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        南水北調(diào)東線工程江都泵站運行優(yōu)化研究

        2021-07-17 05:41:26王肇優(yōu)劉勁楓
        水利建設(shè)與管理 2021年6期
        關(guān)鍵詞:時變揚程電價

        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,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,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?;谝欢偙昧髁康谋谜境R?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,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??紤]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,當裝置揚程最低、電價較低時,泵站第四時段抽水量最大;當裝置揚程最高、電價較高時,泵站第一時段抽水量最??;當裝置揚程較高、電價較低時,泵站第三時段抽水量較大;當裝配揚程較低、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。當水頭和電價較低時,應(yīng)多抽水,當水頭和電價較高時,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%。

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