基于人工蜂群算法的智能泵组技术研究与应用.pdf

四 川 水 利 基于人工蜂群算法的智能泵组技术研究与应用张 曾陈镜先吴 边(中国水利水电第七工程局有限公司成都)【摘 要】国内传统供水行业仅仅依靠以往经验进行水泵供水运行调度存在着能耗大、运行效率低、供水成本高和调度跟不上实时需求等实际问题存在着巨大的能源浪费 能源是社会建设发展的重要基石如今随着智能生产技术的快速发展供水行业也在寻求更稳定、更节能的工艺技术水泵泵组的自动化、信息化建设也在不断发展提升在满足水厂安全可靠运行的前提下借助智能化技术可以根据城市实时用水需求实现科学合理的运行调度实现恒压供水不仅可以降低供水运行能耗延长水泵设备使用寿命节约水资源还能避免管网压力过大造成的能源浪费减少管网因压力变化较大造成的水管损坏提升供水保障和安全满足节约能耗、提高运行效率的可持续发展需要【关键词】自来水厂 人工蜂群 智能泵组 中图分类号:文献标志码:文章编号:()概述近年国内大多数城市的供水行业普遍采用的是依靠人工以往经验为主导的传统调度方式 面对日益复杂的现代化城市供水系统逐渐多元化的城市用水需求这种人工经验调度方式的运行效果不佳、能耗甚大且普遍存在着人工调度操作时水泵在非高效状况下运行的问题水泵调度进行优化节能潜力较大存在的可提升空间也较为明显 因此深入研究切实可行的供水泵组运行调度技术以提升水泵泵组的运行效率、节约能耗、降低运行成本具有重要的现实意义和明显的经济效益当今国内、外供水行业提高泵组运行效率、节约能耗的途径一般有以下两种:一是对供水泵组运行工艺进行优化即对水泵机组进行优选更换、对配水管网等辅助设备进行优化设计通过改善单台水泵设备运行或多台水泵设备并联运行的效率达到提效节能的目的二是对供水机组设备的运行管理进行优化即在保证供水安全稳定的前提下综合考虑城市用水量的变化规律及供水各个工艺流程的调节作用使供水泵组尽可能长时间运行在高效、较优的工作状态以达到优化节能的目的对此依托位于四川省乐山市夹江县的青衣水厂开展智能泵组技术研究 青衣水厂设计供水规模为 万/一期 万/采用“沉砂絮凝沉淀过滤消毒”制水工艺其主要设施包括预沉网格絮凝斜管沉淀池、型滤池、清水池、反冲洗泵房、加氯加药间、送水泵房、配电房、排水排泥池、污泥浓缩池、脱水机房及配套的生产辅助设施 水厂一期配置 台安德里茨 型单级双吸卧式离心泵设备 水泵流量/扬程 效率 转速 其中 台工频泵配西门子 型低压电机 台变频泵配西门子 型低压电机电机标准工作电压均为 功率 转速 水厂智能泵组技术的研究 城城市市用用水水预预测测分分析析 四 川 水 利随着信息技术的蓬勃发展智慧城市理念的提出要求建设精细化、动态化、高效化的水务系统 城市用水的精准预测可为科学供水提供有效指导提高资源利用率 在城市供水管网中不利点水压达标的前提下通过模型预测的供水量数据对供水模式进行优化使得供水泵组在总功率相对较小的工况下工作实现节能降耗的目的城市供水主要是自来水厂为城市的正常运转提供必要的水资源水厂每日供水量有着明显的变化小时供水量有明显的周期性变化(早高峰、晚高峰)且与天气状况、节假日等诸多因素密切相关 供水量的变化大致有周、季节、年的一些时序性规律 同时由于一些极端天气、大型活动、社会热点事件等状况的发生供水量也有一些随机的波动供水量预测建模采用特征工程、相关性分析和模型训练三大步骤 其中特征工程构建了与天气状况、日期、时间等与供水量息息相关的因子 