梯级泵站输水系统运行效率优化的方案探究

李文慧马华明/.宁夏固海扬水管理处 .宁夏水利电力工程学校

梯级泵站输水系统运行效率优化的方案探究

李文慧1马华明2/1.宁夏固海扬水管理处 2.宁夏水利电力工程学校

大型梯级泵站输水工程是一项庞大而复杂的系统。梯级泵站输水系统运行效率集合各种运行指标，对输水费用产生直接影响。分析梯级泵站输水系统运行效率影响因素，阐述了有关的数据函数，基于此，构建系统运行效率优化模型，把不同影响因素作为决策变量，实现梯级泵站输水系统运行效率的最优化，结合水工程实例，分析优化结果，这种优化模型能显著提升系统运行效率，是一种较为经济的运行方式。

梯级泵站；输水系统；运行效率；优化模型

对梯级泵站输水系统运行效率优化，文章提出一些决策变量，如流量、级间水位等构建了系统运行效率优化模型，清楚梯级间水力优化运行方案和不同泵级对应的运行方案，保障了系统的高效运行。文章以代表性工程作为实际案例，相比传统的运行方案，使用这种优化运行方案，极大提升了系统的运行效率。因为系统在很长一段时处于运行状态，会创造可观的经济效益。

1梯级泵站输水系统运行效率

1.1 探析梯级泵站输水系统结构

本输水系统主要动力来源于电力，途径泵站，实现不同级别间的提水，不同站别间，通过闸门、栏污栅和渠道等为水工建筑提供水源。所以，划分梯级泵站输水系统，可以分成两个子系统，泵站和输水，两者关系十分紧密，两子系统相互作用下，形成了系统的运行。分析影响两子系统的运行因素，相应提出了两者的概念和表达式，基于此，将两者有效联系起来，从而将梯级泵站输水系统运行效率定义和公式提了出来。

1.2 梯级泵站输水系统运行效率、输水子系统效率、泵站子系统效率

如果系统在平衡状态下，基于输水子系统与泵站效率，将二者的有关梯级提出-泵站输水系统运行效率指标。对梯级泵站输水系统运行效率，其定义可以理解为，途经多泵站子系统，提高输水子系统传输，当进入目的后，获得的净能量与各级泵站消耗总能量的比值,和泵站子系统效率乘以输水子系统效率是等同的。输水子系统效率是输水状态指标的反应，如，闸门和栏污栅等。输水子系统效率，也即是水体经泵站在提高后，途径一些设备，如，闸门和栏污等，实现输送的目的，最终得到的净能量和不同级别泵站，提高水体耗损的总能量比值，结合水量损失与级间水力等考虑条件，可以分成不同的情况进行探究。文章探究的对象只是水量损失与级间无分水任务，只控制水流损失条件，计算输水子系统效率。泵站子系统效对不同系级别泵站运行提供综合性评估，基于单级别泵站运行效率，结合不同泵站效率，给出泵站子系统效率的定义和公式。对泵站子系统的效率，可以这样理解，在各级泵站提升的基础上，获得的总能量与消耗能量间的比值。

2.梯级泵站输水系统运行效率如何优化

2.1 构建梯级泵站输水系统运行效率优化模型与单级泵站效率优化模型

把系统运行效率最终优化目标，基于单级泵站效率优化，把流量与级间水位作为决策变量，结合不同梯级间水利耗损等条件，构建梯级泵站输水系统运行效率最优模型，明确梯级间水力泵站内优化运行方案。当流量与扬程确定后，把最优目标定为单级泵站效率，基于抽水装置性能计算，把为决策变量定为不同抽水装置分配流量，符合出水池水位与泵站进等限制性条件，构建单级泵站效率优化运行模型,明确泵站内不同抽水配置优化运行方案。

2.2 计算模型

在大系统分解协调理论的基础上，根据系统结构与优化需求，第一，应将梯级泵站输水系统分为不同的小规模的结构简单的系统;第二，在区间离散的动态规划算法的基础上，寻找最优化的各子系统，确保各子系统的优化；结合系统总目标与任务，协助各子系统完成协调性工作[1-2]。

2.2.1 模型构造

首先，分解对梯级泵站输水系统优化模型;其次，相关模型的构建。各分系统有效联系。另外，在模型优化过程中，还包含了三个层面的决策问题，其中第一个层面是梯级间水位组合优化：也就是特定的流量和梯级净扬程，把系统运行效率作为最优化目标，符合出水池水位和泵站进等限制性条件，分配梯级净扬程任务，为输水子系统与泵站子系统，不同梯级间水位进行优化组合。单级泵站内不同抽水装置运行方案优化处在第二层决策中：在第一层决策的基础上，通过分配进入到不同站级流量和扬程，将输水任务配置到不同抽水装置，确保最优化的泵站内部效率。系统输水流量的优化处在第三层决策中，就是基于第一、二层决策，三层决策共同构成统一体,相互协调，实现最终目标。

