李繼明，周志華

（1.天津市水務(wù)局引灤工程管理處，301900，天津；2.天津市水利科學(xué)研究院，300061，天津）

引灤入津工程于1983年9月建成通水，是當(dāng)時全國最大的城市供水工程，包括引水、供水、蓄水、凈水和配水等綜合性的系統(tǒng)工程群體，由引水隧洞、河道、水庫、泵站、明渠、暗渠、水閘等200多項(xiàng)工程組成，全長234 km，年供水量5.7億m3，最大供水能力50 m3/s。截至2012年10月，已累計(jì)向天津供水224.3億m3，為天津社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高作出了巨大貢獻(xiàn)，被譽(yù)為支撐天津經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“生命線”。

引灤潮白河泵站、爾王莊泵站和大張莊泵站為引灤入津工程下游的三級提升泵站，在引灤日常供水過程中起到了抬高水頭和水源調(diào)配的作用。在實(shí)際運(yùn)行過程中，引灤三大水泵機(jī)組大多是按照機(jī)組出廠的性能參數(shù)來運(yùn)行，由于運(yùn)行時間和日常損耗等原因，實(shí)際運(yùn)行工況均有了很大改變，同時泵站機(jī)組運(yùn)行還受前后池水位、功率因數(shù)等因素綜合影響，如果僅僅依靠管理運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)度，很難做到節(jié)能降耗和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。僅以引灤入津工程爾王莊管理處下轄的泵站為例，考慮年供水5.2億m3，耗電多達(dá)4 000萬kWh，若按0.8元/kWh計(jì)算，年電費(fèi)支出就達(dá)3 200多萬元。如何達(dá)到泵站運(yùn)行管理最科學(xué)、最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能已成為引灤工程管理部門迫切需要思考和解決的問題。

一、優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

目前引灤沿線三級提升泵站均為立式軸流泵，裝機(jī)容量大，額定功率小，水位變化相對于額定揚(yáng)程來說較大，機(jī)組運(yùn)行極易偏離高效區(qū)。同時，由于泵站抽水流量大部分時間小于裝機(jī)流量，因此，均設(shè)有葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)，隨著葉片角度的變化，軸流泵的流量、揚(yáng)程、功率也隨之改變。在滿足所需抽水流量的前提下，可根據(jù)實(shí)際揚(yáng)程，以泵站裝置效率最高為目標(biāo)，確定水泵葉片角度和開機(jī)臺數(shù)，其優(yōu)化調(diào)度基本流程見圖1。

二、泵站優(yōu)化模型理論

通過選取合適的水泵機(jī)組以及葉片角度的合理調(diào)節(jié)，使整個泵站處在高效運(yùn)行狀態(tài)，既能滿足所要求的流量和揚(yáng)程，又使水泵效率盡可能得到提高。因此，泵站優(yōu)化問題可描述為在已知泵站出口揚(yáng)程和流量需求的條件下，確定水泵并聯(lián)運(yùn)行的臺數(shù)、機(jī)組組合和調(diào)節(jié)葉片的角度，使消耗的功率實(shí)現(xiàn)最小化。其模型求解方法如下：

1.模型求解流程

單級泵站的優(yōu)化調(diào)度是在確定的供水工況下（前池、后池水位和供水總流量已定）尋求最佳運(yùn)行方式。在同一工況下，泵站各機(jī)組揚(yáng)程一致，泵站優(yōu)化問題即為尋求最優(yōu)機(jī)組組合，并優(yōu)化機(jī)組流量分配及工作葉角，使得完成工況任務(wù)耗能最少的問題。首先根據(jù)機(jī)組供水總量及單個機(jī)組供水量和功率上限計(jì)算出所需最少開機(jī)臺數(shù)，在葉片角度離散化處理基礎(chǔ)上，運(yùn)用排列組合算法計(jì)算各機(jī)組不同組合情況下的耗能；對某一機(jī)組組合情況下能耗的計(jì)算采用遺傳算法，取各機(jī)組流量分配為基因，依據(jù)測得的性能曲線，通過插值算法得出在該揚(yáng)程和流量下機(jī)組運(yùn)行的效率和葉角，進(jìn)而計(jì)算功率，通過遺傳算法優(yōu)選出各機(jī)組最優(yōu)流量分配，使得機(jī)組總能耗最小。

