王 彤，涂 杰，付 浩，趙 明，吳芬芬，丁 祥，劉文睿，石存杰

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054；2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061；4.中化二建集團(tuán)有限公司，太原 030021；5 天津三博水科技有限公司，天津 300070)

水廠的取水泵、配水泵是水廠生產(chǎn)過程中耗電量大的主要設(shè)備，但是由于水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離水泵特性曲線的高效區(qū)，使水泵機(jī)組低效運(yùn)行，造成巨大的能源浪費(fèi)。盡管近年來水資源費(fèi)、人工費(fèi)增長幅度較大，但大多數(shù)供水企業(yè)的平均耗電量占供水企業(yè)制水成本的40%以上，而主要用電消耗在水泵機(jī)組的運(yùn)行中[1]。但由于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有超前性，一般對區(qū)域的用水規(guī)模預(yù)測偏大，同時(shí)在水泵選型中，一般按最高日最高時(shí)流量條件選擇，揚(yáng)程留有余度[2]，而在實(shí)際運(yùn)行中，泵站的流量和揚(yáng)程在絕大部分時(shí)間里遠(yuǎn)低于所設(shè)計(jì)的流量和揚(yáng)程[3]。因此實(shí)行節(jié)能、節(jié)電、降耗是一個(gè)緊迫的任務(wù)。這對供水行業(yè)優(yōu)質(zhì)供水，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本，具有非常現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的意義。但大部分供水企業(yè)在優(yōu)化調(diào)度時(shí)，采用的是人工調(diào)度的方法，即憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水泵的調(diào)節(jié)，這樣會(huì)影響供水范圍內(nèi)用戶水壓和水量[4]。

利用水力模擬軟件，建立供水管網(wǎng)水力模型，可以模擬供水區(qū)域各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況，為供水企業(yè)進(jìn)行供水調(diào)度提供供水區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)工況，分析出泵站最優(yōu)的出廠壓力。故以北方某市清源泵站為例，研究供水管網(wǎng)水力模型在泵站優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用。

1 技術(shù)原理

1.1 泵站節(jié)能原理

泵站的供水單耗表達(dá)式如下：

(1)

式中：第一部分代表泵站所能實(shí)現(xiàn)的最小供水單耗，記為Wmin；第二部分代表當(dāng)前工況下，泵站存在的節(jié)電潛力，記為ΔW。在ΔW中，前面是由于泵站運(yùn)行效率η(Q，H)偏離最高效率ηmax(Q，H)形成效率偏差Δη(Q，H)，而造成的電能浪費(fèi)；后面是由于泵站運(yùn)行存在富裕揚(yáng)程ΔH(Q，t)而造成的電能浪費(fèi)[5]。故通過調(diào)節(jié)水泵出站壓力，使其在高效區(qū)運(yùn)行，降低效率偏差Δη(Q，H)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

但調(diào)壓對泵站供水范圍內(nèi)的用戶有一定影響，所以利用水力模型軟件建立和校核完成北方某市城市管網(wǎng)水力模型優(yōu)化泵組，模擬獲取泵站供水區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，確定供水泵站中水泵最優(yōu)的控制工況的時(shí)候，應(yīng)在保證用戶水量水壓的前提下, 達(dá)到優(yōu)化調(diào)度，節(jié)能降耗的目的。

1.2 利用水力模型優(yōu)化原理

利用WaterGEMS水力模擬軟件，通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，可對水泵進(jìn)行長時(shí)間模擬(EPS)，以尋找最有效的優(yōu)化方案。

水泵優(yōu)化的目標(biāo)是降低效率偏差Δη(Q，H)，通過式(1)可知，調(diào)節(jié)水泵的揚(yáng)程H，可改變?chǔ)う?Q，H)，故設(shè)適應(yīng)度函數(shù)(fitness)為：

(2)

