多源大型水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度

1、多源大型水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度摘要：針對多水源的大型供水管網(wǎng)，運(yùn)用兩級遞階優(yōu)化原理，建立了反映管網(wǎng)各種水力參數(shù)的數(shù)值仿真模型，運(yùn)用該數(shù)值模型可達(dá)如下目的：對不同水源的供水量進(jìn)展優(yōu)化配置，并且對某一水源地泵站內(nèi)水泵的運(yùn)行進(jìn)展優(yōu)化調(diào)度，合理利用能源，以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；通過計(jì)算比照，改變舊有管網(wǎng)的管路參數(shù)或增刪管網(wǎng)內(nèi)部分支路，為改擴(kuò)建舊有管網(wǎng)提供科學(xué)合理的技術(shù)方案。最后以北京地區(qū)某大型石化集團(tuán)的供水系統(tǒng)為實(shí)例，給出了計(jì)算結(jié)果。關(guān)鍵詞：多源供水管網(wǎng)泵站運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度兩級遞階優(yōu)化平差管網(wǎng)改擴(kuò)建目前，某些地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對供水體系的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控管理，最大限度地實(shí)現(xiàn)高效低耗運(yùn)行，極大地進(jìn)步了社會(huì)效

2、益和經(jīng)濟(jì)效益。在我國工業(yè)興旺、人口稠密的地區(qū)普遍缺水，而城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)的供水運(yùn)行仍處于憑經(jīng)歷進(jìn)展人工管理的落后狀態(tài)。一方面城市缺水的壓力日益增大，另一方面由于管理落后而水電浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重。當(dāng)前，如何科學(xué)合理地進(jìn)展供水調(diào)度，如何科學(xué)地規(guī)劃新的或改建舊的供水系統(tǒng)，是擺在人們面前的一個(gè)亟待解訣的問題。本文運(yùn)用兩級遞階優(yōu)化原理，建立一個(gè)大型多源供水管網(wǎng)優(yōu)化管理數(shù)值計(jì)算模型(NSAIN)，可以對具有多個(gè)水源地(泵站)的大型管網(wǎng)供水運(yùn)行進(jìn)展優(yōu)化調(diào)度。這個(gè)NSAIN供水管理優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)最先以北京某石化公司作為實(shí)例進(jìn)展運(yùn)行。該公司是北京市的一員用水大戶，由于用水量大，用戶分散，地勢高差大，多水源供水(如消費(fèi)

3、供水系統(tǒng)有大小泵站11個(gè)，生活供水管網(wǎng)有2個(gè)泵站)，加上該企業(yè)建立歷時(shí)長，企業(yè)內(nèi)各廠的供水缺乏合理規(guī)劃，供水用電消耗很大，整個(gè)公司用電量的25消耗在供水方面。應(yīng)用本管理優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)(NSAIN)可對供水系統(tǒng)實(shí)行高效低耗的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行管理，通過NSAIN的計(jì)算為規(guī)劃改造供水系統(tǒng)提供科技咨詢，到達(dá)促進(jìn)公司供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)平安運(yùn)行和增效降耗的目的。1數(shù)學(xué)原理數(shù)值模型的建立運(yùn)用了系統(tǒng)工程兩級遞階優(yōu)化原理，見圖1。在第一級優(yōu)化過程中，以供水本錢最小即耗電量最小為優(yōu)化目的，通過對系統(tǒng)的水力分析和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)展計(jì)算，確定當(dāng)前狀況下各泵站最優(yōu)供水量和合理揚(yáng)程，以滿足管網(wǎng)用水量的需求和各用戶對效勞質(zhì)量的要求。在第二級

4、優(yōu)化過程中，決定各泵站內(nèi)各型泵的開啟數(shù)和組合方式，有調(diào)速泵的泵站應(yīng)決定調(diào)節(jié)因子。然后在兩級優(yōu)化過程之間反復(fù)協(xié)調(diào)，最終逼近最優(yōu)解或次優(yōu)解。供水優(yōu)化問題包括變量、約束、目的等三個(gè)方面1。變量在本數(shù)值模型內(nèi)為：節(jié)點(diǎn)壓力(或自由水頭)，單位以計(jì)，反映了供水的效勞質(zhì)量；節(jié)點(diǎn)流量(供水量或用水量)，單位以3/s或1/s計(jì)；管段流量，單位以3s或1s計(jì)；與管段兩端壓差呈非線性關(guān)系。約束約束分為等式約束條件和不等式約束條件。等式約束條件：據(jù)物質(zhì)守恒定律，管網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)i的流量平衡滿足圖1供水系統(tǒng)兩級遞階優(yōu)化原理Qi=qij(1)即從節(jié)點(diǎn)i流出的流量等于與該節(jié)點(diǎn)相連的各管段ij流入流量之和；i為節(jié)點(diǎn)號(hào)，qij為

