馬兆龍，桑國(guó)慶，張　林

（1.南水北調(diào)東線總公司，北京 100053；2.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012；3.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250014）

南水北調(diào)東線單級(jí)泵站日經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究

馬兆龍1，桑國(guó)慶2，張林3

（1.南水北調(diào)東線總公司，北京 100053；2.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012；3.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250014）

【摘要】針對(duì)南水北調(diào)東線典型變頻調(diào)速泵站，利用現(xiàn)有水泵裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析抽水裝置揚(yáng)程～流量～轉(zhuǎn)速～效率之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法建立了單級(jí)泵站日優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度模型，以日運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，尋求最優(yōu)的日運(yùn)行調(diào)度方案，確定各個(gè)時(shí)段內(nèi)各機(jī)組的開機(jī)組合及運(yùn)行方案。并以南水北調(diào)東線韓莊泵站為例進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果表明泵站優(yōu)化運(yùn)行方案與現(xiàn)狀方案相比，可有效降低運(yùn)行電費(fèi)。

【關(guān)鍵詞】南水北調(diào)；泵站效率；分時(shí)電價(jià)；優(yōu)化運(yùn)行

近年來，為緩解北方水資源短缺的狀況、促進(jìn)水資源優(yōu)化配置，我國(guó)修建了一大批跨流域梯級(jí)泵站輸水工程。其中泵站是工程的核心部分，能耗及運(yùn)行費(fèi)用較大。因此，相應(yīng)地運(yùn)行節(jié)能的需求和潛力也很大。

大型提水泵站一般采用計(jì)劃配水方式，提前根據(jù)受水區(qū)各分水口門的需調(diào)水量，結(jié)合總干渠的過流能力制定日供水計(jì)劃。泵站日運(yùn)行方案的優(yōu)化是泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)。

1　抽水裝置性能特性分析計(jì)算

針對(duì)南水北調(diào)東線變頻調(diào)速泵站，根據(jù)現(xiàn)有水泵裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相似換算得到水泵裝置的性能數(shù)據(jù)，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(chǔ)上計(jì)入電機(jī)效率和傳動(dòng)效率，得到泵站抽水裝置的綜合特性曲線，為泵站優(yōu)化運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1抽水裝置效率

抽水裝置效率的計(jì)算可在水泵裝置效率的基礎(chǔ)上考慮電機(jī)效率和傳動(dòng)效率，抽水裝置效率計(jì)算公式：

1.2水泵裝置工況點(diǎn)確定

水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工況點(diǎn)計(jì)算原理見圖1。設(shè)水泵裝置在n1和n2轉(zhuǎn)速下的Q~H曲線上相似點(diǎn)為A1和A2，將水泵裝置各個(gè)轉(zhuǎn)速下Q~H曲線上等效率點(diǎn)的連線為一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，記H=kQ2為給定A點(diǎn)的揚(yáng)程和流量，即可確定出k值，從而確定出通過A點(diǎn)的等效率曲線。求出等效率曲線與已知轉(zhuǎn)速n1下Q~H曲線的交點(diǎn)A1（Q1，H1，η1，n1），則A點(diǎn)的效率和轉(zhuǎn)速分別為：η=η1；n=（Q/Q1）·n1。

圖1　水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)工況點(diǎn)計(jì)算原理圖

2　單級(jí)泵站日經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型構(gòu)建

2.1單級(jí)泵站日運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

本文中的日運(yùn)行費(fèi)用指泵站抽水裝置正常運(yùn)行所需的電費(fèi)其表達(dá)式為：

2.2單級(jí)泵站日經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型

泵站日抽水總量一定，以日運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，以各時(shí)段泵站內(nèi)各機(jī)組葉片角度（轉(zhuǎn)速）為決策變量，考慮分段計(jì)時(shí)電價(jià)及揚(yáng)程變化，求解泵站一天內(nèi)各時(shí)段的流量分配及對(duì)應(yīng)的泵站內(nèi)部運(yùn)行方案（開關(guān)機(jī)臺(tái)數(shù)、葉片角度、轉(zhuǎn)速），優(yōu)化模型如下：

