变频调角双调节轴流泵机组在大型泵站中的优化运行研究

侯国鑫，刘梅清，梁 兴，吴远为

(1. 湖南省洞庭湖水利工程管理局， 长沙 410007；2. 武汉大学动力与机械学院，武汉 430072；3. 南昌工程学院，南昌 330099)

0 引 言

为解决实际供水、排涝、灌溉等问题，国内外修建了大量泵站，在其实际运行中，往往存在着效率不高，能量消耗大等问题。如何提高泵站工程的运行效率，降低其运行能量消耗，使其能够安全且经济的运行是一个重要的课题，开展泵站优化调度研究是解决以上问题的有效的非工程性措施之一。譬如，文献[1]中考虑了渠道水力损失的因素，以梯级泵站系统日运行费用最小为目标函数建立梯级泵站优化调度模型，结果表明该模型优化结果改变显著，能有效降低运行费用。文献[2]考虑蓄水量、输水线路水头损失、流量平衡和总扬程等约束条件，建立优化调度经济运行模型，以单位输水成本最小为目标，采用动态规划算法进行全局优化。文献[3]以3个调蓄湖泊及9个泵站群为研究对象，对建立的多水库水资源联合调度模型进行仿真计算。文献[4]以引水系统效率最高为优化目标，对流量进行平衡匹配计算，为泵站优化调度提供技术支持。文献[5]研究转速对立式轴流泵的能量性能的影响进行研究，为变速工况下轴流泵装置能量特性的精准预测提供了参考。文献[6]根据泵站扬程确定最佳的叶片安装角，实现泵站的经济运行。另外，随着智能控制算法的发展，许多学者运用遗传算法[7,8]、蚁群算法[9]、人工蜂群算法[10]等优化算法对泵站优化运行问题进行求解。

本文采用粒子群算法，针对湖南某泵站开展优化调度研究，建立变频调角双调节轴流泵优化调度模型，开展了大量工况的优化研究，为泵站制定科学合理的运行方案提供了有力的理论支持。

1 泵站基本情况介绍

湖南某泵站，改造后水泵台数为4台，型号为1200ZLQ-85立式全调节轴流泵，叶片角度范围-6°～+4°，设计工况流量3.63 m3/s，设计工况扬程8.11 m，设计工况角度2°，单机功率400 kW，电机转速采用双速，低速490 r/min，高速730 r/min。

2 优化调度模型

以调度周期内耗电量最低为控制目标：

(1)

式中：p为调度周期内泵站耗电量；Hst(i)表示第i个时段下的泵站静扬程；ρ表示水的密度；g为重力加速度；q(i)表示第i个时段下的站流量，且假定相同时段下该站所有运行的机组流量相同；T(i)表示第i个时段下的运行时长；η(i)表示第i个时段的水泵在不同转速下最高效率。其中流道损失按照0.106Q2计算。

优化调度约束条件如下。

(1)计划排水量约束：

(2)

式中：S为调度周期内计划排水量。

(2)单泵流量约束：

qmin≤q≤qmax

(3)

式中：qmin和qmax代表单泵的最小和最大允许站流量。

(3)单泵扬程约束：

Hmin≤H≤Hmax

(4)

式中：Hmin、Hmax分别代表水泵最小、最大扬程。

(4)叶片角度调节约束。

αmin≤α≤αmax

(5)

式中：αmin和αmax代表泵站水泵的最小和最大叶片调节角度。叶片角度按照最小调整角度为0.5°进行优化计算。

(5)转速约束。水泵转速只有490、730 r/min等两种转速。

3 粒子群算法

3.1 基本算法简介

在粒子群算法(PSO)中，如果解是J维的，那每个J维的粒子都可被视为优化问题的一个潜在解，它由适应度函数评估其当前位置的优劣，而粒子群则是解空间上的一个子集，它通过粒子的“飞行”来完成对解空间的搜索，以确定最优解。“飞行”的粒子，不仅具有初始速度，而且还能够记忆其最佳的位置，同时可以获知整个粒子群的最佳位置。

(6)

(7)

3.2 优化调度计算流程

计算流程图见图1。

图1 计算流程图

4 实例分析

王家湖泵站水泵运转特性曲线如图2所示，王家湖泵站静扬程可以区分为7 m以下，7～9 m和9 m以上等低、中、高3种扬程情况。由于不同静扬程下，水泵运行范围差异性较大，显然，水泵双速调节可能在中等扬程范围内存在。由于王家湖泵站改造后运行参数较少，本文拟按照低扬程(静扬程范围2.5～7 m)、中等扬程(静扬程范围7.5～9 m)和高扬程(静扬程范围10～22 m)等3种状态，并匹配日排水量120、100、90、80、70和60 万m3等，分每日3时段条件(即每隔8 h调整一次)和每日4时段调节(即每隔6 h调整一次)对王家湖泵站整个运行情况进行调度分析。其中，内江水位当日零点时选取26.6 m，24点时取27.0 m，内江水位成线性变化，外江基本水位取内江水位均值26.8 m+静扬程，为更加贴合水位变化实际，在外江基本水位基础上再计入较小的随机波动值(0.1 m以内)，工况总计163种(如表1所示)。

图2 王家湖泵站水泵运转特性曲线

表1 优化调度计算工况表

综合对比163种工况下，3阶段操作和4阶段操作优化结果，两者耗电量基本一致，最大相差仅0.08 万元，考虑到3阶段操作相对简单，故建议采用3阶段操作(如表2所示)。在此基础上，分析静扬程、日提水量等对操作的影响。

表2 不同工况下最优操作方案(3阶段)

图3表明，在低扬程范围内，转速均按照490 r/min运转，在相同的日提水量下，随着静扬程的增加，耗电量逐步增加。在相同静扬程下，随着日提水量的增加，耗电量逐步增加。在高扬程范围内，转速按照730 r/min运转，静扬程、日提水量等对操作的影响与低扬程范围类似。

图4表明，在低扬程范围内，转速均按照490 r/min运转，在相同的日提水量下，随着静扬程的增加，平均开机角度快速增加。在相同静扬程下，随着日提水量的增加，平均开机角度逐步增加。在高扬程范围内，转速按照730 r/min运转，角度变化与低扬程类似。

在中等扬程范围(静扬程7.5～9 m)内，水泵运转情况比较复杂。在日提水量120 万m3、静扬程8.0 m左右，泵站宜采用高低转速匹配运行，当扬程降低时，水泵趋于采用低速运行，当扬程增加时，水泵趋于采用高速运行。另外，在该范围内当日排水量减小时，水泵趋于采用低转速运行，反之，则向高转速运行。

5 结 论

(1)在相同条件下，3时段操作和4时段操作耗电量相差较小，考虑到运行操作的简单性，建议采用3时段操作方案。

(3)在相同的日提水量下，随着静扬程的增加，耗电量逐步增加，平均开机角度快速增加。在相同静扬程下，随着日提水量的增加，耗电量逐步增加，平均开机角度逐步增加。

(3)在低扬程范围内，水泵转速采用490 r/min运转；高扬程范围内，水泵转速采用730 r/min运转。在日提水量120 万m3、静扬程8.0 m左右，泵站宜采用高低转速匹配运行，降低静扬程或日排水量，则水泵运行转速偏向490 r/min时，效率较高；反之则向730 r/min偏移。