1 引言
由于城市的供水系統(tǒng)特點，日變化系數(shù)kd和時變化系數(shù)kh都相當(dāng)大，供水量變化范圍大，必須調(diào)節(jié)流量，采用水泵調(diào)速技術(shù)通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來改變水泵的供水流量和揚程，以期滿足供水服務(wù)要求，使系統(tǒng)高效率運行，已為供水行業(yè)所接受，并在實踐中得到了廣泛應(yīng)用。然而對于采用了調(diào)速技術(shù)的供水系統(tǒng)，如何有效地利用調(diào)速技術(shù)節(jié)能降耗，仍是擺在了我們面前要研究的主要問題。
2 曲線擬合與建模
水泵調(diào)速的節(jié)能主要體現(xiàn)在兩個方面:
(1) 水泵調(diào)速后，使水泵高效區(qū)范圍由線變成面，擴大了高效區(qū)范圍，使越出高效區(qū)的工況點回到高效區(qū)范圍內(nèi)，水泵效率因此而增高;
(2) 在滿足服務(wù)壓力的前提下，為適應(yīng)運行工況的改變，可使流量與揚程跟隨管網(wǎng)系統(tǒng)需水量和吸水井水位的變化，維持管網(wǎng)末梢壓力穩(wěn)定，減少富余揚程，水泵因為調(diào)速而使水泵供水壓力變低，減小電能消耗。
我們知道了調(diào)速能夠節(jié)能，但是要有效地充分地挖掘節(jié)能潛力，精確地控制水泵轉(zhuǎn)速，必須通過曲線擬合、建立數(shù)學(xué)模型和實施實時監(jiān)控，實現(xiàn)水泵組合方案和調(diào)速策略的優(yōu)化，才能在滿足供水流量和壓力前提下使供水能耗最低。
2.1 曲線擬合
曲線擬合是指首先獲得一組足夠數(shù)量的實驗數(shù)據(jù)，為了從中找出規(guī)律來，構(gòu)造一個近似函數(shù)去逼近所求函數(shù)，實際應(yīng)用得比較多的是線性最小二乘法。大量的實踐證明，水泵在額定轉(zhuǎn)速下運行，它的q-h、q-p曲線可以用多項式表示，水泵特性曲線比較容易擬合，但是系統(tǒng)的管路特性曲線由于管網(wǎng)末梢自由水頭和水泵的吸水井水位的變化，使之表現(xiàn)為一個曲線族。水泵的特性曲線方程如式(1)、(2)所示，管路特性曲線方程如式(3)所示。 
研究表明，取m=4時，曲線擬合得到的函數(shù)已經(jīng)具有足夠的精度。
2.2 數(shù)學(xué)模型的建立
水泵組合方案的優(yōu)化設(shè)計實質(zhì)上就是在滿足供水流量和壓力前提下使能耗值最小。對于某一供水工況(
)，不同的運行方案，泵站的總能耗不同，能耗最小的運行方案就是泵站在該工況下的最優(yōu)運行方案。可以建立如下數(shù)學(xué)模型:
(1) 目標(biāo)函數(shù)
(2) 約束條件
(a) 水泵并聯(lián)運行方式約束，總流量為各泵流量之和，各泵揚程相等:
(5)
(6)
(b) 第i種型號、第j臺水泵的揚程與功率關(guān)系約束，即水泵特性曲線方程:
2.3 數(shù)學(xué)模型的求解
上述數(shù)學(xué)模型是一個混合型非線性規(guī)劃問題，其求解步驟為:根據(jù)管路中最不利用水點所要求的水壓值、吸水井水位確定管路特性的靜揚程hi，再由管路特性曲線方程求得此時的供水工況(qduty，hduty);由供水揚程hduty和水泵特性曲線方程求取每種水泵對應(yīng)的流量qi,j，定速水泵qi,j為一固定的點，而調(diào)速水泵的流量qi,j變化范圍則很寬，在單泵效率高效范圍約束條件下，適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)效率，可縮小調(diào)速泵的流量qi,j備選范圍; 再由水泵并聯(lián)運行條件選擇泵的組合(即調(diào)速泵臺數(shù)和定速泵臺數(shù))可得到狀態(tài)函數(shù)ωi,j，對于定速泵，可用pi,j=φi(qi,j)直接計算單泵的軸功率;對于調(diào)速泵，可根據(jù)水泵相似原理求得pi,j; 計算各種組合的功率，得出功率最低組合，即最優(yōu)的組合。
3 優(yōu)化策略應(yīng)用
為了敘述方便，下面就以所有水泵型號相同為例來介紹求解方法，同時將水泵特性曲線方程(式7與式8)和系統(tǒng)管路特性曲線方程(式9)簡化為二次曲線。