5、i節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)之間管段的流量，j1，2，n，n為與節(jié)點(diǎn)相連的管段數(shù)。不等式約束條件：(2)即泵站i的供水量有上下限，式中U為水源供水量。b：inFpp(3)即要求管網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的最小自由水頭必須大于等于某一常數(shù)，以滿足效勞質(zhì)量要求。Fp為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自由水頭的集合。目的函數(shù)J供水本錢(水費(fèi)+電費(fèi)，以元計(jì))的表達(dá)式為i=1,2,(4)式(4)中V、Ve分別為水、電的單價(jià)，Ui為某泵站的供水量，為用電量的單位換算系數(shù)，(Pi-Zi)為泵站i送出的壓力水頭與泵站i吸水池水面標(biāo)高之差，即泵站的揚(yáng)程，i1，2，3，為泵站號(hào)。供水系統(tǒng)優(yōu)化供水量的目的是在滿足約束條件等式(1)、(2)和不等式(3)、(4)的前

6、提下，使式(4)的J值，亦即供水本錢最校這屬于有約束條件的非線性規(guī)劃問題。解決供水優(yōu)化的計(jì)算分兩步：第一步是管網(wǎng)平差(水力分析)，求出系統(tǒng)狀態(tài)變量如各管段流量、各節(jié)點(diǎn)壓力等。第二步是將水源地供水量(Ui)和揚(yáng)程(Pi/-Zi)代入式(4)，求出目的函數(shù)當(dāng)前值J(k)。按庫恩-塔克(Kuhn-Tuker)的最優(yōu)必要條件，用拉格朗日乘子法求得供水量增量Ui,得到水源下一步的供水量。在迭代過程中，將前后兩次求得的J值進(jìn)展比擬，假如J的絕對值不斷下降那么繼續(xù)迭代，直到|Jk+1-Jk1時(shí)停頓迭代計(jì)算。1為指定誤差，本文選0.005元。這時(shí)的水源供水量U(k+1)i和(Pi/-Zi)(k+1)為所求。1

7、.1平差求各管流量、各節(jié)點(diǎn)壓力根據(jù)公式Qi=qij，每個(gè)節(jié)點(diǎn)i流量應(yīng)等于與之所連各管段流量之和qij。管段ij沿程能量損失公式：(5)從上式可得：|qij|=Sij|hij|1/2(6)其中：Sij為管段ij的水力特性常數(shù)。平差步驟：進(jìn)展管網(wǎng)平差之前應(yīng)預(yù)先假設(shè)各水源供水量，再按式(1)分配各管段流量；從式(5)求得各管段壓降hij；可應(yīng)用線性理論引入一個(gè)變量；ij=|qij|hij|將上式代入每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量平衡式：Qi=qij=ij(Pi-Pj)。假如節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2，3，4有相連管段，節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3，5，6有相連管段，節(jié)點(diǎn)N-1與節(jié)點(diǎn)N，N-2，N-3有相連管段，可寫出：化為：i=1,2,n(

8、7)i=1,2,(8)i=1,2,n(9)當(dāng)uiL=0；(10)uiL0；uiL0。這時(shí)各水源節(jié)點(diǎn)供水量為目的函數(shù)最優(yōu)解，也就是泵站應(yīng)供水量。所得各水源節(jié)點(diǎn)的壓力減去泵站吸水池水面標(biāo)高即為對該泵站要求的揚(yáng)程。在各泵站都配有調(diào)速泵的情況下，對泵站內(nèi)的泵進(jìn)展適當(dāng)組合，不難實(shí)現(xiàn)與最優(yōu)解一致的運(yùn)行狀況，在泵站內(nèi)沒有調(diào)速泵的情況下，可以通過對運(yùn)行泵的優(yōu)化組合，找到實(shí)現(xiàn)最接近目的函數(shù)最優(yōu)解的運(yùn)行方式。圖2生活管網(wǎng)消費(fèi)管網(wǎng)示意1.3泵站內(nèi)水泵的組合優(yōu)化一般泵站內(nèi)有多種類型的泵，每種類型都有各自的特性參數(shù)。首先選擇泵站內(nèi)額定揚(yáng)程符合要求的泵型，將這些泵進(jìn)展調(diào)配組合?？赡苁峭惐枚嗯_(tái)并聯(lián)，也可能是不同類泵組合并

