引滦入津工程供水泵站优化模型的建立与应用

李继明，周志华

（1.天津市水务局引滦工程管理处，301900，天津；2.天津市水利科学研究院，300061，天津）

引滦入津工程于1983年9月建成通水，是当时全国最大的城市供水工程，包括引水、供水、蓄水、净水和配水等综合性的系统工程群体，由引水隧洞、河道、水库、泵站、明渠、暗渠、水闸等200多项工程组成，全长234 km，年供水量5.7亿m3，最大供水能力50 m3/s。截至2012年10月，已累计向天津供水224.3亿m3，为天津社会稳定、经济发展和人民生活水平不断提高作出了巨大贡献，被誉为支撑天津经济社会发展的“生命线”。

引滦潮白河泵站、尔王庄泵站和大张庄泵站为引滦入津工程下游的三级提升泵站，在引滦日常供水过程中起到了抬高水头和水源调配的作用。在实际运行过程中，引滦三大水泵机组大多是按照机组出厂的性能参数来运行，由于运行时间和日常损耗等原因，实际运行工况均有了很大改变，同时泵站机组运行还受前后池水位、功率因数等因素综合影响，如果仅仅依靠管理运行经验进行调度，很难做到节能降耗和经济运行。仅以引滦入津工程尔王庄管理处下辖的泵站为例，考虑年供水5.2亿m3，耗电多达4 000万kWh，若按0.8元/kWh计算，年电费支出就达3 200多万元。如何达到泵站运行管理最科学、最经济、最节能已成为引滦工程管理部门迫切需要思考和解决的问题。

一、优化设计思路

目前引滦沿线三级提升泵站均为立式轴流泵，装机容量大，额定功率小，水位变化相对于额定扬程来说较大，机组运行极易偏离高效区。同时，由于泵站抽水流量大部分时间小于装机流量，因此，均设有叶片调节系统，随着叶片角度的变化，轴流泵的流量、扬程、功率也随之改变。在满足所需抽水流量的前提下，可根据实际扬程，以泵站装置效率最高为目标，确定水泵叶片角度和开机台数，其优化调度基本流程见图1。

二、泵站优化模型理论

通过选取合适的水泵机组以及叶片角度的合理调节，使整个泵站处在高效运行状态，既能满足所要求的流量和扬程，又使水泵效率尽可能得到提高。因此，泵站优化问题可描述为在已知泵站出口扬程和流量需求的条件下，确定水泵并联运行的台数、机组组合和调节叶片的角度，使消耗的功率实现最小化。其模型求解方法如下：

1.模型求解流程

单级泵站的优化调度是在确定的供水工况下（前池、后池水位和供水总流量已定）寻求最佳运行方式。在同一工况下，泵站各机组扬程一致，泵站优化问题即为寻求最优机组组合，并优化机组流量分配及工作叶角，使得完成工况任务耗能最少的问题。首先根据机组供水总量及单个机组供水量和功率上限计算出所需最少开机台数，在叶片角度离散化处理基础上，运用排列组合算法计算各机组不同组合情况下的耗能；对某一机组组合情况下能耗的计算采用遗传算法，取各机组流量分配为基因，依据测得的性能曲线，通过插值算法得出在该扬程和流量下机组运行的效率和叶角，进而计算功率，通过遗传算法优选出各机组最优流量分配，使得机组总能耗最小。

2.基于遗传算法的优化求解

遗传算法的运行过程为一个迭代过程，涉及5个主要因素或环节，即编码、初始群体设定、适应度函数的定义、确定遗传操作和设定控制参数，遗传算法求解流程图见图2。

①参数编码。根据泵站机组优化调度问题的特点，采用浮点编码。染色体基因取各机组分配流量，染色体基因个数由机组开机台数确定。把泵站机组在某工况下各开机机组的流量用其流量边界范围内的浮点数表示，初始母体群的产生取各机组流量分配的均值。

②适应度函数建立。泵站优化调度由机组总功率作为适应度函数。通过已知的泵站各机组流量、扬程、效率，运用公式求解相应的泵站总功率，该步骤需增加各机组功率上限的约束条件，若不满足约束条件，则利用惩罚因子使其适应度最小以便被淘汰。

