CN112780539B - 一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法，步骤为：拟合水泵流量‑扬程关系式和流量‑效率关系式；确定泵站出水优化目标；基于目标流量、压力计算最小开泵数；确定最优开泵台数及调速泵转速。本发明可快速、高效地确定泵站内水泵的最优开泵方案，从而使运行费用最低，有效指导泵站运行调度。

Description

一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法

技术领域

本发明涉及水泵的运行调度。具体涉及一种泵站节能运行的快速优化调度方法。

背景技术

在工农业生产和居民生活的各个场合中大量采用了水泵进行流体的提升或增压，其中，采用泵站内由数台相同型号水泵并联运行，并加装变频器对水泵进行调速，可达到节能目的。

在不同运行工况条件时，往往可能有不同水泵数量的组合方案同时满足运行工况要求，而各不同方案组合中不同转速下的水泵运行工况，存在最优化节能的水泵运行组合方案。

目前，关于泵站组合优化的研究已经有一些成果，有对所有能满足运行工况的组合方案进行枚举从中选择最优方案的传统方法，也有如基于遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等的智能算法获取最优解的泵站优化调度。以上方法适用范围广，但是存在需要进行枚举组合、迭代计算，因此计算量大、工作效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同型号调速泵泵站节能运行的快速优化调度方法，根据水泵的流量、扬程、效率等参数，以及最大工作水泵数量、变频水泵数量、水泵运行范围的最小转速、最大转速等约束条件下，能够快速确定泵站内水泵的最优开泵方案，从而使运行费用最低。利用水泵流量-扬程关系式和流量-效率关系式的一元二次方程极值特性、调速泵等效原理以及泵站水力特性，能够高效快速获得最优开泵方案。

为了实现上述目的，本发明提供的一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法的技术方案具体为：

一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法，其步骤如下：

步骤1)拟合水泵流量-扬程关系式和流量-效率关系式；

步骤2)确定泵站出水优化目标；

步骤3)基于目标流量、压力计算最小开泵数；

步骤4)确定最优开泵台数及调速泵转速。

进一步地，所述步骤1)的方法为：

拟合水泵流量-扬程关系式和流量-效率关系式，获取样本曲线数据，或基于历史运行数据，通过二项式拟合，获得流量-扬程一元二次方程H＝a_hQ²+b_hQ+c_h和流量-效率的一元二次方程η＝a_ηQ²+b_ηQ+c_η。

进一步地，所述步骤2)的方法为：

确定泵站出水优化目标，获取实时数据泵站进水压力P_in、出水流量Q_out、出水压力P_out；

a.当设定出水流量Q_obj时，将目标进水压力P_in、出水压力P_out与设定出水流量Q_out＝Q_obj作为优化目标；

b.当设定出水压力P_obj时，将实时进水压力P_in、出水流量Q_out与设定出水压力P_out＝P_obj作为优化目标；

c.当设定控制点压力P_c时，将实时进水压力P_in、出水流量Q_out与控制点反算出水压力P_out＝P_c+a_sQ²+b_sQ+c_s作为优化目标，式中P_c为控制点压力、a_s、b_s、c_s为管道系统特性系数。

进一步地，所述步骤步骤3)的方法为：

基于目标流量、压力计算最小开泵数，其中，通过进出目标压力差计算水泵扬程H＝P_out-P_in，基于流量-扬程方程计算当前扬程下的单泵额定转速流量

a.没有定速泵时，水泵最小开泵台数

为出水流量与单泵额定流量比值向上取整；或

b.当存在定速泵时，扣除开启的定速泵数量N_定及对应流量N_定Q_e，最小开泵台数为

调速泵单泵流量为

进一步地，所述步骤4)的方法为：

确定最优开泵台数及调速泵转速，即：从最小开泵台数开始，单泵流量Q_i，扬程H_i，基于水泵变频调速等效相似定理以及流量-扬程方程，计算转速比s_i，将单泵流量与最高效率点流量