9、聯(lián)運(yùn)行。并聯(lián)泵的特性參數(shù)可用最小二乘法擬合求出。將輸出流量與優(yōu)化解接近的組合確定為調(diào)度方案。1.4一、二級優(yōu)化之間的協(xié)調(diào)確定了各泵站內(nèi)泵開啟的調(diào)度方案后，再進(jìn)展管網(wǎng)平差計(jì)算，以求得實(shí)際運(yùn)行時(shí)供水費(fèi)用和管網(wǎng)水力狀態(tài)參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)壓力，管道流量等，檢查各節(jié)點(diǎn)壓力是否滿足了管網(wǎng)上各用戶要求。假如滿足要求，根據(jù)各泵站內(nèi)泵的運(yùn)行功率，求得供水本錢，與前一次計(jì)算得出的供水本錢比擬。用上述的梯度法找出泵站之間供水量的分配，即進(jìn)展一級優(yōu)化，然后再進(jìn)展二級優(yōu)化，即確定各泵站內(nèi)泵開啟的調(diào)度方案，以完成各泵站的供水任務(wù)，如此在一、二級之間反復(fù)協(xié)調(diào)，直到求得最優(yōu)解。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2計(jì)算結(jié)果2.1泵站運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度

10、運(yùn)用本成果按用戶需要的供水量和揚(yáng)程對各泵站實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，采用優(yōu)化運(yùn)行方案將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。以北京某石化公司1989年10月份用水情況為例，消費(fèi)管網(wǎng)和生活管網(wǎng)實(shí)行優(yōu)化調(diào)度帶來的經(jīng)濟(jì)效益可見表1、表2。其中消費(fèi)管網(wǎng)只統(tǒng)計(jì)了8個(gè)泵站中的兩個(gè)：東風(fēng)泵站和成功泵站。優(yōu)化調(diào)度后僅該兩泵站所節(jié)約的電費(fèi)占消費(fèi)管網(wǎng)總運(yùn)行費(fèi)用(1476.65元/h)的3.68；生活管網(wǎng)由兩個(gè)泵站供水，優(yōu)化調(diào)度比原來憑經(jīng)歷操作的人工調(diào)度方式所節(jié)約的電費(fèi)占運(yùn)行電費(fèi)(82.24元/h)的3.80。電價(jià)按當(dāng)年0.17元/度計(jì)，水價(jià)按當(dāng)年的0.125元/t計(jì)。表1消費(fèi)管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)效益表泵站名東風(fēng)泵站成功泵站優(yōu)化調(diào)度人工調(diào)度優(yōu)化調(diào)度

11、人工調(diào)度泵型/臺(tái)數(shù)8SH-6/14SH-6A/10SH-6/12SH-6/供水量/(1/s)155.53155.53315.1315.1揚(yáng)程/83.69128.4159.3499.8功率/k180.83327.03245.74419.32電費(fèi)/(元/h)30.74155.59541.77671.284節(jié)約/(元/h)24.8629.50兩泵站節(jié)約總計(jì)54.36(元/h)合47.62萬元/a2.2調(diào)水方案優(yōu)化調(diào)水方案優(yōu)化就是為用戶提供用水調(diào)度的決策咨詢，分消費(fèi)、生活兩個(gè)方面：表2生活管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)效益泵站名東風(fēng)泵站成功泵站優(yōu)化調(diào)度人工調(diào)度優(yōu)化調(diào)度人工調(diào)度泵型/臺(tái)數(shù)DK400-11/14SH-6

12、B/DK400-11A/DK400-11A/供水量/(1/s)285.5303.599.481.4揚(yáng)程/81.9896.2391.3599.08功率/k337.40364.21128.04119.60電費(fèi)/(元/h)57.35861.9121.7620.32共節(jié)約/(元/h)3.123節(jié)約總計(jì)3.12(元h)合2.74(萬元/a)占人工調(diào)度運(yùn)行電費(fèi)的3.8%通過對調(diào)水方案進(jìn)展改造，可以從科學(xué)合理的管理中獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如：2.2.1消費(fèi)用水過去該石化集團(tuán)的消費(fèi)供水系統(tǒng)為了重點(diǎn)保證東方紅煉油廠的工業(yè)用水，將地表水源田村泵站來的水，從配水站西泵房(75.75)輸送到北莊工業(yè)泵站(61.0)，