2.基于遺傳算法的優(yōu)化求解

遺傳算法的運(yùn)行過程為一個迭代過程，涉及5個主要因素或環(huán)節(jié)，即編碼、初始群體設(shè)定、適應(yīng)度函數(shù)的定義、確定遺傳操作和設(shè)定控制參數(shù)，遺傳算法求解流程圖見圖2。

①參數(shù)編碼。根據(jù)泵站機(jī)組優(yōu)化調(diào)度問題的特點(diǎn)，采用浮點(diǎn)編碼。染色體基因取各機(jī)組分配流量，染色體基因個數(shù)由機(jī)組開機(jī)臺數(shù)確定。把泵站機(jī)組在某工況下各開機(jī)機(jī)組的流量用其流量邊界范圍內(nèi)的浮點(diǎn)數(shù)表示，初始母體群的產(chǎn)生取各機(jī)組流量分配的均值。

②適應(yīng)度函數(shù)建立。泵站優(yōu)化調(diào)度由機(jī)組總功率作為適應(yīng)度函數(shù)。通過已知的泵站各機(jī)組流量、揚(yáng)程、效率，運(yùn)用公式求解相應(yīng)的泵站總功率，該步驟需增加各機(jī)組功率上限的約束條件，若不滿足約束條件，則利用懲罰因子使其適應(yīng)度最小以便被淘汰。

③選擇策略。泵站機(jī)組優(yōu)化調(diào)度模型采用標(biāo)準(zhǔn)化幾何分布規(guī)律計(jì)算個體遺傳概率，采用輪盤賭算法選擇優(yōu)良個體保存。

④交叉策略。泵站機(jī)組優(yōu)化調(diào)度模型中交叉算子采用算術(shù)交叉算子。算術(shù)交叉是針對浮點(diǎn)數(shù)編碼的一種交叉方法，是指由兩個個體的線性組合而產(chǎn)生出兩個新個體。

⑤變異算子。變異操作采用非均勻變異操作，即各代參與變異操作的染色體變異量是非均勻變化的。

⑥最優(yōu)保存。為提高遺傳算法的運(yùn)行效率，保障其收斂性，確保群體中適應(yīng)度較好的個體遺傳到下一代，采用最優(yōu)保存策略方法進(jìn)行優(yōu)勝劣汰操作。即按比例備份當(dāng)代最優(yōu)個體群，并與下次迭代產(chǎn)生的最優(yōu)個體群做對比，兩者擇優(yōu)保留。

⑦控制參數(shù)的選取。遺傳算法控制參數(shù)主要包括種群規(guī)模、選擇概率、交叉概率和變異概率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主要控制參數(shù)交叉概率Pc取值范圍一般為0.6～0.95，變異概率Pm取值范圍為 0.001～0.01。

⑧收斂條件確定。泵站優(yōu)化運(yùn)行收斂條件采用最大進(jìn)化代數(shù)與收斂不等式相結(jié)合的方法。

三、單級泵站優(yōu)化實(shí)例

以引灤入津工程爾王莊暗渠泵站為例，闡述運(yùn)用上述優(yōu)化模型對泵站運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化前后的對比情況，分析模型建立的合理性。

1.工程概況

引灤入津工程爾王莊暗渠泵站現(xiàn)裝有10臺1400ZLQ6-7型立式全調(diào)節(jié)軸流泵，單臺設(shè)計(jì)流量為5.8m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為7 m，角度調(diào)整范圍為-6°～+4°。 10臺水泵中#2—#6是溢流堰式，#8—#10是壓力箱式，#1泵出水直接進(jìn)入?yún)R流槽，與過溢流堰水流成90°角交匯，#7泵出水由閘門和電動蝶閥控制，可通過溢流堰到匯流槽，也可直接進(jìn)入壓力箱。通常運(yùn)行工況是7臺運(yùn)行，2臺備用，1臺檢修。

