CN108830469B - 一种水厂供水系统的入水口流量控制方法 - Google Patents

一种水厂供水系统的入水口流量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水厂供水系统的入水口流量控制方法，解决的是供水与制水平衡度差的技术问题，通过采用步骤1，根据水厂采集的历史数据对出水流量进行统计，得到用水数据，并根据用水数据预测出水量曲线，得到预测曲线Fo(t)；步骤2，定义制水过程所需时间为τ，从入水口到出水口水流在水厂中停留的最长时间为T，依据(0，t)的制水量≥(0，t)消耗的水量，以及当前T时间内制水量需在下一个T时间内输出出水口计算水厂入水流量FI(t)；步骤3，根据存水量数值集合计算水池最大存水量和水池额定蓄水量的技术方案，较好的解决了该问题，可用于水厂应用中。

Description

一种水厂供水系统的入水口流量控制方法
技术领域
本发明涉及自来水厂供水领域，具体涉及一种水厂供水系统的入水口流量控制方法。
背景技术
随着经济快速增长和人民生活水平的提高，社会生活对自来水的需要越来越大，能否保证用户用水量的需求，成为了自来水厂建设和运行时考虑的一个重要因素。考虑到自来水厂的入水量在为了实时满足用户的需求的情况下，不能随时根据用户用水量来动态调整入水量，故供水系统借助了蓄水池，让其发挥重要的缓存作用，通过预存水等方式，使水厂的供需达到平衡。但若供水系统的蓄水池设计得过大，会导致建设成本的增加；而若水系统的蓄水池设计得过小，则可能会由于存水不足而导致不能满足用户用水需求的问题；因此在水厂建设时，供水系统蓄水池大小应设计为一个合理的大小。
同时考虑到水厂从供水水源中抽水时，流入的未经处理的水(称为原水)可能存在有淤泥、重金属化合物、细菌等对人体有害的物质，需要在水厂中进行沉淀、消毒等人工的净化处理后，至少经过一定时间后，才能从水厂输出给用户。而水若在蓄水池中贮存过长时间，又可能会出现药效下降等情况，故应在特定时间内排出水厂。故水在水厂中处理的时间应固定在一定的范围内。
电价方面，为了缓解用电高高峰期的用电紧张、用电低峰时浪费电量的问题，在许多城市开始使用分时电价的方案。这对于水厂而言，在电价较高时，若大规模运行设备，即便耗费的电量与电价低时相同，同样会增加水厂电费，从而白白增加了水厂耗电成本。
因此，本发明提供了一种能够解决上述问题的水厂供水系统的入水口流量控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的供水与制水平衡度差的技术问题。提供一种新的水厂供水系统的入水口流量控制方法，该水厂供水系统的入水口流量控制方法具有水厂供水与制水平衡度高的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种水厂供水系统的入水口流量控制方法，包括：
步骤1，根据水厂采集的历史数据对出水流量进行统计，得到用水数据，并根据用水数据预测出水量曲线，得到预测曲线Fo(t)；
步骤2，定义制水过程所需时间为τ，从入水口到出水口水流在水厂中停留的最长时间为T，依据(0，t)的制水量≥(0，t)消耗的水量，以及当前T时间内制水量需在下一个T时间内输出出水口计算水厂入水流量FI(t)；
步骤3，根据存水量数值集合计算水池最大存水量：
Figure GDA0003498148440000021
N为正整数。
上述方案中，为优化，进一步地，所述步骤2包括：
步骤A，计算第i时间段的存水量，存水量应满足下列条件：
Figure GDA0003498148440000031
Figure GDA0003498148440000032
Figure GDA0003498148440000033
其中，i＝1、2、3…N-1；
步骤B，计算N个T时段内最大的存水量的b倍为水池容量V，b大于1，即V＝b*s。
进一步地，所述水厂供水系统的入水口流量控制方法还包括：
步骤4：根据电力公司分时电价数据拟合电费函数E电费；
步骤5，计算电费成本C：
Figure GDA0003498148440000034
步骤6，根据电费成本调节入水量。
进一步地，所述步骤1中统计是采用拟合曲线分析方法。
进一步地，所述拟合曲线分析方法是使用最小二乘法，对水厂收集的数据进行拟合，得到数据的变化公式和拟合曲线。
将制水过程分为两个过程：制水过程，存水过程。首先，由于入水端到出水端含有一定的延时，而用户的需求又是实时的，且即使没有延时作用，用户入水也不能够随着出水端的变化而变化。因此，我们使用水池和提前蓄水来解决这两个问题。首先，利用水池的缓存能力，对输出端的水流量数据进行处理，得到输出端水流量的拟合函数Fo(t)，预测时间长度为T，可知道我们水池要缓存多少的水，才能够保证接下来的水够用。
为了解决制水过程中水不可能够直接输出而是有一段制水延时时间τ，故设定一段超前预测时间T，且设置T是大于τ的。由于制好的成品水若长期放置，药效有可能失效导致需要重新加药，故设定，当前T制好的水是应该在下一个T内用完。
在0-T时刻内，由于存水量＝入水量-出水量应在下一时刻，即T-2T时间内被用完，故应满足：
Figure GDA0003498148440000041