对比，判断是否已经为最优，如果是则输出最优开泵数及对应转速，否则开泵数增加1，重复步骤4，直到最大开泵数。

进一步地，所述步骤4)具体为：

a.给定最大开泵数N_max，最小转速比s_min，当前开泵台数N＝N_min，初始化最优方案，最优开泵数N_opt＝N_min，最优转速比s_opt＝s_min，最优效率

b.单泵流量

单泵扬程H_i＝H；

c.基于水泵调速等效相似定理，转速为n_i与额定转速n_e下扬程H_i、流量Q_i与转速比s_i关系为

代入流量-扬程方程得H_i＝a_hQ_i ²+b_hs_iQ_i+c_hs_i ²，获得

d.判断s_i＜s_min，如果是则进行步骤h，否则进行下一步；

e.计算当前效率

f.判断η_i＞η_opt，如果是则最优开泵数N_opt＝N，最优转速比s_opt＝s_i，最优效率η_opt＝η_i；否则，进行下一步；

g.将单泵流量Qi与最高效率点

对比，判断

或N＝N_max，如果是则进行步骤h，否则N＝N+1，进行步骤b；

h.输出最优方案最优开泵数N_opt，最优转速比s_opt，最优效率η_opt。

本发明提供的一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法，具有如下有益效果：

(1)本发明方法适用于出水流量或压力目标明确以及控制目标明确的提升泵站；针对实际运行工况快速筛选出所有可行的水泵运行组合方案，并对其能耗进行分析，进而得到优化的水泵节能运行组合方案，从而选择出实际运行工况下最经济的水泵运行组合方案。

(2)本发明方法无需进行枚举组合和迭代计算，能够快速获得最优解：转速比s_i的计算根据一元二次方式特性直接求解，无需迭代计算；最优开泵组合根据效率曲线最高效点判断，无需枚举所有开泵组合进行排序，大大提高计算效率。

(3)本发明方法是一种实时性高、高效的、经济的水泵运行优化方法，可直接获取确定目标下泵站运行的最优开泵方案，也可嵌入多水源及多级增压等复杂系统优化问题的迭代计算中，可广泛应用于在市政、水利、石化等行业。

附图说明

附图1为本发明的一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法的流程示意图；

附图2为水泵特性曲线图。

具体实施方式

以下将对本发明提供的一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法作进一步的详细描述。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图及实例对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施例1

本发明的提供一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法，如图1所示，包括以下具体步骤：

步骤1、拟合水泵流量-扬程关系式和流量-效率关系式，获取样本曲线数据，或基于历史运行数据通过二项式拟合，获得流量-扬程一元二次方程H＝a_hQ²+b_hQ+c_h和流量-效率的一元二次方程η＝a_ηQ²+b_ηQ+c_η，设各系数为a_h＝-10，b_h＝5，c_h＝30，a_η＝-100，b_η＝180，c_η＝20

步骤2、确定泵站出水优化目标，获取实时数据泵站进水压力P_in＝5m、出水流量Q_out＝3m³/s、出水压力P_out＝24m，采用设定出水压力方式运行；

当设定出水压力P_obj＝25m时，将实时进水压力P_in＝5m、出水流量Q_out＝3m³/s与设定出水压力P_out＝P_obj＝25m作为优化目标；

步骤3、基于目标流量、压力计算最小开泵数，通过进出目标压力差计算水泵扬程H＝P_out-P_in＝25-5＝20m，基于流量-扬程方程计算当前扬程下的单泵额定转速流量

没有定速泵时，水泵最小开泵台数

为出水流量与单泵额定流量比值向上取整；

设不存在定速泵时，调速泵单泵流量为

步骤4、确定最优开泵台数及调速泵转速；

给定最大开泵数N_max＝6，最小转速比s_min＝0.5，当前开泵台数N＝N_min＝3，初始化最优方案，最优开泵数N_opt＝N_min＝3，最优转速比s_opt＝0.5，最优效率

