CN103277291A - 一种单级泵站优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级泵站优化调度方法，包括以下步骤：依据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数；依据水泵能耗影响因素：水泵流量、扬程、效率，建立数学模型，得出水泵能耗与各个影响因素之间的函数关系；依据水泵性能影响因素：水泵流量、扬程、效率、电机转速、泵站上下游水位差、系统管路的阻力因数，建立数学模型，得出水泵性能与各个因素之间的函数关系；结合水泵能耗和水泵性能所建立的数学模型，结合以上这些实时参数的具体变化，对泵站运行进行调整。本发明泵站科学管理的优化技术和调度决策，综合考虑水泵性能、电机效率因素，以泵站机组总的功率消耗最小为目标，在满足各时段要求流量和扬程的前提下，满足泵的能耗最少。

Description

一种单级泵站优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种调度方法，特别是涉及一种根据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数的单级泵站优化调度方法。

背景技术

进行泵站规划设计时，一般根据历史资料对泵站预期使用期的运行情况做出周密预测，合理选择泵站的各项设备，期望泵站建成以后在高效益的情况下工作。但是规划设计不能预测运行期间工作条件的实际时序状态，因此泵站运作过程中需要进行调度，现有的调度方案主要依据经验进行,致使许多泵站机组没有在最优工况下运行,造成大量电能损失,或者泵站运行调度不合理,造成弃水量过多等。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种根据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数的单级泵站优化调度方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种单级泵站优化调度方法，所述调度方法包括以下步骤：依据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数；

依据水泵能耗影响因素：水泵流量Q、扬程H、效率η，建立数学模型，得出水泵能耗与各个影响因素之间的函数关系；

依据水泵性能影响因素：水泵流量Q、扬程H、效率η、电机转速、泵站上下游水位差H₀、系统管路的阻力因数S，建立数学模型，得出水泵性能与各个因素之间的函数关系；

结合水泵能耗和水泵性能所建立的数学模型，结合流量Q、扬程H、效率η、电机转速以上这些实时参数的具体变化，对泵站运行进行调整，实现优化调度。

在本发明的具体实施例子中：其中依据水泵能耗建立数学模型包括如下步骤：在只考虑泵站主水泵所需的能耗，而不考虑辅助设备、电气设备、站用变电站等所需的耗电量时，主水泵所需的输入功率为：

$P_1=\frac{\mathrm{\ρgQH}}{1000\mathrm{\η}},$

在一定时间内，泵站的单位水量的能耗可描述为：

$e=\frac{P_1}{Q}=\frac{\mathrm{\ρgQH}}{1000\mathrm{\ηQ}}=\frac{\mathrm{\ρg}}{1000}\×\frac{H}{\mathrm{\η}}$

其中：ρ—所输送水的密度；g—重力加速度；Q—泵输出的流量；H—泵的扬程；η—泵的效率。

在本发明的具体实施例子中：其中依据水泵性能建立数学模型包括如下步骤：水泵性能采用一组特性曲线描述，对于特定的1台泵，流量与扬程、流量与效率特性的关系可通过多项式描述，水泵在某一确定转速下性能的数学模型，根据已有的试验曲线通过曲线拟合得到，

H=a₀+a₁Q+a₂Q²

η=b₀+b₁Q+b₂Q²+b₃Q³

a0，a1，a2，b0，b1，b2均为常数；Q—泵输出的流量；H—泵的扬程；η—泵的效率

水泵特性曲线由生产水泵厂家给出，即a0，a1，a2，b0，b1，b2为已知参数。

对于需要调速的水泵，假设水泵在转速调节范围内符合相似定律，调速后相似工况点效率不变，由此可以描述调速过程中不同转速下的性能方程为:

$H_n=a_0{\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2+a_1\frac{n}{n_0}{Q}_n+n_2{Q_n}^2$

${\mathrm{\η}}_n=b_0+b_1\frac{n_0}{n}{Q}_n+b_2{\left(\frac{n_0}{n}\right)}^2{Q_n}^2+b_3{\left(\frac{n_0}{n}\right)}^2{Q_n}^3$

n₀—试验基准转速;H_n—转速为n时的扬程；Qn—转速为n时的流量

水泵工作点的确定需要水泵装置的特性曲线，即水泵装置所需的扬程H与流量Q的关系，即：

H=H₀+SQ²

H₀—泵站上下游水位差；S—系统管路的阻力因数（对于具体的水泵装置S己知）；

Q—泵输出的流量

由于H是Q的函数，H₀和Q关系可表示为：H₀=f(Q)