在水泵優(yōu)化時(shí)，需考慮最不利點(diǎn)、主干管、歷史爆管檢修記錄較多的位置、現(xiàn)有管網(wǎng)中的壓力監(jiān)測點(diǎn)不能完全覆蓋監(jiān)控范圍、供水分界線、地勢高程變化較大的地方及敏感地區(qū)的壓力與水量是否可以達(dá)到滿足。因此將約束條件可設(shè)定為選取的臨時(shí)壓力監(jiān)測點(diǎn)壓力應(yīng)介于最大與最小壓力之間，且供水水量不應(yīng)低于低峰時(shí)最小需水量[6]：

Pmin

(3)

Q>Qmin

(4)

在不改變現(xiàn)狀設(shè)施和條件的基礎(chǔ)上，選取臨時(shí)壓力監(jiān)測點(diǎn)作為控制水泵參數(shù)變化的依據(jù)，然后制定具體優(yōu)化調(diào)度方案；同時(shí)，應(yīng)滿足用戶需水量和壓力的要求。使水泵在特性曲線的高效區(qū)工作，均衡管網(wǎng)的壓力，降低富裕水頭。

2 數(shù)據(jù)收集

2.1 加壓泵站基礎(chǔ)資料

清源加壓泵站位于某市南部偏東，在該市經(jīng)十一路鳳凰山風(fēng)景區(qū)山腳，地勢較高。屬于半地下式泵站結(jié)構(gòu)，由泵房、低配間、高配間、中控室、清水池、加氯間、辦公室組成，清水池容量3 000 m3，為地下式，上面遮以覆土及植被，位于泵房南側(cè)，清水池地面絕對高程為67.15 m。其地形影像及泵房布局如圖1所示。

圖1 清源加壓泵站及泵房Fig.1 Qingyuan pressurized pump station and pump room

該加壓站共有4臺(tái)水泵。其中1、2號(hào)水泵抽取清水池水進(jìn)行加壓，3、4號(hào)水泵直抽管道進(jìn)行加壓，清源水廠供水能力為4 萬t/d，泵型號(hào)參數(shù)如表1所示。

表1 水泵性能參數(shù)Tab.1 Pump performance parameters

由水泵性能參數(shù)和實(shí)際調(diào)研可知，1,2號(hào)泵的實(shí)際揚(yáng)程在78 m，效率只有60%，3,4號(hào)泵的實(shí)際揚(yáng)程在35 m，效率只有28%。

2.2 泵站運(yùn)行調(diào)研

為了解廠站調(diào)度運(yùn)營模式，2017年1-2月，在集團(tuán)調(diào)度中心、東區(qū)調(diào)度中心和清源加壓泵站進(jìn)行調(diào)研。同時(shí)，收集進(jìn)廠壓力、出站壓力、清水池水位、出站流量和耗電量，作為后期節(jié)能工作對比數(shù)據(jù)。經(jīng)過多日的調(diào)研工作，總結(jié)出關(guān)于清源加壓泵站供水幾點(diǎn)注意事項(xiàng)。

(1)在線壓力監(jiān)測點(diǎn)環(huán)山路是二次供水加壓前的進(jìn)廠壓力，進(jìn)廠壓力不能低于10 m，否則加壓設(shè)備無法啟動(dòng)。

(2)經(jīng)十路花園地勢較高，管網(wǎng)壓力不得低于25 m。

(3)清源加壓站內(nèi)由于電容容量限制，1、2號(hào)泵不能同時(shí)工作，3、4號(hào)泵不能同時(shí)工作。

3 技術(shù)方案

3.1 節(jié)能方案試運(yùn)行

根據(jù)前期調(diào)研的工作和北方某市自來水公司提供的大量基礎(chǔ)資料，利用WaterGEMS水力模擬軟件，建立水力模型。結(jié)合水力模型優(yōu)化節(jié)能原理，在清源加壓泵站進(jìn)行為期12 h的節(jié)能降耗工作。根據(jù)2月3日節(jié)能期間管網(wǎng)測壓點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步校核清源加壓泵站供水區(qū)域模型精度。表2為試節(jié)能工作期間廠站運(yùn)營及管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。由表2可得，水力模型模擬壓力和監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，邦泰綠苑和環(huán)山路測壓點(diǎn)精度誤差在±1 m以內(nèi)。竹園馨居精度誤差較大，需要重新校核模型。

