yōu)化運行方案。在實行時變電價方面，泵站具有調(diào)節(jié)葉片角度的功能，應(yīng)根據(jù)不同情況調(diào)整葉片角度和水泵運行臺數(shù)，以降低用電成本。當(dāng)水頭和電價較低時，應(yīng)多抽水，當(dāng)水頭和電價較高時，應(yīng)少抽水。以日抽一定水量為基礎(chǔ)的葉片角度調(diào)整方案和時變電價方案的電費最低，而以一定抽水流量為基礎(chǔ)的常規(guī)運行方案的電費最高。前者比后者節(jié)省4.73%～31.27%。