防洪排涝泵站的经济运行优化研究

赵英 张虹

（江苏省无锡市城市防洪工程管理处 无锡市 214000）

近年来，我国机电排灌事业得到迅猛发展。据统计，我国现有大中型泵站5 500多座，大型抽水站200多座，中型十几万座，而小型则数不胜数，遍及全国［1］。这些抽水工程所带来的作用直接影响着国计民生，其抵御旱涝灾、保障农业高产稳定、促进农业产业化及机械化进程均具有不可代替的作用。但现有的泵站装置效率普遍较低，偏离设计工况运行时的效率下降更大，增加了运行成本。

泵站在为民服务的同时，也消耗着大量能源，这直接影响着泵站的经济合理运行。泵站的经济运行是研究泵站管理优化及调度的主要内容，以系统论的方法及观点对泵站工程整个机组系统及排灌系统进行综合分析，让泵站在一定时期内，按照一定准则，使泵站运行目标函数达到最优，进而使泵在最经济的工况下运行［2］。

为提高泵站的运行效率，在有条件的情况下采用的工况调节方法有：变速调节、变角调节、可调前导叶调节、前置导轮调节等。但大多数的泵站因条件的限制，可采用的调节方式较少［3］。在此情况下，对泵站进行优化调度研究，合理分配各时刻各机组的抽水流量，使泵站处于较优的工况下运行，对于泵站节约运行成本，提高经济效益等具有重要意义。研究中不考虑同型机组之间由于制造等方面因素的差异。对于具备变角、变速等其它调节方式的泵站，应与流量优化分配结合进行研究，以使优化运行的目的达到最优。

泵站的经济运行与水电站的经济运行异曲同工，都是担负某种“负荷”。 泵站以抽水为主，水电站以发电为主，但二者都是在满足安全运行的前提下，一个以电换水，一个以水换电，均要考虑在“负荷”的机组分配条件下，对机组的投入台数和投入顺序进行合理安排［4］。

1 泵站的优化运行模型

研究泵站机组间优化分配的模型及解法，需从系统分析的观点出发，在建立数学模型时，需建立目标函数与约束条件方程式。约束条件可根据不同情况、不同要求建立约束方程与目标函数方程。

对于承担防洪排涝工作的泵站，其主要的运行任务是在一定的时间内，完成给定的抽水流量。因此，对于此类泵站的优化高度模型，应是在一定的总抽水流量的约束条件下，以运行的功率最少或运行费用最少作为目标函数，但最终的优化目的仍是泵站的运行费用，提高经济效益。而泵站的运行费用包括人工费、管理费、抽水电费等内容，在研究时，根据泵站的特点，若运行费中抽水电费占的比例较大，可以将泵站的运行费用优化目标简化为抽水电费的优化，若在没有进行分时电价的条件下，目标函数即为总功率最小。

因此，建立优化模型为：

约束条件（总抽水流量约束）：

式中m——机组台数；

Q0——总抽水流量；

N——机组消耗

功率；

Qi——第Qi′′台

机组抽水流量；

Ni——第i台机

组消耗功率；

Qi′，Qi′′分别为第i台机组在该扬程下的最小，最大流量；Ni′，Ni′′分别为第 i台机组在该扬程下的最小，最大出力。

在实行峰谷分时电价的条件下，在研究时，需要将电价因素考虑在模型内，此时的目标函数为：

式中S——泵站消耗的总电费支出；

Ni——第i台机组在ti时刻消耗的功率；

si——ti时刻的电价。

其中si可以表示成ti的函数，因此，模型可以简化为：

2 模型求解方法

对于上述模型，可采用动态规划的方法求解，求解时将每台机组作为一个决策阶段，按顺序编号,可采用逆向推行法计算。选取机组台号作为决策阶段i；决策变量；选择按照机组号累加的抽水流量为状态变量。则第i台机组的流量Qi；决策变量为第 i台机组的流量Qi；开机 Qi为定值，否则为0。状态变量为分配给第i～m台机组的总抽水流量Ki。

以模型（1）为例，建立的动态规划递推方程和状态转移方程为：

3 应用成果及分析

江苏某城市防洪泵站工程，采用堤身式布置，单向排水，安装5台立式轴流泵，单机流量15 m3/s，配630 kW同步电机，总装机4 000 kW。闸门采用下卧式平面钢闸门，液压启闭机控制。经优化计算，其2011年3月、7月实际抽水耗电量与优化后的消耗电量见附表。

附表 实际耗电量及各个月经优化后的耗电量

4 结 论

本文对防洪排涝型泵站的经济运行优化问题，建立优化模型，研究了通过动态规划求解的方法，并根据工程实例进行了计算。结果表明，对于排涝泵站，在给定抽水流量运行的情况下，通过优化计算，可节省耗电量3%左右，具有良好的经济效益。

对于具有防洪排涝任务的泵站，在某特殊情况下需要最大流量的满荷载运行时，为了最大限度减少灾害损失，例如在排出灾难性特大涝水时，不能以泵站的最佳运行效益为标准，必须服务整个社会效益，在满足泵站功效最大化及灾情紧急化的前提下，要求以最大额度进行大量抽水，此时虽然泵站的收税成本会高，但是从整体的社会效益看是合理有效的［4］。

1 储训.我国泵站“十一五”规划及发展前景——现状调查报告[R].扬州大学水利学院，2004.

2 冯晓莉，仇宝云，黄海田.大型泵站经济运行研究进展［J］.流体机械，2006，4.

3 冯晓莉，等.南水北调东线一期工程源头泵站优化运行研究［J］.水力发电学报，2008，4.

4 胡晓龙.复杂泵站的经济运行研究［D］.南京：河海大学硕士论文，2002.