在此基础上采用四种预测模型:()模型差分自回归移动平均模型是一种时间序列模型()随机森林模型一种集成算法由多个弱学习器组成()模型由陈天奇提出的一种分布式的算法框架对传统的梯度提升算法的一个改良核心思想是基于残差的训练()长短期记忆神经网络模型一种特定形式的循环神经网络包括输入、输出和遗忘找寻运用四种模型算法对夹江县城区供水量进行一个小时的短期预测对比发现 模型对短时供水量预测有明显优势具有自动、实时、准确、方便等优点在对四种算法进行比较后选择基于 算法建立水厂的短时供水量预测模型 将天气、日期等数据传入模型后模型可将数据进行特征扩充并快速、准确推理出未来一小时的供水量依据模型的推理结果再结合生产人员的历史经验对城区的供水量进行合理调度达到用科学技术提高管理经验的目的实现节能降耗、减少水量损失的效果 基于 算法的供水量预测见图 所示图 基于 算法的供水量预测曲线通过对青衣水厂自 年 月 日年 月 日共 条小时供水量数据进行分析得到夹江县城市用水需量验证了供水量预测模型分析直接用于指导水厂供水调度更好地、高效地实现城市用水保障和安全 夹江青衣水厂的供水量日变化情况见图 所示图 青衣水厂日供水量变化曲线 水水厂厂恒恒压压供供水水控控制制水厂恒压供水的核心是变频泵的 控制 工作原理见图 所示图 变频器工作原理恒压供水中输入是目标压力即供水管网所需的压力对于恒压供水专用变频器该值可直接设置 输出是实际压力即供水管网实际测量的压力该值与水泵的功率相关靠压力传感器或远传压力表测得张 曾陈镜先吴 边:基于人工蜂群算法的智能泵组技术研究与应用 在变频器收到实际压力数据后与目标压力进行对比有三种情况:()实际压力目标压力如果水量减少但水泵转速不变则实际压力会增加此时由变频器监测该值后通过 调节水泵的转速降低实际压力同步降低由以上三种方式组合使用变频器通过 调节使水泵转速一直在动态变化以实现实际压力保持一个稳定的值 供水系统总体结构见图图 供水系统总体结构恒压供水系统具备的控制功能:()手动功能 转换开关置于手动位置能直接启停每台工频水泵每台水泵状态由对应手动开关位置决定()自动功能 转换开关置于自动位置设备进入自动运行状态 按变频水泵循环工作方式对水泵泵组进行自动控制通过对分布式压力检测的恒压供水控制系统的介绍、原理分析及数学模型建模并通过 仿真分析可得知使用基于分布式压力检测的恒压供水控制系统可有效提升供水系统的效能降低浪费率 控制系统在供水系统中的应用显示出良好的控制效果适应性强稳定可靠节能环保使供水实现节水、节电、节省人力最终达到高效运行的目的 夹江县青衣水厂供水管网恒压供水信息自动监测界面见图 图 青衣水厂供水管网恒压供水信息自动监测界面 基基于于人人工工蜂蜂群群算算法法的的智智能能泵泵组组技技术术研研究究人工蜂群算法是由 于 年基于蜜蜂群体觅食行为提出的并且通过测试函数进行适用性测试结果表明可以有效解决带有约束条件的优化问题 后来有很多学者将人工蜂群算法应用于水泵泵组运行优化问题 年郭昕等利用人工蜂群算法求解泵组优化运行模型并与标准遗传算法进行比较 年刘伟等针对矿山井下排水系统能耗优化问题利用人工蜂群算法求解得到优化运行方案 年王阳等针对供水泵站优化运行问题建立以单位产量电耗最小为目标函数的优化调度模型利用人工蜂群算法进行寻优求解 然而人工蜂群算法也存在不足:随着优化问题复杂度的提高寻优区域的扩大收敛速度会下降精度会降低 