同时考虑到T时刻时进入的原水变为成品水需要τ时间制水，故在T到T+τ时刻内，使用的为0-T时刻所存留的水，应满足：
Figure GDA0003498148440000042
合并得：
Figure GDA0003498148440000043
在0-T时刻，应存有部分水量，以供下一时刻用水，故应满足：
Figure GDA0003498148440000044
同理，在T-2T时刻同样可以得到以下不等式：
Figure GDA0003498148440000045
Figure GDA0003498148440000046
同理，在之后的T时间段内，都可以得到相似的表达式，综上递归得出：
Figure GDA0003498148440000051
Figure GDA0003498148440000052
根据此公式，令i＝1、2、3…N-1可计算出每个时段的存水量再由于满足水厂周期制水的供需平衡的情况下，可以确定：
Figure GDA0003498148440000053
根据存水量数值集合，取其最大值的b倍作为供水系统的额定蓄水量，其中b要满足大于1，为防止用水量陡降的突发情况。
2.制水用电成本
结合电价方面，为了缓解用电高高峰期的用电紧张、用电低峰时浪费电量的问题，故在许多城市都会采用分时电价的方式，尽管各个城市在分时时间以及价格会有微小差异，但基本符合以下公式规律
Figure GDA0003498148440000054
式中a为水厂每立方米水的制水花费。
由于钱和水量呈现线性关系，确定每一时间段内的水量即可确定每一段制水所用的钱，考虑到在相同用电量的情况下，高电价时的总电费大于低电价时的总电费，故在制水量可以满足用户用水量变化的情况下，应当尽量使高电价时的制水量少，低电价时的制水量多。
公式可化简为：
Figure GDA0003498148440000061
其中，令i＝1、2、3…可分别求出相应时刻的供水系统输入水量的最小值与最大值，从而求出其输入水量曲线。
3.水池容量
Figure GDA0003498148440000062
V＝b*S(b>1)
本发明的有益效果：
本发明相对于传统的水池设计，能够更加合理的规划水池的大小，确定水池容积和入水量、出水量之间的关系，同时利用电力系统最新推出的分时电价方案，对水池进行重新的规划和设计，达到水池的存水既能够满足用户供水需求，也能够最大力度的节约水厂制水环节所消耗的电费。另外，在设计水池大小时，采用时间切片制水法，并将其运用在水务系统的制水环节管理，尽可能合理利用水池缓水能力。能够在用户需水量大时，水池能够提供足够的水，达到水池的水不“见底”，也能够在用户需水量低时，水池的水不会溢出，最终达到节约水资源，同时节约制水成本的目的。同时，在设计蓄水池的时候，尽可能资源优化，采用组合式蓄水池能够随预测值变化蓄水池资源，合理调用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中入水口流量控制方法流程示意图。
图2，拟合曲线示意图。
图3，预测曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例参数定义如下：制水过程τ，超前预测时间为T(τ<T<τ+t1)，水厂输出流量为Fo(t)，水厂输入流量为FI(t)，水池可以存入的水为Vs(t)，一个固定时间周期内(例如一天)可以分为N个切片，一天内水务产水总用电量为WA kw·h，所用的电量花费的钱为C元，制水1立方米用电费为a，水池的体积大小应该建设为V m3，每一段预测时间T内流量是FIi(t)，对于电价较贵的时段，每小时流量最小值Qmin,i，其中i表示第i个T时段，设每一段T内的总输入水流量QIi。
本实施例提供一种水厂供水系统的入水口流量控制方法，如图1，包括：
步骤1，根据水厂采集的历史数据对出水流量进行统计，得到用水数据，并根据用水数据预测出水量曲线，得到预测曲线Fo(t)；
步骤2，定义制水过程所需时间为τ，从入水口到出水口水流在水厂中停留的最长时间为T，依据(0，t)的制水量≥(0，t)消耗的水量，以及当前T时间内制水量需在下一个T时间内输出出水口计算水厂入水流量FI(t)；
步骤3，根据存水量数值集合计算水池最大存水量：
Figure GDA0003498148440000081
取max集合后算得最大存水量S，最大的存水量的b倍为水池额定蓄水量V，b大于1。
其中，步骤2具体表示为：
步骤A，计算第i时间段的存水量，存水量应满足下列条件：
Figure GDA0003498148440000082
Figure GDA0003498148440000083
Figure GDA0003498148440000084
其中，i＝1、2、3…N-1；
步骤B，计算N个T时段内最大的存水量的b倍为水池容量V，b大于1，即V＝b*s。
为了经济电费成本，本实施例还包括：
步骤4：根据电力公司分时电价数据拟合电费函数E电费：
步骤5，计算电费成本C：
Figure GDA0003498148440000091
步骤6，根据电费成本调节入水量。
具体举例说明：
