趙方玲，張 謹(jǐn)，王 津，仇寶云，曹海樺

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128；3.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

大型泵站由于長(zhǎng)時(shí)間大量抽水，對(duì)環(huán)境及能源造成了一定影響［1-2］。其中，沿海、沿江地區(qū)泵站運(yùn)行期間存在能源浪費(fèi)問題［3-4］。感潮河段受長(zhǎng)江潮位漲落影響，水位在1 個(gè)潮汐周期內(nèi)劇烈變化［5-7］，感潮河段泵站運(yùn)行期間耗費(fèi)大量能源。因此，研究感潮河段泵站節(jié)能技術(shù)至關(guān)重要。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同系統(tǒng)中泵機(jī)組運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)能效果顯著。肖若富等［8］以泵站運(yùn)行能耗最小為目標(biāo)，以機(jī)組運(yùn)行種類及臺(tái)數(shù)為變量，結(jié)果表明單位時(shí)間內(nèi)泵站運(yùn)行能耗可節(jié)約18.6%；Manuel等［9］采用蟻群優(yōu)化算法對(duì)供水系統(tǒng)泵機(jī)組開機(jī)方案進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)，通過合理安排泵的運(yùn)行時(shí)間可以降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，從而獲得最大的節(jié)能效果；朱博文等［10］根據(jù)峰谷電價(jià)劃分泵站運(yùn)行時(shí)段優(yōu)化泵站運(yùn)行方案，結(jié)果表明較常規(guī)運(yùn)行方案提水費(fèi)用有所節(jié)約；Hyung 等［11］提出了應(yīng)用遺傳算法求解考慮季節(jié)性和時(shí)差電價(jià)的最優(yōu)供水抽水系統(tǒng)模型，冬季、夏季7 d分別可節(jié)約費(fèi)用4.5%和5.1%。以上研究均表明，模型中引入峰谷電價(jià)后，低電價(jià)期間運(yùn)行泵站增多，高電價(jià)期間減少泵站運(yùn)行，引入峰谷電價(jià)是有效降低泵站系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的重要措施之一。

同時(shí)，泵站運(yùn)行能耗還受水位變化等因素的影響，趙曉東［12］發(fā)現(xiàn)當(dāng)揚(yáng)程發(fā)生變化時(shí)，合理調(diào)整葉片角度，可以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本約5.64%～12.13%。而感潮河段水位受潮汐的影響極大且變化劇烈，若泵站長(zhǎng)時(shí)間按固定方案運(yùn)行，將浪費(fèi)大量能源。因此，感潮河段泵站運(yùn)行不能忽視水頭的變化，本文提出根據(jù)長(zhǎng)江水位及峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行方案。以系統(tǒng)運(yùn)行能耗最小為目標(biāo)，以系統(tǒng)全天的開機(jī)方案為變量，在泵機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，建立滿足引水水量要求的感潮河段泵站日運(yùn)行優(yōu)化模型。

1 工程概況

當(dāng)太湖缺水或突發(fā)水污染事件時(shí)，需從長(zhǎng)江應(yīng)急引水入太湖［13］。新溝河是連接長(zhǎng)江與太湖重要河道之一，受潮汐運(yùn)動(dòng)影響，在1 d中水位變幅大且呈規(guī)律性變化，出現(xiàn)2次高潮位、2次低潮位。新溝河泵站位于新溝河入江口處，裝配有3 座型號(hào)為3150ZLKQ30-3.23的立式軸流泵機(jī)組。

泵站信息資料如表1 所示，泵裝置性能曲線如圖1所示。

圖1 引泵裝置性能曲線（引水機(jī)組）

表1 泵站信息資料

由于新溝河泵站位于新溝河入江處，長(zhǎng)江側(cè)水位變化劇烈，1 個(gè)潮水周期內(nèi)出現(xiàn)1 次高潮位、1 次低潮位。當(dāng)內(nèi)河水位低于長(zhǎng)江側(cè)水位時(shí)，泵站停止運(yùn)行；當(dāng)內(nèi)河水位高于長(zhǎng)江水位時(shí)，泵站開始運(yùn)行，且泵站運(yùn)行期間耗費(fèi)大量電力資源。

2 泵站日優(yōu)化模型建立

在滿足泵站安全及引水要求的前提下，根據(jù)水位變化規(guī)律調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行方案，使泵站運(yùn)行費(fèi)用最少。