表2 試節(jié)能工作期間運(yùn)營及管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.2 Data of operation and pipe network pressure monitoring point during trial energy saving work

模型重新校核后，滿足了精度要求，水力模型可以投入使用。表3為2017年2月2日(未采用節(jié)能措施)與2017年2月3日(試運(yùn)行測試階段)廠站運(yùn)營數(shù)據(jù)對比。

表3 2017年2月2日與2017年2月3日廠站運(yùn)營數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of operation data of factory stationson February 2, 2017 and February 3, 2017

由表3可得，2017年 2月3日較2017年2月2日千噸水電耗降低1.36%。驗(yàn)證了水力模型理論的可行性，為下一步廠站節(jié)能降耗方案的實(shí)施提供依據(jù)。

3.2 廠站節(jié)能降耗方案實(shí)施

利用建立和校核完成的北方某市城市管網(wǎng)水力模型，在保障最低供水量(大于700 m3/h)的范圍內(nèi)，約束條件為主干管(環(huán)山路壓力監(jiān)測點(diǎn))和泵站供水范圍內(nèi)的最不利點(diǎn)(竹園馨居壓力監(jiān)測點(diǎn))大于規(guī)定的壓力(14m)，利用遺傳算法，模擬分析最優(yōu)的泵站出站壓力，在迭代1 000 次之后，優(yōu)化的泵站出站壓力最大為68 m，最小為60 m，如圖2所示。

圖2 水力模型模擬的泵站最優(yōu)出站壓力Fig.2 The optimal outbound pressure of the pump station simulated by the hydraulic model

由于供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度首先是保證用戶對水量、水壓和水質(zhì)的要求，其次才是盡可能高地追求管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。在供水高峰時(shí)段水泵運(yùn)行已達(dá)較高負(fù)荷，降低壓力不利于高峰時(shí)段的供水安全保障。

故按高峰低峰時(shí)段分時(shí)段實(shí)施節(jié)能，即高峰用水時(shí)段不實(shí)施節(jié)能工作，低峰用水時(shí)段實(shí)施節(jié)能工作。0∶00-6∶00左右利用管網(wǎng)直抽加壓，出站壓力設(shè)為60 m，開1臺(tái)變頻水泵；6∶30-24∶00利用清水池和管網(wǎng)直抽兩種加壓方式同時(shí)工作，開2臺(tái)變頻水泵。高峰用水時(shí)段出站壓力按廠站原有調(diào)度方式設(shè)68 m，低峰用水時(shí)段保證控制點(diǎn)壓力控制在15 m左右，具體方案如表4所示。

以上方案實(shí)施過程中，會(huì)根據(jù)實(shí)際供水情況作相應(yīng)的調(diào)度，如節(jié)假日用水高峰時(shí)間與工作日不一樣。工作人員向集團(tuán)申請?jiān)谇逶醇訅罕谜具M(jìn)行為期15 d，每天24 h的節(jié)能降耗工作，具體時(shí)間為2017年3月9日凌晨0∶00至2017年3月24日凌晨0∶00。節(jié)能工作期間每日供水量和千噸水耗電如表5所示。

表4 節(jié)能實(shí)施的優(yōu)化方案Tab.4 Energy-saving implementation of the optimization program

注：控制點(diǎn)為主干管環(huán)山路壓力監(jiān)測點(diǎn)處和最不利點(diǎn)竹園馨居壓力監(jiān)測點(diǎn)處。

表5 節(jié)能工作期間每日供水量與千噸水耗電Tab.5 Daily water supply and energy consumption perkiloton of water during energy saving work