实际计算时，给出H₀可由所给出的约束关系计算得到水泵的工作点，即此时的流量、扬程、功率和水泵效率。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的单级泵站优化调度方法具有以下优点：本发明依据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数，本发明泵站科学管理的优化技术和调度决策，综合考虑水泵性能、电机效率因素，以泵站机组总的功率消耗最小为目标，在满足各时段要求流量和扬程的前提条件下，满足泵的能耗最少，达到节能效果。

附图说明

图1是本发明提供的单级泵站优化调度方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图1是本发明提供的单级泵站优化调度方法的流程示意图，如图1所示：本发明包括如下方法：

依据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数。

依据水泵能耗影响因素水泵流量Q、扬程H、效率η等参数，建立数学模型，得出水泵能耗与各个影响因素之间的函数关系。

依据水泵性能影响因素水泵流量Q、扬程H、效率η、电机转速、泵站上下游水位差H₀、系统管路的阻力因数S等参数，建立数学模型，得出水泵性能与各个因素之间的函数关系。

结合水泵能耗和水泵性能所建立的数学模型，结合流量Q、扬程H、效率η、电机转速等实时参数的具体变化，对泵站运行进行调整，实现优化调度。

下面是一个具体的实施方案：

泵站的效益和能耗不仅与水泵有关，还与电动机、变电站的效率、区域环境有关，泵站运行调度不是追求某一设备的运行状态最好，而是以整体配合的运行状态最优为目标。

1，水泵能耗计算

在只考虑泵站主水泵所需的能耗，而不考虑辅助设备、电气设备、站用变电站等所需的耗电量时，主水泵所需的输入功率可描述为：

在一定时间内，泵站的单位水量的能耗可描述为：

$e=\frac{P_1}{Q}=\frac{\mathrm{\ρgQH}}{1000\mathrm{\ηQ}}=\frac{\mathrm{\ρg}}{1000}\×\frac{H}{\mathrm{\η}}$

其中：ρ—所输送水的密度；g—重力加速度；Q—泵输出的流量；H—泵的扬程；η—泵的效率。

泵站的能耗与水泵流量Q、扬程H、效率η有关，并且供水和排水泵站中，扬程、流量等参数经常变化。水泵的单位水量能耗与效率和净扬程有关，因此，在不同时段扬程经常变化的情况下，必须考虑水泵提供的扬程及扬程对泵站能耗的影响。

2，水泵性能描述

水泵性能通常采用一组特性曲线描述，对于特定的1台泵，流量与扬程、流量与效率特性的关系可通过多项式描述。水泵在某一确定转速下性能的数学模型，可以根据已有的试验曲线通过曲线拟合得到。

H=a₀+a₁Q+a₂Q²

η=b₀+b₁Q+b₂Q²+b₃Q³

其中：a0，a1，a2，b0，b1，b2为根据水泵实测特性曲线计算得出的常数；Q—泵输出的流量；H—泵的扬程；η—泵的效率。

对于需要调速的水泵，假设水泵在转速调节范围内符合相似定律，调速后相似工况点效率不变。由此可以描述调速过程中不同转速下的性能方程为:

$H_n=a_0{\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2+a_1\frac{n}{n_0}{Q}_n+n_2{Q_n}^2$

${\mathrm{\η}}_n=b_0+b_1\frac{n_0}{n}{Q}_n+b_2{\left(\frac{n_0}{n}\right)}^2{Q_n}^2+b_3{\left(\frac{n_0}{n}\right)}^2{Q_n}^3$

n₀—试验基准转速；H_n—转速为n时的扬程；Qn—转速为n时的流量。

水泵工作点的确定需要水泵装置的特性曲线，即水泵装置所需的扬程H与流量Q的关系，即：

H=H₀+SQ²

H₀—泵站上下游水位差；S—系统管路的阻力因数（对于具体的水泵装置S己知）；Q—泵输出的流量；

由于H是Q的函数，H₀和Q关系可表示为：H₀=f(Q)

实际计算时，给出H₀可由所给出的约束关系计算得到水泵的工作点，即此时的流量、扬程、功率和水泵效率。

调度目标和约束条件：以泵站机组总的功率消耗最小为目标，在满足各时段要求流量和扬程的前提条件下，要求泵的能耗最少。所对应的目标函数可描述为：

$J=\min \left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ρgQ}}_{\mathrm{ij}}{H}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}\right\}$