在附圖中，ab為單臺全速泵的q～h特性曲線，cd為系統(tǒng)管路特性曲線，服務(wù)工況點p為多臺水泵組合而成的虛擬水泵特性曲線與管路特性曲線的交點，os和ot分別為期望的高效區(qū)左右臨界相似工況曲線。由全速泵特性曲線方程與左右臨界相似工況曲線方程聯(lián)立求解，得到
附圖 水泵特性曲線與供水系統(tǒng)管路特性曲線
在期望的高效區(qū)以外，所以只能采用全調(diào)速運行方式，并且每臺水泵的轉(zhuǎn)速相同。根據(jù)實測的吸水井水位h得到服務(wù)工況點p所對應(yīng)的管路特性曲線方程為:
調(diào)速泵的調(diào)速比:
期望的高效區(qū)內(nèi)，那么同樣可以求得定速水泵和調(diào)速水泵運行臺數(shù)的最佳組合，以及調(diào)速水泵的運行轉(zhuǎn)速。
4 結(jié)束語
上述優(yōu)化算法應(yīng)用在某泵站群集散監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由scada(監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))與mdss(生產(chǎn)決策支持系統(tǒng))兩部分組成。在mdss系統(tǒng)中用delph語言將算法開發(fā)成軟件包，首先建立反映實際系統(tǒng)管路特性和水泵特性的數(shù)據(jù)庫，擬合出實際的系統(tǒng)管路特性和水泵特性曲線方程;實時檢測電耗、流量、吸水井水位、出廠水壓力、機組綜合效率等參數(shù);根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求(出廠水流量、壓力等)，由優(yōu)化控制算法確定出滿足工藝要求條件下最省電的水泵組合及調(diào)速策略;并由scada系統(tǒng)對策略執(zhí)行控制。
將交流調(diào)速技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)水泵組合方案和調(diào)速策略的優(yōu)化，在滿足供水流量和壓力前提下使供水能耗最低。通過采集生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)，利用計算機曲線擬合方法，建立生產(chǎn)運行的數(shù)學(xué)模型，模型分析所得的策略優(yōu)化控制水廠相關(guān)設(shè)備的運行，提高水處理效率，實現(xiàn)預(yù)測性的“事前控制”，從而在保障生產(chǎn)運行安全和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提下獲取最大的經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1] 谷晉龍. 水泵調(diào)定混合給水系統(tǒng)運行工況分析.給水排水,1997(12):5-8.
[2] 于 明,范書昌. 離心泵并聯(lián)運行工況點的確定.水泵技術(shù),1999(2):33-35.
[3] 李名銳. 水泵調(diào)速機組效率變化與選泵.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,1995(6):58-63.
[4] van zyl, j. e.. a bbbbbbology for improved operational optimization of water distribution systems. ph. d. thesis, university of exeter, united kingdom. (2001)
[5] ormsbee, l. e., and lansey, k. e.. optimal control of water supply pumping systems. journal of water resources planning and management, asce, 120(2), 237. (1994)
作者簡介
梁相欽(1943-) 男 高級工程師 從事冶金自動控制系統(tǒng)調(diào)試工作多年，曾任深圳市水務(wù)(集團)有限公司水廠廠長、集團總經(jīng)理、董事長，主要研究方向為水工業(yè)自動控制與調(diào)速節(jié)能、水務(wù)運營與投資管理。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|