泵站日引水量計(jì)算式為

式中：Vp為泵站實(shí)際日引水量，m3；q為單臺(tái)水泵流量，m3/s，是葉輪葉片安裝角α和泵裝置揚(yáng)程Hz的函數(shù)；αi為葉片角度（°）；Ni為開機(jī)臺(tái)數(shù)；ΔtPi為泵站運(yùn)行時(shí)間，h；m為泵站運(yùn)行的時(shí)段數(shù)；下標(biāo)i為第i個(gè)時(shí)段，i=1，2，3，…，m。

泵裝置葉片安裝角調(diào)節(jié)范圍為

式中，αmin和αmax分別為水泵的允許最小、最大葉片角度。

水泵機(jī)組安全運(yùn)行，則水位限制為

式中，Hzmin和Hzmax分別為水泵的允許最小、最大運(yùn)行揚(yáng)程，m。

泵站日運(yùn)行能耗計(jì)算式為

式中：P為泵機(jī)組能耗，kW；ρ為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；ηz為泵裝置效率，%；ηdr為傳動(dòng)效率，%；ηmot為電機(jī)效率，%；下標(biāo)i為第i個(gè)時(shí)段，i=1，2，3，…，m。

由電網(wǎng)資料可知，泵站運(yùn)行耗費(fèi)大量電力資源，同時(shí)也增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。因此，引入峰谷電價(jià)后泵站日運(yùn)行優(yōu)化模型為

式中：F為基于分時(shí)電價(jià)的泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，元；Pi為第i時(shí)段泵機(jī)組能耗，kW；fi為第i時(shí)段單位電價(jià)，元/kW·h；ηz為泵裝置效率；ηdr為傳動(dòng)效率；ηmot為電機(jī)效率；下標(biāo)i為第i個(gè)時(shí)段；αmin和αmax分別為水泵的允許最小、最大葉片角度（°）；N為泵機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)；Nmax為泵機(jī)組裝機(jī)臺(tái)數(shù)；根據(jù)峰谷電價(jià)與水位變化將1 d 劃分為若干個(gè)子周期，則m為泵站運(yùn)行子周期數(shù)量。

江陰地區(qū)峰谷電價(jià)信息如表2所示。

表2 江陰地區(qū)峰谷電價(jià)

3 鯨魚優(yōu)化算法原理

鯨魚優(yōu)化算法（whale optimization algorithm，WOA）是一種新型群體智能優(yōu)化算法。模擬鯨魚的泡泡網(wǎng)捕食行為，通過鯨魚群體的包圍、追捕、攻擊獵物等過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化搜索。WOA 算法開始在搜索空間中隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)鯨魚個(gè)體組成初始種群，然后在進(jìn)化過程中，根據(jù)當(dāng)前最優(yōu)鯨魚個(gè)體或隨機(jī)選取1 個(gè)鯨魚個(gè)體更新各自的位置，最后根據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)r決定鯨魚個(gè)體進(jìn)行螺旋或包圍運(yùn)動(dòng)，概率均為0.5，通過循環(huán)迭代直至WOA 算法滿足終止條件。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 水位資料及泵站運(yùn)行時(shí)段劃分方案

當(dāng)太湖水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)并逼近太湖旱警水位，或太湖突發(fā)污染事件時(shí)，需要向太湖應(yīng)急引水。以某典型日為例，內(nèi)河水位為3.1 m，長(zhǎng)江側(cè)水位、內(nèi)河側(cè)水位如圖2所示。由圖2看出，根據(jù)長(zhǎng)江側(cè)與內(nèi)河側(cè)水位差可將1 d劃分泵站運(yùn)行時(shí)段和非泵站運(yùn)行時(shí)段，分別以“on”和“off”表示泵站運(yùn)行狀態(tài)。其中泵站運(yùn)行時(shí)段又可以根據(jù)峰谷電價(jià)劃分為6個(gè)時(shí)段，分別標(biāo)記為Ⅰ～Ⅴ。

圖2 長(zhǎng)江側(cè)水位、內(nèi)河側(cè)水位及泵站運(yùn)行時(shí)間分區(qū)

4.2 感潮河段站優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

滿足需要日均流量30～80 m3/s 時(shí)，對(duì)應(yīng)水量為2 592×103m3～6 912×103m3。求解基于峰谷電價(jià)的泵站日運(yùn)行優(yōu)化模型，確定泵站最優(yōu)運(yùn)行方案的費(fèi)用及最優(yōu)開機(jī)方案。將鯨魚算法用于本文基于峰谷電價(jià)的日優(yōu)化模型的求解，其中鯨群數(shù)量設(shè)置為200，迭代次數(shù)設(shè)置為150，程序獨(dú)立運(yùn)行5 次，優(yōu)化結(jié)果如表3、表4所示。