本实施例是对预测的输出流量数据进行拟合曲线分析。拟合曲线是将离散的数据点通过数据分析，得到一条连续变化的曲线，而且对拟合曲线的要求就是误差尽可能小，使大多数的点能够在拟合的曲线上。本次拟合曲线采用的是最小二乘法，在excel等工具软件上对水厂收集过来的数据进行拟合，并且得到数据的变化公式和拟合曲线。
根据水厂某一天的用水量拟合一条曲线如图2，Fo(t)＝-546t6+1203.8t5-768.75t4+25.9t3+102.985t2-18.4675t+0.868(千立方米/小时)
其中变量t取值范围为(0，1)，代表一天时间归一化结果，即t＝0对应第0小时，t＝1对应第24小时。
依据拟合的用水曲线进行预测，得到预测曲线如图3，计算预测曲线积分值：
Figure GDA0003498148440000092
假设τ＝1.5小时，T＝4小时，即水要在水厂中至少停留τ＝1.5小时的制水时间，同时希望在T＝4小时内将其输出。
计算各个时间段入水量的取值范围：
(1)0-T(0-4小时)时间段
Figure GDA0003498148440000101
代入τ＝1.5小时，T＝4小时为：
Figure GDA0003498148440000102
计算可得：
Figure GDA0003498148440000103
Figure GDA0003498148440000109
此时存水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000104
Figure GDA0003498148440000105
同时要满足入水量大于出水量，以供后续使用
Figure GDA0003498148440000106
代入得：
Figure GDA0003498148440000107
Figure GDA0003498148440000108
综上可得：
Figure GDA0003498148440000111
此时段的总流量取中间值，即
Figure GDA0003498148440000112
Figure GDA0003498148440000113
(2)T-2T(4-8小时)时间段
同理可得：
存水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000114
Figure GDA0003498148440000115
入水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000116
Figure GDA0003498148440000117
此时段的总流量取中间值，即
Figure GDA0003498148440000118
Figure GDA0003498148440000119
由于已计算得前序的T内的流量值，故可得
Figure GDA00034981484400001110
此时每小时的平均最小流量为
Figure GDA00034981484400001111
(3)2T-3T(8-12小时)时间段
同理可得：
存水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000121
Figure GDA0003498148440000122
入水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000123
Figure GDA0003498148440000124
流量取中间值，即
Figure GDA0003498148440000125
由于已计算得前序的各段T内的流量值，故可得
Figure GDA0003498148440000126
(4)3T-4T(12-16小时)时间段
同理可得：
存水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000127
Figure GDA0003498148440000131
入水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000132
Figure GDA0003498148440000133
流量取中间值，即
Figure GDA0003498148440000134
由于已计算得前序的各段T内的流量值，故可得
Figure GDA0003498148440000135
Figure GDA0003498148440000136
(5)4T-5T(16-20小时)时间段
同理可得：
存水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000137
Figure GDA0003498148440000138
入水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000139
Figure GDA0003498148440000141
流量取中间值，即
Figure GDA0003498148440000142
由于已计算得前序的各段T内的流量值，故可得
Figure GDA0003498148440000143
此时每小时的最小流量为
Figure GDA0003498148440000144
