基于带储水箱的增压泵站离心泵的优化运行研究.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,谢军基于带储水箱的增压泵站离心泵的优化运行研究J水利科学与寒区工程,():基于带储水箱的增压泵站离心泵的优化运行研究谢军(广东省梅州市梅州大堤管理处,广东 梅州 )摘要:本文提出了一种在带储水箱的供水系统增压泵站中优化机组及其运行方式的技术,建立了泵站的非线性、多准则、部分积分数学规划问题的优化数学模型.所采用的方法保障了问题公式和解决方案的数学严谨性,以及用户行为和供水系统条件的真实数据记录.通过非平稳随机过程的统计分析方法对全尺寸实验数据进行处理,利用遗传算法对其进行优化.通过对各种离心泵进行比较,得到泵站的最佳运行方式,以最少的泵数和最大的效率来操作泵站达到最大的能源利用率,并确定了水箱的最小基本尺寸、离心泵的最佳运行速度.关键词:增压泵站;离心泵;运行效率;遗传算法;优化中图分类号:TH 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:谢军(),男,广东梅州人,工程师,研究方向为泵站运行及管理.E m a i l:X j c o m.材料与方法供水系统增压泵站()通过供水系统()与储水箱()的优化数学模型见图.在每次运行中,以h为间隔,记录泵站扬程Q、储水箱水量V、供水系统压力H.数据由压力传感器()、用于对压力管道中声学透明液体进行实时测量的流量计()和安装在备用罐中的液位计()记录.在h测量期间获得的 数字和平 均数据输 入 个 人 计 算 机().利用非稳定随机过程的统计方法,对全尺寸实验数据进行处理.使用S T AT I S T I C A软件对其进行统计分析,利用MAT L A B软件对非线性规划问题进行数值模拟 .对于每个时间间隔,泵站流量的值计算如式():QR a sV()式中:Q为泵站流量,m/h;V为储水箱水量变化,m/h;R a s为耗水量,m/h.可利用试验数据由式()得到.不同用水量实施过程中相同时间点的用水量具有不同的意义,这是由于用水量的价值取决于消费者改变供水网络阻力Ac的聚合行为.消费者动机受到许多内部和外部因素的影响且较难控制,在这种情况下,使用非确定性和随机方法更容易图带有储水箱的增压泵站的住宅小区供水系统示意图模拟消费者的行为.R a s(t)和Ac(t)依赖关系可以被认为是随机过程,他们的不同实现彼此不一致;以及在固定时间内各种实现的一组值tti;i,(随机过程截面)是一个随机值,具有自己的统计特征(数学期望,均方偏差).研究发现,总体消费者对供水网络价值的随机影响远强于压力变化值的确定性影响,即在数学模型中,网络阻力被认为是一个随机过程Ac(t).用于优化数学模型,随机过程R a s(t)和Ac(t)被数学期望形式的确定性类比所取代R a s(t)和Ac(t).通过使用已知的统计公式与随机过程截面的数据平均,找到了数学期望值及其置信区间.图显示了使用S T AT I S T I C A软件进行的供水系统阻力日变化的随机过程的数学期望图.图网络阻力的数学期望网络阻力的数学期望是一个非随机时间函数,其值的幅度在非平稳过程中发生变化.对全尺寸试验数据的进一步统计分析表明,随机过程横截面和按正态分布.数学模型考虑以下基本规定和假设,建立了带储水箱的泵站供水系统优化数学模型:将泵站运行方式优化问题视为多准则问题;并以日供水成本最小为优化标准,考虑到一天内电价的可能变化,考虑泵设备效率最大化,离心泵数量和储水箱尺寸最小.优化问题系统约束的基本原理是满足客户的需求,保证系统运行的物理条件;作为多准则优化问题表述的一种可能方式,提出了约束方法,其中选择一个可能的目标函数,其余的都表示为优化问题约束,如式():m i nx(fr(x),fi(x)i,i,r,r,k()式中:i值指定未选择作为目标函数的初始函数值的可接受水平;离心泵不采用稳压频;在泵站只使用相同的离心泵;本文选择电价作为保证日供水的目标函数;泵站操作的每日时间间隔分为k个区间;在每个j 时间区间内,供水系统状态由一组参数常数值表征:Hj,Qj,Ac j,nj,R a sj,hj;j,k,其中:nj为运行的泵站相同泵的数量;hj为第j时间间隔结束时高于H标志的水柱高度;Ac j、R a sj为某随机过程数学期望在j 区间的平均值;参数输 入 可 以 作 为 供 水 系 统 状 态 的 相 空 间变量.随机过程横截面随机值R a s(t)和Ac(t),因为他们具有正态分布,可以与它们的数学期望不同,但不超过三个平均平方偏差.在模型中,可以预见网络消耗和电阻确定的可能性以其数学期望和规定的平均平方偏差数.