南水北调东线单级泵站日经济运行研究

马兆龙，桑国庆，张　林

（1.南水北调东线总公司，北京 100053；2.济南大学 资源与环境学院，山东 济南 250012；3.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250014）

南水北调东线单级泵站日经济运行研究

马兆龙1，桑国庆2，张林3

（1.南水北调东线总公司，北京 100053；2.济南大学 资源与环境学院，山东 济南 250012；3.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250014）

【摘要】针对南水北调东线典型变频调速泵站，利用现有水泵装置模型试验数据，分析抽水装置扬程～流量～转速～效率之间的关系，在此基础上利用动态规划法建立了单级泵站日优化运行调度模型，以日运行费用最小为目标，寻求最优的日运行调度方案，确定各个时段内各机组的开机组合及运行方案。并以南水北调东线韩庄泵站为例进行了优化计算，结果表明泵站优化运行方案与现状方案相比，可有效降低运行电费。

【关键词】南水北调；泵站效率；分时电价；优化运行

近年来，为缓解北方水资源短缺的状况、促进水资源优化配置，我国修建了一大批跨流域梯级泵站输水工程。其中泵站是工程的核心部分，能耗及运行费用较大。因此，相应地运行节能的需求和潜力也很大。

大型提水泵站一般采用计划配水方式，提前根据受水区各分水口门的需调水量，结合总干渠的过流能力制定日供水计划。泵站日运行方案的优化是泵站经济运行的核心环节。

1　抽水装置性能特性分析计算

针对南水北调东线变频调速泵站，根据现有水泵装置模型试验数据，进行相似换算得到水泵装置的性能数据，采用B样条曲线拟合方法，得到水泵原型装置的综合特性曲线。在此基础上计入电机效率和传动效率，得到泵站抽水装置的综合特性曲线，为泵站优化运行提供基础数据。

1.1抽水装置效率

抽水装置效率的计算可在水泵装置效率的基础上考虑电机效率和传动效率，抽水装置效率计算公式：

1.2水泵装置工况点确定

水泵转速调节工况点计算原理见图1。设水泵装置在n1和n2转速下的Q~H曲线上相似点为A1和A2，将水泵装置各个转速下Q~H曲线上等效率点的连线为一条通过坐标原点的二次抛物线，记H=kQ2为给定A点的扬程和流量，即可确定出k值，从而确定出通过A点的等效率曲线。求出等效率曲线与已知转速n1下Q~H曲线的交点A1（Q1，H1，η1，n1），则A点的效率和转速分别为：η=η1；n=（Q/Q1）·n1。

图1　水泵转速调节工况点计算原理图

2　单级泵站日经济运行模型构建

2.1单级泵站日运行费用计算

本文中的日运行费用指泵站抽水装置正常运行所需的电费其表达式为：

2.2单级泵站日经济运行模型

泵站日抽水总量一定，以日运行费用最小为目标，以各时段泵站内各机组叶片角度（转速）为决策变量，考虑分段计时电价及扬程变化，求解泵站一天内各时段的流量分配及对应的泵站内部运行方案（开关机台数、叶片角度、转速），优化模型如下：

1）目标函数

2）约束条件

2.3模型求解

采用基于离散区间的动态规划法对各模型的优化决策问题进行求解。一般动态规划法的计算点是离散的，当相邻阶段决策点离散步长不等时，可能导致给定某一状态没有决策组合，从而导致离散点呈指数倍增长。为避免这一问题，对状态变量采取区间离散代替点离散的方法。

3　韩庄泵站日经济优化运行实例

3.1韩庄泵站概况

韩庄泵站枢纽工程位于枣庄市峄城区古邵镇八里沟村西，韩庄运河桩号4+200处。韩庄泵站装机5台，其中备用1台，泵站设计（最高）扬程4.15m，最低扬程2.25m。单机设计流量为31.5m3/s。水泵采用10kV高压变频电机驱动，工频转速125r/min，电机功率2000kW，泵站总装机容量10000kW。

韩庄泵站输水采用计划调水模式，以1d为一个调水循环周期，考虑分时电费循环及扬程变化因素，将1d内划分为4个时段，时段扬程及电费变化情况见表1。

根据现有韩庄泵站水泵模型装置性能数据，根据第1节方法可得泵站抽水装置扬程-流量-效率和扬程-流量-转速性能数据，并作为优化计算基础数据。

3.2单级泵站日经济运行方案计算及分析

选取典型工况如下：韩庄泵站日输水总量要求范围在（950×104～960×104m3）区间，根据优化模型计算出的韩庄泵站各时段流量分配，以及各机组优化运行方案见表1，表2。

4　结语

1）日输水总量一定的情况下，

各时段内的电价、输水流量、扬程及泵站效率是影响泵站日运行费用的主要因素。其中，由于不同时段电价差别较大，相比泵站效率及扬程变化，分时电价是影响时段内流量分配及日运行费用的主要因素。

表1　韩庄泵站各时段流量优化分配方案

2）当日输水总量、扬程变化一定时，通过优化运行可显著降低运行费用。以文中列举的典型工况为例，优化后韩庄泵站日单位运行费用为0.009元/m3，较优化前降低了12%。

3）文中所采用的抽水装置效率是由水泵装置模型数据经换算得出，下一步应在实际运行中逐步采集抽水装置运行的工况点参数，对其性能进行校核，保证优化方案的可靠性。

表2　韩庄泵站1天内各时段机组优化运行方案　

（责任编辑 赵其芬）

【中图分类号】TV68

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2015）-03-0032-02

基金项目：“十二五”水专项2012ZX07205-005）

收稿日期：2015-01-22

作者简介：马兆龙（1982—），男，工程师