表3 泵站日運(yùn)行費(fèi)用及水量

表4 泵站日優(yōu)化運(yùn)行方案

4.3 結(jié)果分析

由表4（優(yōu)化運(yùn)行方案）可以看出，優(yōu)化方案在電價(jià)低谷時(shí)段（0：00～2：40 和5：10～8：00）站內(nèi)機(jī)組全部運(yùn)行，且隨著日均需要流量Qx的增大，機(jī)組葉片角度隨之增大（最小0.2°、最大2°），即泵站偏向電價(jià)低谷期增加運(yùn)行負(fù)荷，增加抽水量。在電價(jià)高峰時(shí)段減少泵站抽水負(fù)荷，當(dāng)日均需要流量增大到70 m3/s 后，泵站仍能滿足抽水量要求，但機(jī)組在電價(jià)高峰時(shí)段需要加入運(yùn)行，運(yùn)行費(fèi)用增加。圖3為優(yōu)化運(yùn)行方案不同日均需要流量時(shí)各時(shí)段運(yùn)行費(fèi)用，可以看出，泵站在電價(jià)高峰時(shí)段運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電價(jià)低谷時(shí)段和平價(jià)時(shí)段。電價(jià)相同時(shí)（低谷時(shí)段0：00～2：40、5：10～8：00，平價(jià)時(shí)段12：00～14：00、17：40～21：00、21：00～24：00），泵站開機(jī)方案與水位相關(guān)，其中平價(jià)時(shí)段開機(jī)方案受水位影響更大。

圖3 優(yōu)化運(yùn)行方案不同日均需要流量時(shí)各時(shí)段運(yùn)行費(fèi)用

當(dāng)泵機(jī)組全天以設(shè)計(jì)角度（0°）運(yùn)行時(shí)，泵站運(yùn)行費(fèi)用及運(yùn)行方案如表5、表6所示。其中，表6為設(shè)計(jì)角度運(yùn)行方案，與優(yōu)化方案相同的是機(jī)組在電價(jià)高峰時(shí)段也減少運(yùn)行，但不同日均需要流量時(shí)泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)均大于或等于2臺(tái)，設(shè)計(jì)方案在電價(jià)低谷時(shí)段和平價(jià)時(shí)段的差異較小。優(yōu)化方案與設(shè)計(jì)方案見表7。

表5 泵站設(shè)計(jì)角度（0°）運(yùn)行費(fèi)用及水量

表6 泵站設(shè)計(jì)角度（0°）運(yùn)行方案

表7 優(yōu)化方案與設(shè)計(jì)方案對(duì)比

可以看出，與設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化方案運(yùn)行費(fèi)用大幅減少，優(yōu)化方案節(jié)約泵站運(yùn)行費(fèi)用11.40%～50.79%。結(jié)果表明，根據(jù)峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行方案可以大幅降低泵站運(yùn)行費(fèi)用，峰谷電價(jià)的引入使泵站在電價(jià)低谷時(shí)段增大抽水負(fù)荷，在電價(jià)高峰時(shí)段減小抽水負(fù)荷?；诜骞入妰r(jià)優(yōu)化泵站運(yùn)行方案不僅能有效節(jié)約泵站運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也降低了電網(wǎng)的供電壓力。

5 結(jié) 語

感潮河段泵站由于長(zhǎng)時(shí)間大量抽水，對(duì)環(huán)境和電網(wǎng)供電壓力造成一定影響。考慮感潮河段受潮汐運(yùn)動(dòng)影響，在1 d中水位變幅大且呈規(guī)律性變化，出現(xiàn)2次高潮位、2次低潮位，本文提出根據(jù)長(zhǎng)江水位及峰谷電價(jià)優(yōu)化泵站運(yùn)行方案。

優(yōu)化方案在電價(jià)低谷時(shí)段增加抽水負(fù)荷，而在電價(jià)高峰時(shí)段降低泵站抽水負(fù)荷。當(dāng)日均需要流量增大到70 m3/s后，機(jī)組需要在電價(jià)高峰時(shí)段增加抽水負(fù)荷來滿足抽水要求，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加。電價(jià)相同時(shí)，泵站開機(jī)方案與水位相關(guān)，其中平價(jià)時(shí)段開機(jī)方案受水位影響更大。

與設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化方案節(jié)約泵站運(yùn)行費(fèi)用11.40%～50.79%。峰谷電價(jià)的引入不僅能有效減少泵站運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也能降低用電高峰時(shí)段電網(wǎng)供電壓力。