安徽省淮水北调工程固镇泵站运行优化研究

吴耀光 宋正明

（安徽省怀洪新河河道管理局（安徽省淮水北调工程管理中心） 蚌埠 233060）

1 工程概况

安徽省淮水北调工程是国务院确定的172 项节水供水重大水利工程之一。工程兼有工业供水、灌溉补水和生态保护等显著综合效益，可有效缓解淮北、宿州两市水资源短缺现状，保障区域供水安全，减少中深层地下水超采，促进皖北地区社会经济可持续发展。固镇泵站为淮水北调工程的第二级提水泵站，总装机容量8800kW，设计抽水流量36m³/s，装机4 台套（3 用1 备），其中水泵为1950HLQ13.2-12.8 型立式全调节混流泵，配套TL2200-28/3250 立式同步电机，单机功率2200kW，额定转速214.3r/min。

2 泵站运行优化思路

泵站优化总体思路是对固镇泵站的控制系统进行功能优化升级，在满足安全运行的要求上，通过集成运行算法优化泵站的运行效率，生成优化控制指令自动调节水泵叶片角度，以达到能耗最低的目的，实现泵站的高效、经济运行。

固镇泵站建设期间，受项目法人安徽省治淮重点工程建设管理局委托，江苏大学进行了“安徽省淮水北调工程固镇站水泵装置优化开发与试验研究”，试验研究单位根据泵站规划参数以及初步推荐的水泵模型，通过装置模型试验确定原型泵在固镇泵站运行中的各项参数，为泵装置选型提供依据，并通过CFD 仿真计算对进出水流道进行优化设计，验证泵装置能够满足固镇站的设计要求，在不同特征工况下可安全、稳定地运行。在该研究成果基础上，结合神经网络算法，泵站运行优化以泵站机组运行能源单耗低为优化目标，依据水泵特性曲线，结合上下游水位条件和当前机组运行状态，采用大数据及系统工程的分析方法，对泵站内的机组运行方案进行综合分析比较，运用数学分析手段确定水泵叶片角度最优解，并通过工控系统自动调节水泵叶片角度实现运行优化。

通过该研究，可以实现科学合理优化泵站运行，在满足用水需求、保障供水安全的前提下尽可能提高泵站运行效率，降低能耗，减少运营成本，提高泵站运行过程中的技术水平和管理水平，探究新形势条件下泵站运行管理的新模式。

3 优化技术路线及算法

3.1 技术路线

泵站运行优化研究实质是对水泵机组的控制调节优化，是一个具有复杂约束条件的非线性优化问题，处理过程较为复杂。水泵机组的控制调节优化一般要求在一个调节周期内（一般为24h），根据站前后水位和流量需求、开停机组数限制等约束条件，对各运行时段内的机组运行工况进行优选，决定机组的组合方式和开停时间，使得调节周期内的总能耗为最小。研究技术路线如图1 所示。

图1 研究技术路线图

3.2 优化运行算法

3.2.1 数学模型的建立

针对泵站优化运行机组运行能源单耗最低目标，从当前监控系统实时获取水泵轴功率、水位扬程、实时流量、叶片角度等相关数据，根据机组运行效率的计算模型，推导出能源单耗最低条件下的叶片角度。

式中：η—机组效率；ρg—水的密度×重力；Q—流量；H—扬程；p—输入功率。

根据水泵提供的水泵性能曲线，用最小二乘法拟合出水泵每个叶片角度的流量与扬程的数学表现形式：

式中：Hθ—叶片角度为θ 度时的水泵扬程（m）；Aiθ—拟合出的表达式系数；Qθ—叶片角度为θ 度时的水泵流量（m³/s）；K—拟合出的表达式最高方次；θ—水泵叶片角度。

同时，Hθ=Hj+S×Q2θ

式中：Hj—泵站实际扬程（m）；S—泵站总水头损失系数。

它依赖于流道水头损失的试验实测数据，拟合方式同上。

固镇泵站优化运行以能源单耗最低为目标，它是反映泵站调度水平的综合参数，其本质是泵站的装置效率最高。

式中：e—能源单耗，即水泵每提1000m³水扬高1m 所消耗的能量，kW·h/（kt·m）；E—泵站运行某一时段消耗的总能量（kW·h）；Hst—同一时段泵站平均扬程（m）；t—同时段泵站的提水运行总时数（h）。

