王超 朱滿林 李小周 閆天柱

摘要 井群泵站水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)多，裝機(jī)功率大，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)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(yùn)行的非線性能量方程組，通過(guò)牛頓迭代法求解并聯(lián)運(yùn)行水泵工況點(diǎn)。以泵站提升1萬(wàn)t水耗電量最低為目標(biāo)建立運(yùn)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(kāi)機(jī)組合提升1萬(wàn)t水的耗電量。計(jì)算結(jié)果表明，不同開(kāi)機(jī)組合提升1萬(wàn)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(kāi)機(jī)組合可以達(dá)到節(jié)約能源、降低運(yùn)行成本的目的。

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

中圖分類(lèi)號(hào) TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(yùn)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(yùn)行調(diào)度有關(guān)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，可顯著降低泵站的運(yùn)行成本[1-2]。張煥俐等以水泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)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(shí)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(kāi)機(jī)組合的動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，并開(kāi)發(fā)了針對(duì)該模型的軟件程序[4]。泵站優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題本質(zhì)上屬于組合優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。為了確定泵站的最優(yōu)運(yùn)行方式，必須研究泵站中各臺(tái)泵的工作特性，然后根據(jù)實(shí)際工作條件，按各臺(tái)泵的性能，計(jì)算確定泵站運(yùn)行機(jī)組的最優(yōu)組合[5]。筆者以某井群泵站提升1萬(wàn)t水耗電量最低為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)牛頓迭代法求解并聯(lián)運(yùn)行水泵工況點(diǎn)，應(yīng)用枚舉法結(jié)合matlab軟件編程求解該工程所有開(kāi)機(jī)組合提升1萬(wàn)t水的耗電量，可據(jù)此選擇最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)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(tái)同型號(hào)潛水泵，共安裝15臺(tái)泵，其中12臺(tái)工作，3臺(tái)備用。

2 計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用枚舉法結(jié)合matlab軟件編程計(jì)算得到該工程不同開(kāi)機(jī)組合和相應(yīng)提取1萬(wàn)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(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，縱坐標(biāo)表示不同開(kāi)機(jī)組合提升1萬(wàn)t水的耗電量。

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

表1所示為3臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)，不同開(kāi)機(jī)方案工作點(diǎn)參數(shù)。由表1可清楚地看出，同一開(kāi)泵臺(tái)數(shù)下不同開(kāi)機(jī)方案能耗相差較大，選擇最優(yōu)開(kāi)機(jī)方案可節(jié)能12.8%。

由表2可看出，運(yùn)行4臺(tái)泵的所有開(kāi)機(jī)組合中，1萬(wàn)t水最低耗電量為5 841.329 kWh；運(yùn)行12臺(tái)泵的所有開(kāi)機(jī)組合中，1萬(wàn)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(kāi)機(jī)方案，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)論

泵站優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題本質(zhì)上屬于組合優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，針對(duì)某井群泵站中各臺(tái)泵的工作特性，用牛頓迭代法求解了不同組合情況下各臺(tái)泵的工況點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，確定了不同工況下泵站運(yùn)行機(jī)組的最優(yōu)組合。針對(duì)目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，井群泵站不同開(kāi)機(jī)組合1萬(wàn)t水耗電量相差較大，不同開(kāi)機(jī)組合1萬(wàn)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(kāi)機(jī)組合可以節(jié)約能源、降低運(yùn)行成本。

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

泵站優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題的核心是正確求解出水泵工況點(diǎn)，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(diǎn)，但是其計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，工作量大，尤其是當(dāng)能量方程組比較復(fù)雜時(shí)，對(duì)其進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)求解比較困難；而且計(jì)算過(guò)程中要將非線性方程組線性化，忽略了高階無(wú)窮小量，使得 計(jì)算精度降低，迭代次數(shù)增加。因此，找到一種簡(jiǎn)便快捷求解水泵工況點(diǎn)的方法是今后需要研究的方向。

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