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 節(jié)能效果分析

由于清源泵站于2016年10月份水泵改造完成，所以為便于比較節(jié)能實(shí)施的成果，將2016年11月-2017年3月8日的運(yùn)營數(shù)據(jù)作為對比。收集整理2016年11月-2017年3月8日運(yùn)營數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 出廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Factory Statistics

節(jié)能前后千噸水耗電對比如表6所示。

由表6可得節(jié)能期間平均千噸水耗電較2016年11月降低5.10%，較2016年12月降低3.73%，較2017年1月降低 4.92%，較2017年2月降低7.26%，較2017年3月降低4.86%。節(jié)能期間，設(shè)計(jì)的優(yōu)化調(diào)度方案比原來的經(jīng)驗(yàn)法優(yōu)化調(diào)度可降低5.2%的能耗，節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯。

千噸水耗電公式：

W=(I/Q)×1 000 (5)

表6 節(jié)能前后千噸水耗電對比Tab.6 Energy consumption before and afterthe tons of water contrast

式中：W為千噸水耗電，kWh/km3；I為電量，kWh；Q為流量，m3。

節(jié)能效益公式：

E=ΔW×24×365q

(6)

式中：E為節(jié)能效益，元/(km3·a)；ΔW為通過技術(shù)改造千噸水耗電的降低值；q為電價(jià)，元/kWh。

基本電價(jià)按0.68 元/kWh計(jì)算，與2015年比較節(jié)能效益為187 226.20 元/(km3·a)；與2016年比較節(jié)能效益為137 486.92 元/(km3·a)。

4.2 不同工況下節(jié)能降耗分析

以周一與周日兩種不同供水工況為例(工作日與周末)，采用節(jié)能期間與節(jié)能前出站壓力、供水量、千噸水耗電、管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力監(jiān)測進(jìn)行對比，如圖4～圖7所示。

圖4 節(jié)能前后出站壓力對比Fig.4 Energy saving before and after the outbound pressure contrast

圖5 節(jié)能前后日供水量對比Fig.5 Comparison of water supply before and after energy saving

圖6 節(jié)能前后廠站千噸水耗電對比Fig.6 Before and after energy saving plant tons of water power consumption contrast

圖7 節(jié)能前后最不利點(diǎn)壓力監(jiān)測對比Fig.7 Comparison of the most unfavorable point pressure monitoring before and after energy saving

由圖分析可得，節(jié)能期間與節(jié)能前相比，廠站日供水量基本不變，在降低出廠壓力的情況下，最不利壓力監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)值有所下降，但仍能滿足節(jié)能降耗方案的約束條件。在上述情況下，廠站千噸水耗電量有所下降，節(jié)能降耗的成果較好。

5 結(jié) 語

(1)節(jié)能工作取得的成果：節(jié)能期間平均千噸水耗電較2016年11月降低5.10%，較2016年12月降低3.73%，較2017年1月降低 4.92%，較2017年2月降低7.26%，較2017年3月降低4.86%。節(jié)能期間，設(shè)計(jì)的優(yōu)化調(diào)度方案比原來的經(jīng)驗(yàn)法優(yōu)化調(diào)度可降低5.2%的能耗，節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯。

(2)節(jié)能工作取得的節(jié)能效益：基本電價(jià)按0.68 元/kWh計(jì)算，與2015年比較節(jié)能效益為187 226.20 元/(km3·a)；與2016年比較節(jié)能效益為137 486.92 元/(km3·a)。

(3)節(jié)能期間與節(jié)能前相比，廠站日供水量基本不變，在降低出廠壓力的情況下，壓力監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)值有所下降，但仍能滿足節(jié)能降耗方案的約束條件。在上述情況下，廠站耗電量和千噸水耗電量都有所下降，節(jié)能降耗的成果較好。

(4)利用水力模型分析模擬為實(shí)施節(jié)能降耗工作提供理論性依據(jù)，提供可行較高，最優(yōu)的節(jié)能方案。