1）目標(biāo)函數(shù)

2）約束條件

2.3模型求解

采用基于離散區(qū)間的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)各模型的優(yōu)化決策問題進(jìn)行求解。一般動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的計(jì)算點(diǎn)是離散的，當(dāng)相鄰階段決策點(diǎn)離散步長(zhǎng)不等時(shí)，可能導(dǎo)致給定某一狀態(tài)沒有決策組合，從而導(dǎo)致離散點(diǎn)呈指數(shù)倍增長(zhǎng)。為避免這一問題，對(duì)狀態(tài)變量采取區(qū)間離散代替點(diǎn)離散的方法。

3　韓莊泵站日經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行實(shí)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(qū)古邵鎮(zhèn)八里溝村西，韓莊運(yùn)河樁號(hào)4+200處。韓莊泵站裝機(jī)5臺(tái)，其中備用1臺(tái)，泵站設(shè)計(jì)（最高）揚(yáng)程4.15m，最低揚(yáng)程2.25m。單機(jī)設(shè)計(jì)流量為31.5m3/s。水泵采用10kV高壓變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工頻轉(zhuǎn)速125r/min，電機(jī)功率2000kW，泵站總裝機(jī)容量10000kW。

韓莊泵站輸水采用計(jì)劃調(diào)水模式，以1d為一個(gè)調(diào)水循環(huán)周期，考慮分時(shí)電費(fèi)循環(huán)及揚(yáng)程變化因素，將1d內(nèi)劃分為4個(gè)時(shí)段，時(shí)段揚(yáng)程及電費(fèi)變化情況見表1。

根據(jù)現(xiàn)有韓莊泵站水泵模型裝置性能數(shù)據(jù)，根據(jù)第1節(jié)方法可得泵站抽水裝置揚(yáng)程-流量-效率和揚(yáng)程-流量-轉(zhuǎn)速性能數(shù)據(jù)，并作為優(yōu)化計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2單級(jí)泵站日經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案計(jì)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(qū)間，根據(jù)優(yōu)化模型計(jì)算出的韓莊泵站各時(shí)段流量分配，以及各機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行方案見表1，表2。

4　結(jié)語

1）日輸水總量一定的情況下，

各時(shí)段內(nèi)的電價(jià)、輸水流量、揚(yáng)程及泵站效率是影響泵站日運(yùn)行費(fèi)用的主要因素。其中，由于不同時(shí)段電價(jià)差別較大，相比泵站效率及揚(yáng)程變化，分時(shí)電價(jià)是影響時(shí)段內(nèi)流量分配及日運(yùn)行費(fèi)用的主要因素。

表1　韓莊泵站各時(shí)段流量?jī)?yōu)化分配方案

2）當(dāng)日輸水總量、揚(yáng)程變化一定時(shí)，通過優(yōu)化運(yùn)行可顯著降低運(yùn)行費(fèi)用。以文中列舉的典型工況為例，優(yōu)化后韓莊泵站日單位運(yùn)行費(fèi)用為0.009元/m3，較優(yōu)化前降低了12%。

3）文中所采用的抽水裝置效率是由水泵裝置模型數(shù)據(jù)經(jīng)換算得出，下一步應(yīng)在實(shí)際運(yùn)行中逐步采集抽水裝置運(yùn)行的工況點(diǎn)參數(shù)，對(duì)其性能進(jìn)行校核，保證優(yōu)化方案的可靠性。

表2　韓莊泵站1天內(nèi)各時(shí)段機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行方案　

（責(zé)任編輯 趙其芬）

【中圖分類號(hào)】TV68

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1009-6159（2015）-03-0032-02

基金項(xiàng)目：“十二五”水專項(xiàng)2012ZX07205-005）

收稿日期：2015-01-22

作者簡(jiǎn)介：馬兆龍（1982—），男，工程師