3.2.2 人工神经网络法寻最优解

采用人工神经网络法对历史数据按照一定结构构建的人工神经网络进行学习，神经网络学习的实现主要包含四个过程：

（1）信号的正向传播。对输入的信号进行前向处理，从输入层输入样本信息，经隐藏层处理后传输到输出层，输出层处理完毕后输出网络计算结果。

（2）误差的反向传播。该过程是对网络的权值和阈值进行调整，通过将正向传播时的网络输出结果与期望输出进行比较，若误差较大，则误差通过输出层，按照梯度下降的方式，逐步修正各层权值。

（3）训练过程。通过不断地训练得到输出结果与期望输出之间的误差，并据此对网络权值和阈值不断进行修正，使输出结果不断向期望输出进行逼近，直至误差满足要求。

（4）收敛过程。该过程是建立的神经网络逐步达到收敛的过程，即全局误差不断缩小，输出结果非常逼近期望输出。

优化模型通过实时采集的约束条件数据输入，根据结合泵组效率和流量、扬程的关系所建立的数学模型进行数据分析，再经人工神经网络学习训练，获得并输出叶片角度最优解。

优化后的运行初期，泵站运行优化模型使用水泵厂家提供的水泵性能曲线来建立优化分析模型，当经过一定周期的稳定运行后，获取到足够的历史数据时，可对此历史数据进行过滤处理，再通过数据拟合，对原优化分析模型的系数进行率定，进一步提高优化精度。

4 优化控制执行

优化控制的执行是按照设定的自动控制调节触发条件，程序将最优解输出值转为计算机监控系统控制指令，传输至叶片调节机构，动态变化调整叶片角度，以此实现效率最高、机组能耗最低的控制目标。

具体为基于当前已有的计算机监控系统，在现有上下位机中进行改造升级，在保留原自动控制功能不变的情况下，在上位机界面中增加优化运行算法对应的配置和参数设定界面，结合原人机交互方式，优化增加对新执行优化控制的交互，以减小对原有操作习惯的改变。主要是通过调整调节运行方式，在原人工调节基础上增加自动调节，可以结合不同运行场景，由操作人员选择适宜的模式进行自动调节控制。在调水初期，需要泵站以较快速度充盈输水河渠，实现梯级泵站联动运行，此时宜选择流量最大模式；当梯级泵站进入较平稳的联动状态后，即转入能耗最低模式，结合当前的上下游水位、水泵的特征曲线、已开启的泵组数量，反馈给计算机监控系统运算，取得当前机组叶片角度的最优解，自动调整机组叶片角度和各泵的运行状态，实现泵站始终在较低能耗也即较高效率状态下持续运行。

为延长设备使用寿命，避免调节机构动作频繁，叶片角度调整频次不宜过高。在调水较为连续平稳，站前后水位变化不大时，可以通过优化叶片调节设置，选择在水位变化幅度、调节间隔时间等不同条件下进行自动调节，在满足触发条件时即进行优化模型分析并自动进行调整，以保证机组运行状态始终符合运行要求。

固镇泵站开停机流程要求叶片角度在-6°满足开机条件，-2°满足停机条件，因此保留直接输入叶片角度的原计算机监控系统的人工调节控制方式，以配合开停机操作。

为满足优化运行需要，对现有计算机监控系统的主要改造工作有：

（1）四台机组LCU 柜对应的PLC、触摸屏程序优化调整。

（2）为配合机组LCU 柜程序优化而需要增加或优化的信号线。

（3）上位机界面对应需要增加、优化的界面和功能，以及需嵌入的优化模型。

（4）为配合优化运行模型，对历史数据库的优化和改造。

（5）对原有淮水北调计算机远程监控系统涉及固镇泵站此次优化运行而增加部分的参数界面等部分进行调整。

5 结语

泵站的运行优化是一个较为复杂的体系，涉及多个学科的研究内容，且相互之间具有一定的交叉，是一个理论性和实践性都较强的研究课题。本文在水泵效率曲线的基础上，采用计算机寻求最优解算法计算最优效率时叶片角度，并通过对泵站控制系统进行功能改造升级，在满足当前自动化控制的前提下优化泵站的运行模式，以达到抽引流量最大或能耗最低的目的。因此，利用大数据分析技术优化泵站控制系统，提升泵站整体运行效率，满足泵站运行稳定性要求具有重要的现实意义。通过固镇泵站优化研究，拓展泵站运行优化的控制运用方式，具有显著的理论及实践价值■