13、然后在北莊工業(yè)泵站將送來的水升壓，送到東煉二泵站(195.3)，由東煉二泵站將水送到煉油廠各用戶，見圖2。整個(gè)消費(fèi)管網(wǎng)水費(fèi)加電費(fèi)總計(jì)運(yùn)行費(fèi)用是1476.65元/h。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算給出合理的調(diào)水技術(shù)方案，如今向煉油廠供水的新方案為：從配水站東泵房(76.25)東風(fēng)工業(yè)泵房(149.6)東煉二泵站(195.3)。這樣整個(gè)消費(fèi)管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用是1458.58元/h，其中總用水量是不變的。節(jié)約電費(fèi)18.07元/h，合15.8萬元/年。2.2.2生活用水生活供水系統(tǒng)的兩個(gè)二級泵站(生活水站：76.0，北莊生活泵站：61.0)地勢較低，而多數(shù)用戶地勢都高于這兩個(gè)泵站，最后的一個(gè)用戶地面標(biāo)高為120.0。為了保證所

14、有用戶的供水都能滿足最小自由水頭的要求，必需使整個(gè)管網(wǎng)壓力升高，兩個(gè)泵站的電耗主要是消耗在進(jìn)步水頭上。本文改變調(diào)水方案為：從東風(fēng)生活泵站引萬佛堂地下水源的水經(jīng)3k長的原有鋼管的迎風(fēng)生活網(wǎng)供水，供水量與北莊生活泵站的原供水量一樣，取代后者，而生活水站的供水量保持不變。由于東風(fēng)生活泵站地勢高(151.3)，可以自流輸水。經(jīng)計(jì)算，這樣的供水方案可使最后用戶的控制點(diǎn)(120.0)有3.3自由水頭，這是符合要求的，這樣可節(jié)約電費(fèi)21.55元/h，合18.88萬元/a。以上為調(diào)水方案提供的決策咨詢計(jì)算結(jié)果，都是在沒有增加投資、不增添設(shè)備的情況下，僅是采用優(yōu)化計(jì)算得到的泵站調(diào)度運(yùn)行方式或改變供水途徑即帶來的

15、經(jīng)濟(jì)效益。2.3對管網(wǎng)的技術(shù)改造由于某種原因需在管網(wǎng)上增減干、支管或改變某些管道的管徑甚至增設(shè)泵站，通過輸入技術(shù)改造方案，經(jīng)過運(yùn)算可以為改擴(kuò)建管網(wǎng)提供技術(shù)咨詢。如按目前用水狀況，該石化公司生活供水系統(tǒng)中有些管段的管徑過小，由于管徑小，增加了沿程水頭損失。特別是那些離供水泵站較遠(yuǎn)、地勢又較高的幾個(gè)用戶，為了保證他們的自由水頭，不得不將整個(gè)管網(wǎng)的水頭都進(jìn)步。為此本文將生活管網(wǎng)末端的兩根供水管30#、40#的管徑作了變動(dòng)，選擇合理管徑的方法是文獻(xiàn)4,5推薦的經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算方式。由原來的0.15和0.2，分別改為0.2和0.25，這樣節(jié)約的電費(fèi)是8.87元/h，合7.77萬元/a。一般來講，調(diào)水管網(wǎng)總是

16、有一定的泄漏量的，特別是運(yùn)行多年的管網(wǎng)。而這個(gè)泄漏量與運(yùn)行壓力有關(guān)，壓力越高，泄漏量越大，降低運(yùn)行壓力可以減少泄漏量，這方面節(jié)約的水、電本錢沒有計(jì)算在內(nèi)。綜上所述通過泵站優(yōu)化調(diào)度、調(diào)水方案的優(yōu)化以及對管網(wǎng)的技術(shù)改造，比照原有的供水狀況每年可節(jié)約供水本錢92.8萬元。3結(jié)語?NSAIN?供水管理系統(tǒng)使用方便，操作靈敏(有填表形式輸入輸出數(shù)據(jù)的功能和圖形顯示功能)，為今后利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控供水系統(tǒng)運(yùn)行打下基矗在實(shí)際工程中的運(yùn)用證明：?NSAIN?對多源供水系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)展優(yōu)化調(diào)度能節(jié)約大量水電，其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的；在舊管網(wǎng)改擴(kuò)建技術(shù)咨詢工作中，能提供合理的建議，可在不增加投資的情況下，僅對供水系統(tǒng)的輸水途徑作一些改動(dòng)，就能節(jié)約大量運(yùn)行本錢；可以運(yùn)行該程序，對多源供水系統(tǒng)進(jìn)展管網(wǎng)水力分析，及時(shí)理解狀態(tài)變量，為各泵站的調(diào)度和改建擴(kuò)建等決策提供咨詢。由于優(yōu)化了運(yùn)行調(diào)度方式，使管網(wǎng)部分的壓力降了下來，減少了泄漏量，也起到節(jié)約用水和降低運(yùn)行本錢的作用。以上引用的計(jì)算實(shí)例是20世紀(jì)90年代初進(jìn)展的，當(dāng)時(shí)的水價(jià)、電價(jià)均比如今低很多(電0.17元