青衣水厂开展基于人工蜂群算法的智能泵组技术研究对人工蜂群算法进行改进通过自适应调整步长同时改进侦察蜂搜索策略平衡人探索和收敛精度的能力将改进的人工蜂群算法应用于水厂供水泵组运行优化的工程实例验证算法的适用性和优化效果人工蜂群算法模拟蜂群采蜜过程进行随机迭代搜索 蜂群中的蜜蜂根据分工不同分为三类:引领蜂、跟随蜂和侦察蜂 人工蜂群算法将优化模型的求解范围对应蜜蜂的飞行区域模型的解对应蜜蜂搜寻到的花蜜目前大部分水厂泵站采取工频泵和变频泵混合运行的方式 假设有 台工频泵 台变频泵每台水泵的工作状态可以表示为 工频泵和变频泵的轴功率为 水泵机组优化运行的主要目的是降低能耗即要求水泵机组运行的总功率最小 因此可取目标函数为:四 川 水 利 工频泵以固定转速运行均有其固有的特性曲线水泵的特性曲线主要描述扬程、轴功率和效率随着流量变化的规律是科学调节水泵运行的必备条件 水泵性能参数之间的函数关系没有准确的表达式一般采用拟合的方式得到首先通过实验测出各性能参数的具体对应值然后采用最小二乘原理进行多项式拟合 水泵性能曲线见图图 水泵性能曲线 水厂智能泵组系统技术成果的应用夹江青衣水厂按 万/供水能力和恒压变频供水模式计算供水泵组日耗电量达 应用智能泵组系统技术成果后经长时间的生产运行和数据统计分析得知水厂供水泵组日耗电量降低至 节约能耗 按目前电能单价年能耗成本节约 万元有效实现了节能降耗和运行成本控制相对减少了二氧化碳排放助力了碳达峰和碳中和目标 同时通过智能泵组系统技术能将经验性的供水调度模式转变为信息化、自动化和智能化的生产模式不仅解放了生产运行人力资源配合设备生命周期管理系统来度量水泵设备的工作效能和状况实现预见性的设备保养与检修降低设备故障率提升水泵设备运行效率和供水保障安全并且从设备使用生命周期角度分析可提升设备的运行寿命约 夹江县青衣水厂智能泵组系统运行界面见图 图 夹江县青衣水厂智能泵组系统运行界面 结语供水泵组是自来水厂生产运行的重要组成部分是城市用水民生的保障智能泵组系统技术是现代自动化技术与信息化技术的深度融合通过夹江青衣水厂智能泵组技术的研究与应用实现多泵组设备并联智能控制解决了传统节流控制模式和简单变频启停控制方式下系统运行能耗高、运行可靠性低的问题提高了城市供水保障和安全为供水企业节约了运营成本同时推动了水务行业创新、节能、绿色、开放、共享发展取得了良好的经济和社会效益参 考 文 献常远勇谈建国彭 杰等.上海市日供水量与气象要素的相关性分析及预测模型的建立.水资源与水工程学报():.梁 佳.区域生态系统服务价值评估研究.西安:西北大学.陈国强.供水管网微生物生长模型构建及特性研究.重庆:重庆大学.缪 颖.基于改进 的室内高精度定位算法研究.常州:常州大学.李晓龙.基于深度学习的轧钢加热炉故障诊断关键技术研究与应用.上海:上海大学.郭 昕贾敏智徐晨晨.泵站群控系统的节能优化调度研究.中国农村水利水电():.刘 伟周邵萍李长龙等.基于人工蜂群算法的矿山泵机组运行优化.流体机械():.王 阳李志鹏刘 灿等.基于人工蜂群算法的供水泵站运行优化研究.流体机械():.作者简介:张 曾()男宁夏中卫人高级工程师学士从事水利水电、市政、给排水工程技术及管理工作陈镜先()男四川井研人高级工程师学士从事水利水电、给排水、电气工程技术及管理工作吴 边()男四川中江人工程师大专从事水利水电、市政、给排水工程技术及管理工作