2.機(jī)組特性曲線擬合

爾王莊暗渠泵站各機(jī)組裝機(jī)型號雖然相同，但經(jīng)過多年運(yùn)行使用，各機(jī)組的性能早已發(fā)生了不同程度的改變。依據(jù)10臺機(jī)組的性能測試數(shù)據(jù)（選用1998年效能測試數(shù)據(jù)，并用2011年測試數(shù)據(jù)修正），繪制出#1—#10水泵按照不同葉角擬合的流量-揚(yáng)程分布曲線、效率-揚(yáng)程分布曲線。結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)水位范圍下、裝置揚(yáng)程相同時，10臺機(jī)組在相同角度下運(yùn)行，單機(jī)出水量和裝置效率相差很大。

圖1 泵站優(yōu)化調(diào)度基本流程示意圖

圖2 遺傳算法求解流程圖

組合表1 2000年5月26日 8∶00工況1

泵站優(yōu)化總能耗：1 183kW，比實(shí)際運(yùn)行節(jié)約能耗93.8kW，節(jié)能率7.3%

組合表2 2000年7月4日 8∶00工況2

泵站優(yōu)化總能耗：1 204.2kW，比實(shí)際運(yùn)行節(jié)約能耗67.7kW，節(jié)能率5.3%

組合表3 2000年8月19日 8：00工況3

泵站優(yōu)化總能耗：1 470.9kW，比實(shí)際運(yùn)行節(jié)約能耗104kW，節(jié)能率6.6%

3.模型優(yōu)化結(jié)果及對比

本次選取2000年?duì)柾跚f暗渠泵站實(shí)際運(yùn)行工況，運(yùn)用泵站優(yōu)化模型對工況進(jìn)行重新優(yōu)化，并將優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行對比，通過分析泵站運(yùn)行總功耗，判斷模型實(shí)際優(yōu)化效率。下面取3例工況進(jìn)行優(yōu)化對比，見組合表1、組合表2和組合表3。

總的來看，泵站優(yōu)化模型對此7例工況全部優(yōu)化成功，優(yōu)化后節(jié)能率在0～11%之間，平均節(jié)能率為6%。由此可見，本次建立的模型是可靠的，可以將此模型應(yīng)用于引灤入津工程供水泵站優(yōu)化運(yùn)行工作之中，以實(shí)現(xiàn)供水管理節(jié)能、降耗的基本目標(biāo)。

四、結(jié) 語

引灤入津工程供水泵站運(yùn)行以單級泵站提水工況為主，其中又以爾王莊暗渠泵站運(yùn)用最為頻繁，將泵站優(yōu)化調(diào)度模型運(yùn)用至各泵站后，優(yōu)化節(jié)能率即可轉(zhuǎn)化為泵站相應(yīng)節(jié)約的耗電量或電費(fèi)。從計(jì)算結(jié)果得出，爾王莊暗渠泵站平均節(jié)能率為6%，大張莊泵站平均節(jié)能率為5.9%，潮白河泵站平均節(jié)能率為7.4%。以爾王莊暗渠泵站為例，供水量約120萬～180萬m3/d，運(yùn)行功率 1 600～2 800 kW，按節(jié)能率6%計(jì)算，一年節(jié)省電費(fèi)2 200×24×365×6%×0.80=92.5 萬元。 同時，采用泵站優(yōu)化運(yùn)行方案后，提高了機(jī)組運(yùn)行效率，減少了機(jī)械耗損，延長了檢修周期，間接節(jié)省了檢修費(fèi)用。泵站優(yōu)化調(diào)度模型可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并通過現(xiàn)代化的控制工程使供水系統(tǒng)處在最佳工作狀態(tài)，這樣既可以安全可靠地滿足供水需求，又能通過建立供水調(diào)度管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)優(yōu)化的自動化，從而實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)約人力成本、節(jié)能降耗的目標(biāo)。當(dāng)然，引灤入津工程三大泵站的優(yōu)化調(diào)度工作需要統(tǒng)籌考慮，還需要很多的基礎(chǔ)工作作為支撐。

[1]侯岱云，孫韶光.基于遺傳算法的供水泵站優(yōu)化調(diào)度[J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2003，33（1）.

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[3]張文修,梁怡.遺傳算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.