η_ij—第i时段第j台机组的效率；N—时段数；M—机组数；ρ—所输送水的密度；

g—重力加速度；Q_ij—第i时段第j台泵输出的流量；H_ij—第i时段第j台泵的扬程；

η_ij—第i时段第j台泵的效率

约束条件包括流量约束和功率约束，分别描述为：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Δt}=3600Q_T$

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{\ρgQ}}_{\mathrm{ij}}{H}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}\≤P_{\max }$

QT—泵站的日均流量；Δt—1个时段对应的秒数

此外，考虑到水泵的效率和工作稳定性，其转速调节需控制在额定转速以下的一定范围内，可描述为：

S_i∈[S_min,S_max]

S—运行转速与额定转速的比值。(通常可取S_min和S_max分别为0.5和1)

综合考虑水泵流量、量程、功率、效率、水泵上下游水位差、电机转速等因素，实时协调运行参数，达到优化泵站运行效果，实现节能与高效。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种单级泵站优化调度方法，其特征在于：所述调度方法包括以下步骤：依据水泵能耗与水泵性能建立数学模型，优化泵站运行参数；

依据水泵能耗影响因素：水泵流量Q、扬程H、效率η，建立数学模型，得出水泵能耗与各个影响因素之间的函数关系；

依据水泵性能影响因素：水泵流量Q、扬程H、效率η、电机转速、泵站上下游水位差H₀、系统管路的阻力因数S，建立数学模型，得出水泵性能与各个因素之间的函数关系；

结合水泵能耗和水泵性能所建立的数学模型，结合流量Q、扬程H、效率η、电机转速以上这些实时参数的具体变化，对泵站运行进行调整，实现优化调度。

2.根据权利要求1所述的单级泵站优化调度方法，其特征在于：其中依据水泵能耗建立数学模型包括如下步骤：在只考虑泵站主水泵所需的能耗，而不考虑辅助设备、电气设备、站用变电站等所需的耗电量时，主水泵所需的输入功率为：

$P_1=\frac{\mathrm{\ρgQH}}{1000\mathrm{\η}},$

在一定时间内，泵站的单位水量的能耗可描述为：

$e=\frac{P_1}{Q}=\frac{\mathrm{\ρgQH}}{1000\mathrm{\ηQ}}=\frac{\mathrm{\ρg}}{1000}\×\frac{H}{\mathrm{\η}}$

其中：ρ—所输送水的密度；g—重力加速度；Q—泵输出的流量；H—泵的扬程；η—泵的效率。

3.根据权利要求1所述的单级泵站优化调度方法，其特征在于：其中依据水泵性能建立数学模型包括如下步骤：水泵性能采用一组特性曲线描述，对于特定的1台泵，流量与扬程、流量与效率特性的关系可通过多项式描述，水泵在某一确定转速下性能的数学模型，根据已有的试验曲线通过曲线拟合得到，

H=a₀+a₁Q+a₂Q²

η=b₀+b₁Q+b₂Q²+b₃Q³

a0，a1，a2，b0，b1，b2均为常数；Q—泵输出的流量；H—泵的扬程；η—泵的效率

对于需要调速的水泵，假设水泵在转速调节范围内符合相似定律，调速后相似工况点效率不变，由此可以描述调速过程中不同转速下的性能方程为:

$H_n=a_0{\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2+a_1\frac{n}{n_0}{Q}_n+n_2{Q_n}^2$

${\mathrm{\η}}_n=b_0+b_1\frac{n_0}{n}{Q}_n+b_2{\left(\frac{n_0}{n}\right)}^2{Q_n}^2+b_3{\left(\frac{n_0}{n}\right)}^2{Q_n}^3$

n₀—试验基准转速;H_n—转速为n时的扬程；Qn—转速为n时的流量

水泵工作点的确定需要水泵装置的特性曲线，即水泵装置所需的扬程H与流量Q的关系，即：

H=H₀+SQ²

H₀—泵站上下游水位差；S—系统管路的阻力因数（对于具体的水泵装置S己知）；

Q—泵输出的流量

由于H是Q的函数，H₀和Q关系可表示为：H₀=f(Q)

实际计算时，给出H₀可由所给出的约束关系计算得到水泵的工作点，即此时的流量、扬程、功率和水泵效率。