他允许使用平均随机值()和最大值()优化泵站P操作.优化模型是控制变量为i的非线性部分混合整数数学规划问题nj;j,k.根据决策结果,对于任意j区间,必须确定nj运行泵数的最优值,并且离心泵(i)的相对转速相同.时间间隔的数量影响着数学规划问题的维数,在很大程度上决定了问题的复杂性、求解时间范围和得到结果的准确性.本文将供水过程的日常时间段划分为个区间,用个控制变量求解了一个数学规划问题.优化结果及分析优化模型为多维空间非线问题的求解,选用了遗传算法的数值方法.针对上述原因,本文采用了MAT L A B软件优化工具包中的通用算法.软件优化以三个相互关联的文件,即泛型算法方法的函数调用脚本和两个m函数的形式实现,其中一个m函数指定了问题的约束条件,另一个m函数是目标函数在预定控制变量值集上的计算方法.优化程序的实现可以建立以下参数:Fm i n为确保每日供水的最小电力成本;nm a x为在每日循环中使用该类型离心泵的最大数目;i为离心泵最佳运行速度;hm a x为最大储备罐中液体柱的最大高度.利用(t)函数,可以得到离心泵运行效率的平均时间加权估计值,如式():kjjtj()/kjtj()()软件根据优化方法的结果,建立了供水消耗基本参数压力、供水量、效率、储水箱储水量的时变 关 系 图.作 为 图和 图中 的 一 个 例 子Q(t),R a s(t),V(t)表示为基于离心泵N B/NK/的最优方案.有分量的相空间中的向量(Fm i n,nm a x,i,hm a x)为泵站运行的最优方案.通过软件优化,得到了基于不同离心泵的泵站最优方案.通过对最优方案的比较,可以找到最优的离心泵类型,从第期谢军基于带储水箱的增压泵站离心泵的优化运行研究图N B/N K /离心泵的供水和流速动态图N B/N K /离心泵的储水箱加注动态而得到效率函数.hm a x值定义了储备罐所需的最小尺寸,这 相 当 于 它 每 天 的 最 大 储 水 量V_m a xhm a xS.因此,可以为供水系统选择最接近最佳尺寸的储水箱(从可用的标准集中).表带储水箱的泵站优化运行方案泵型号Fm i n,RU Bnm a xiV_m a x/mW i l o MV I F e b MV I J a n N B/NK /N L /N L /N L /不同离心泵下泵站最优方案数据如表所示.根据表的数据可以得到以下结论:最佳操作方式是考虑到离心泵的实际额定速度;N B/NK /型离心泵规定了每日供水的最低电费;第二种是W i l o 型 离 心 泵,就 成 本 而 言,两 者 相 差 约;第三种是MV I /和MV I /型离心泵,成本增加约.值得注意的是,离心泵N B/NK/不仅在优化问题的目标函数值上显示出最佳结果,还在其约束条件(平均加权效率相对于时间,储水箱所需容量)中使用的其他优化准则的大多数值上也显示出最佳结果.在离心泵N L /中,仅当离心泵的数量最少时,其性能最佳.但按照离心泵最低成本的标准,N L型的性能下降了.通过对泵站运行最优工况的比较可以看出,在所考虑的模型中,如果不经过深思熟虑,就不能确定哪一种选择最具代表性,这是由于数学规划问题具有单一和多向性.竞争原则是最大限度地减少离心泵的数量和最大的运行效率.从优化问题的目标函数类型来看,离心泵效率最大化导致日电费最小化,即上述标准是单向的,可能储水箱容量和设计上的变化也会对最终的最佳参数产生影响.结论本研究利用一种离心泵,建立了带储水箱运行的供水系统增压泵站的数学优化模型,并采用遗传算法求解优化问题.在优化问题求解中,通过随机记录非平稳耗水量基本参数的动态变化,得到了 全 尺 寸 试 验 结 果.结 果 表 明:网 络 阻 力Ac(t)与水流量R a s(t)在日用水周期内的变化可视为相互关联的非平稳随机过程;它们的来源是大量独立消费者不可预测的行为,这取决于许多不可控因素,并直接影响网络的整体阻力值;随机过程截面为正态分布随机值;他们的数学期望和平均平方偏差是确定的.根据不同的离心泵,给出了最优的泵站运行方案,通过对比得出的优化方案,可帮助选择合适的泵站类型和动力单位,减少日常电费支出、离心泵的数量和储水箱尺寸,使离心泵的效率最大化.参考文献:尹兆龙,信昆仑,项宁银,等城市供水系统优化调度现状与展望研究J环境科学与管理,():刘宁复杂供水系统泵站优化调度与安全运行研究J中国资源综合利用,():,鲍海波电压稳定约束多目标最优潮流的自适应约束方法J现代电力,():吴阮彬基于改进遗传算法的泵站优化调度研究J水利科技与经济,():水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