2.2.2 在区间离散的动态规划基础上求解

当前，对系统运行效率优化模型，最为常用的一些求解方法主要有下述几种情况：遗传算法和动态规划法等。文章在区间离散的动态规划法的基础上计算,动态规划法是一种较为普及的数学运算方法，适合用在系统不同级别间的分析和决策中，将复杂的问题详细化,分层级进行求解，通常动态规划法的计算点不集中，如果最优决策点没有处在特定状态，导致漏掉,使离散点产生指数不断增长[3-4]。为了防止出现这种情况，针对状态变量，使用区间离散代替点离散能将这一问题有效解决。

3梯级泵站输水系统运行效率优化

3.1 工程案例

工程施工段韩庄运河段工程，是南水北调工程之一，沟通了南四湖输水干线和赂马湖输水干线。项目工程利用独特地理优势，如韩庄运河中水源输入的特征，途径了台儿庄、万年闸等一些新建工程，把骆马湖水源输送到南四湖下级湖，工程输水规模125m3/s，结合泵站，可将输水渠道划分成下述几种类型：万年闸-韩庄段与台儿庄-万年闸段，相应长度分别为16km和15km,其中，韩庄泵站、万年闸和台儿庄都配置了4台机，当前未投入运行，各泵通过模型装置效率的换算，能得到站水泵装置效率。结合拦污栅等设施和现有测量资料，进行水利模型的构建。计算不同水池的水位、上下梯级间水位流失状况，文章把台儿庄-万年闸渠段作为探究的例子。

3.2 优化结果

构建系统运行效率优化模型并投入实践中，优化计算韩庄段梯级泵站输水系统后，获得上下梯级输水系统的优化参数，在输水流量一定的情况下，梯级泵站输水系统最佳运行效率，和相应梯级间水力优化措施，梯级泵站内部优化实施方案。以代表工程为准：台儿庄站地下水位21.7m，韩庄站地上水位为33.2m,梯级净扬程11.4m,输水流量126m3/s。

3.3 分析结果

还是以上述代表工程为探究对象，结合优化模型，计算地水位和低下水位，输水流量不同，输水子系统效率与梯级泵站输水系统运行效率有必然关系，输水子系统效率直接对梯级间水力损失产生影响;泵站子系统效率和不同抽水装置能量损失有很大关系，相应计算不同水流量条件下，水流总损失占系统总输入的百分比，对比两者系统运行效率的影响大小。在水流量不同情况下，梯级间水力损失和泵站抽水装置损失影响运行效率。最佳系统运行效率需两者相互协调。当流量增加时，梯级间水力损失随之增加，影响系统运行效率，呈上升趋势。确定流量高效区间，控制系统上下级水位不变，和流量相应梯级泵站输水系统优化运行效率均有差异，系统能达到的最大运行效率为70.2％，相应输水流量为61m3/s;运行最低效率64.0％,相应输水流量109m3/s,两者相差5.8％，为此，选择恰当输水流量区间很有必要[5]。

4. 结束语

随着流量增大，这种影响将逐渐上升，所以，工程设计并投入实践运行，基于提升不同泵站内运行效率，对引起梯级间水力损失的影响因素应切实重视，采取有效应对措施，将水力损失降低最低，如栏污棚能的提升就是不错的方法。梯级净扬程处于一定条件时，梯级泵站输水系统运行效率和输水流量有很大关系，在调度实践中，结合系统运行效率与流量关系，考虑输水计划，制定有效的输水流量方案。

[1]冯晓莉，仇宝云，杨兴丽，等•大型复杂并联梯级泵站系统运行优化研究[J].水利学报，2012,43(9):1058-1065.

[2]龚菇，程吉林，张仁田，等.并联泵站群日优化运行方案算法![J].扫滩机械工程学报，2011,29(3):230-234.

[3]俞亭超，张士乔.基于遗传算法洪水系统优化调度模型闭.系统工程理论与实践，2005,25(12):88-95.

[4]孙晓君.基于MATLAB的动态规划逆序算法的实现[J].纺织高校基础科学，2002,15(1):38-41.

[5]桑国庆,曹升乐,郭瑞,官庆朔,白咸勇.梯级泵站输水系统运行效率优化模型[J].系统工程理论与实践,2014,(08):2179-2185.