③选择策略。泵站机组优化调度模型采用标准化几何分布规律计算个体遗传概率，采用轮盘赌算法选择优良个体保存。

④交叉策略。泵站机组优化调度模型中交叉算子采用算术交叉算子。算术交叉是针对浮点数编码的一种交叉方法，是指由两个个体的线性组合而产生出两个新个体。

⑤变异算子。变异操作采用非均匀变异操作，即各代参与变异操作的染色体变异量是非均匀变化的。

⑥最优保存。为提高遗传算法的运行效率，保障其收敛性，确保群体中适应度较好的个体遗传到下一代，采用最优保存策略方法进行优胜劣汰操作。即按比例备份当代最优个体群，并与下次迭代产生的最优个体群做对比，两者择优保留。

⑦控制参数的选取。遗传算法控制参数主要包括种群规模、选择概率、交叉概率和变异概率。根据经验，主要控制参数交叉概率Pc取值范围一般为0.6～0.95，变异概率Pm取值范围为 0.001～0.01。

⑧收敛条件确定。泵站优化运行收敛条件采用最大进化代数与收敛不等式相结合的方法。

三、单级泵站优化实例

以引滦入津工程尔王庄暗渠泵站为例，阐述运用上述优化模型对泵站运行进行优化前后的对比情况，分析模型建立的合理性。

1.工程概况

引滦入津工程尔王庄暗渠泵站现装有10台1400ZLQ6-7型立式全调节轴流泵，单台设计流量为5.8m3/s，设计扬程为7 m，角度调整范围为-6°～+4°。 10台水泵中#2—#6是溢流堰式，#8—#10是压力箱式，#1泵出水直接进入汇流槽，与过溢流堰水流成90°角交汇，#7泵出水由闸门和电动蝶阀控制，可通过溢流堰到汇流槽，也可直接进入压力箱。通常运行工况是7台运行，2台备用，1台检修。

2.机组特性曲线拟合

尔王庄暗渠泵站各机组装机型号虽然相同，但经过多年运行使用，各机组的性能早已发生了不同程度的改变。依据10台机组的性能测试数据（选用1998年效能测试数据，并用2011年测试数据修正），绘制出#1—#10水泵按照不同叶角拟合的流量-扬程分布曲线、效率-扬程分布曲线。结果表明：在设计水位范围下、装置扬程相同时，10台机组在相同角度下运行，单机出水量和装置效率相差很大。

图1 泵站优化调度基本流程示意图

图2 遗传算法求解流程图

组合表1 2000年5月26日 8∶00工况1

泵站优化总能耗：1 183kW，比实际运行节约能耗93.8kW，节能率7.3%

组合表2 2000年7月4日 8∶00工况2

泵站优化总能耗：1 204.2kW，比实际运行节约能耗67.7kW，节能率5.3%

组合表3 2000年8月19日 8：00工况3

泵站优化总能耗：1 470.9kW，比实际运行节约能耗104kW，节能率6.6%

3.模型优化结果及对比

本次选取2000年尔王庄暗渠泵站实际运行工况，运用泵站优化模型对工况进行重新优化，并将优化运行结果与实际运行工况进行对比，通过分析泵站运行总功耗，判断模型实际优化效率。下面取3例工况进行优化对比，见组合表1、组合表2和组合表3。

总的来看，泵站优化模型对此7例工况全部优化成功，优化后节能率在0～11%之间，平均节能率为6%。由此可见，本次建立的模型是可靠的，可以将此模型应用于引滦入津工程供水泵站优化运行工作之中，以实现供水管理节能、降耗的基本目标。

四、结 语

引滦入津工程供水泵站运行以单级泵站提水工况为主，其中又以尔王庄暗渠泵站运用最为频繁，将泵站优化调度模型运用至各泵站后，优化节能率即可转化为泵站相应节约的耗电量或电费。从计算结果得出，尔王庄暗渠泵站平均节能率为6%，大张庄泵站平均节能率为5.9%，潮白河泵站平均节能率为7.4%。以尔王庄暗渠泵站为例，供水量约120万～180万m3/d，运行功率 1 600～2 800 kW，按节能率6%计算，一年节省电费2 200×24×365×6%×0.80=92.5 万元。 同时，采用泵站优化运行方案后，提高了机组运行效率，减少了机械耗损，延长了检修周期，间接节省了检修费用。泵站优化调度模型可利用计算机进行优化计算，并通过现代化的控制工程使供水系统处在最佳工作状态，这样既可以安全可靠地满足供水需求，又能通过建立供水调度管理系统实现供水系统优化的自动化，从而实现大幅度节约人力成本、节能降耗的目标。当然，引滦入津工程三大泵站的优化调度工作需要统筹考虑，还需要很多的基础工作作为支撑。

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