(6)5T-6T(20-24小时)时间段
存水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000145
Figure GDA0003498148440000146
入水量的取值范围为：
Figure GDA0003498148440000147
Figure GDA0003498148440000148
流量取中间值，即
Figure GDA0003498148440000149
Figure GDA00034981484400001410
由于已计算得前序的各段T内的流量值，故可得
Figure GDA00034981484400001411
Figure GDA00034981484400001412
此时每小时的最小流量为
Figure GDA00034981484400001413
计算电费：
根据统计的分时电价：
Figure GDA0003498148440000151
同时应在电价低时多入水，电价高时少入水。在计算时，在电价一定时，则输入的流量为恒定值，在电价发生变化时，输入的流量才会发生相应变化。分配时，电价较贵时，每小时流量最小值Qmin,i以该时段T内总入水量最小值的小时平均计算。由之前的计算中，可得每一段T内的总输入水流量QIi，即
Figure GDA0003498148440000152
在0-T时间段内，由于价格全部为am3/元，故在0-T时段内，故此时段内的价格为
Figure GDA0003498148440000153
在T-2T时间段内，其中有1小时的价格为am3/元，3小时价格为0.5am3/元。由于第一小时价格比后三小时高，在第一小时时每小时流量最小值Qmin,2＝0.996千m3，从而可以计算后三小时的流量。
故此时段的价格为：
Figure GDA0003498148440000154
在2T-3T时间段内，由于价格全部为1.5am3/元，故在2T-3T时段内，故此时段内的价格为
Figure GDA0003498148440000161
在3T-4T时间段内，由于价格全部为0.5am3/元，故在3T-4T时段内，故此时段内的价格为
Figure GDA0003498148440000162
在4T-5T时间段内，其中有1小时的价格为0.5am3/元，3小时价格为1.5am3/元。由于在后三小时的价格比前一小时的价格高。故在后三小时时取每小时的流量为Qmin,5，从而可以计算前一小时的流量。故此时段的价格为：
Figure GDA0003498148440000163
在5T-6T时间段内，其中有2小时的价格为1.5am3/元，2小时价格为am3/元，由于在前两小时时价格更高。故在前两时时取每小时流量最小值Qmin,6，从而可以计算后两小时的流量。故此时段的价格为：
Figure GDA0003498148440000164
故总的电费为：2964a+3372a+10692a+2010a+8838a+4656a＝32532a元
最后，计算最大存水量，根据公式和以上各个时段的存水量值，可得：
Figure GDA0003498148440000171
即S＝max{4.128,7.992,4.44,4.584,8.962,0.912}千m3＝8962m3
V＝S*b＝8962bm3
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种水厂供水系统的入水口流量控制方法，其特征在于：包括
步骤1，根据水厂采集的历史数据对出水流量进行统计，得到用水数据，并根据用水数据预测出水量曲线，得到预测曲线Fo(t)；
步骤2，定义制水过程所需时间为τ，从入水口到出水口水流在水厂中停留的最长时间为T，依据(0，t)的制水量≥(0，t)消耗的水量，以及当前T时间内制水量需在下一个T时间内输出出水口计算水厂入水流量FI(t)；
步骤3，根据存水量数值集合计算水池最大存水量：
Figure FDA0003498148430000011
N为正整数；
所述步骤2包括：
步骤A，计算第i时间段的存水量，存水量应满足下列条件：
Figure FDA0003498148430000012
Figure FDA0003498148430000013
Figure FDA0003498148430000014
其中，i＝1、2、3…N-1；
步骤B，计算N个T时段内最大的存水量的b倍为水池额定蓄水量即水池容量V，b大于1，即V＝b*s；
所述水厂供水系统的入水口流量控制方法还包括：
步骤4：根据电力公司分时电价数据拟合电费函数E电费：
步骤5，计算电费成本C：
Figure FDA0003498148430000021
步骤6，根据电费成本调节入水量。
2.根据权利要求1所述的水厂供水系统的入水口流量控制方法，其特征在于：所述步骤1中统计是采用拟合曲线分析方法。
3.根据权利要求2所述的水厂供水系统的入水口流量控制方法，其特征在于：所述拟合曲线分析方法是使用最小二乘法，对水厂收集的数据进行拟合，得到数据的变化公式和拟合曲线。
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