单泵流量

，单泵扬程H_i＝H＝20m；

基于水泵调速等效相似定理，转速为n_i与额定转速n_e下扬程H_i、流量Q_i与转速比s_i关系为

代入流量-扬程方程得H_i＝a_hQ_i ²+b_hs_iQ_i+c_hs_i ²，获得

判断s_i＝0.92＜s_min＝0.5，不成立，进行下一步；

计算当前效率

判断η_i＝87.5％＞η_opt＝-30，成立，最优开泵数N_opt＝N＝3，最优转速比s_opt＝s_i＝0.92，最优效率η_opt＝η_i＝87.5％；

将单泵流量Q_i＝1与最高效率点

对比，判断

或N＝3＝N_max＝6，不成立，则N＝N+1＝3+1＝4；

单泵流量

，单泵扬程H_i＝H＝20m；

基于水泵调速等效相似定理，转速为n_i与额定转速n_e下扬程H_i、流量Q_i与转速比s_i关系为

代入流量-扬程方程得H_i＝a_hQ_i ²+b_hs_iQ_i+c_hs_i ²，获得

判断s_i＝0.864＜s_min＝0.5，不成立，进行下一步；

计算当前效率

判断η_i＝90.9％＞η_opt＝87.5％，成立，最优开泵数N_ept＝N＝4，最优转速比s_opt＝s_i＝0.864，最优效率η_opt＝η_i＝90.9％；

将单泵流量Qi＝0.75与最高效率点

对比，判断

或N＝4＝N_max＝6，成立；

输出最优方案最优开泵数N_opt＝4，最优转速比s_opt＝0.864，最优效率η_opt＝90.9％；

图2是水泵特性曲线图，其中包括：(a).流量-扬程曲线，(b).流量-效率曲线。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法，其步骤如下：

步骤1)拟合水泵流量-扬程关系式和流量-效率关系式；

步骤2)确定泵站出水优化目标；

步骤3)基于目标流量、压力计算最小开泵数；

步骤4)确定最优开泵台数及调速泵转速；

所述步骤1)为：拟合水泵流量-扬程关系式和流量-效率关系式，获取样本曲线数据，或基于历史运行数据，通过二项式拟合，获得流量-扬程一元二次方程H＝a_hQ²+b_hQ+c_h和流量-效率的一元二次方程η＝a_ηQ²+b_ηQ+c_η；

所述步骤2)为：确定泵站出水优化目标，获取实时数据泵站进水压力P_in、出水流量Q_out、出水压力P_out；

a.当设定出水流量Q_obj时，将目标进水压力P_in、出水压力P_out与设定出水流量Q_out＝Q_obj作为优化目标；

b.当设定出水压力P_obj时，将实时进水压力P_in、出水流量Q_out与设定出水压力P_out＝P_obj作为优化目标；

c.当设定控制点压力P_c时，将实时进水压力P_in、出水流量Q_out与控制点反算出水压力P_out＝P_c+a_sQ²+b_sQ+c_s作为优化目标，式中P_c为控制点压力、a_s、b_s、c_s为管道系统特性系数；

所述步骤3)为：基于目标流量、压力计算最小开泵数，通过进出目标压力差计算水泵扬程H＝P_out-P_in，基于流量—扬程方程计算当前扬程下的单泵额定转速流量

a.没有定速泵时，水泵最小开泵台数：

为出水流量与单泵额定流量比值向上取整；或

b.当存在定速泵时，扣除开启的定速泵数量N_定及对应流量N_定Q_e，最小开泵台数为

调速泵单泵流量为

所述步骤4)为：确定最优开泵台数及调速泵转速；即：从最小开泵台数开始，单泵流量Q_i，扬程H_i，基于水泵变频调速等效相似定理以及流量一扬程方程，计算转速比s_i，将单泵流量与最高效率点流量

对比，判断是否已经为最优，如果是则输出最优开泵数及对应转速，否则开泵数增加1，重复步骤4，直到最大开泵数；具体为：

a.给定最大开泵数N_max，最小转速比s_min，当前开泵台数N＝N_min，初始化最优方案，最优开泵数N_opt＝N_min，最优转速比s_opt＝s_min，最优效率

b.单泵流量

单泵扬程H_i＝H；

c.基于水泵调速等效相似定理，转速为n_i与额定转速n_e下扬程H_i、流量Q_i与转速比s_i关系为：

代入流量-扬程方程得

H_i＝a_hQ_i ²+b_hs_iQ_i+c_hs_i ²，

获得

d.判断s_i＜s_min，如果是则进行步骤h，否则进行下一步；

e.计算当前效率

f.判断η_i＞η_opt，如果是则最优开泵数N_opt＝N，最优转速比s_opt＝s_i，最优效率η_opt＝η_i；否则，进行下一步；

g.将单泵流量Q_i与最高效率点

对比，判断

或N＝N_max，如果是则进行步骤h，否则N＝N+1，进行步骤b；

h.输出最优方案最优开泵数N_opt，最优转速比s_opt，最优效率η_opt。

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