李明杰

(上海城投水務工程項目管理有限公司 第一項管部, 上海 201103)

進水泵房作為城市污水處理系統(tǒng)的重要動力來源,在城市污水處理系統(tǒng)中對污水的排放與調度起到了不可或缺的作用[1],但其能耗巨大,目前國內(nèi)已建成的大多數(shù)泵站的能耗都高達30%～50%。同時,污水泵站的入水流量會受到自然天氣和居民用水習慣等因素的影響,具有不穩(wěn)定、非線性等特征[2]。在保證污水不外溢的同時,有效提高進水泵房的工作效率、降低進水泵房的能耗,從而提高污水的處理效率,是當前城市污水處理系統(tǒng)中亟待解決的問題。

國外污水提升泵站節(jié)能研究主要集中于泵機優(yōu)化選型。文獻[3]以泵站對水的使用量為依據(jù)選定泵機的運行參數(shù);文獻[4]以泵機的能源消耗為調控目標,以峰值流量為約束條件,提出了一種動態(tài)規(guī)劃法對泵機的啟停進行優(yōu)化組合;文獻[5]選用多個工程指標對泵機進行不斷匹配,尋找符合要求的泵機組合。對于泵機的調度策略,文獻[6-7]采用離散微分動態(tài)規(guī)劃方法等一系列優(yōu)化算法,對泵站機組的啟停進行優(yōu)化,并具有較好的作用。文獻[8]以泵機機組所消耗的電量為調控目標,通過泵機的變速功能,較好地實現(xiàn)了泵機的優(yōu)化控制。

國內(nèi)污水提升泵站節(jié)能研究更多地關注泵站的節(jié)能選擇。楊建軍[9]給出了選擇泵機的原則、方法和步驟;王建中等[10]提出了兼顧調配靈活、型號整潔、互為備用的選型原則;馮廣志[11]采用切割葉片、調整葉片外直徑的方式實現(xiàn)節(jié)能效果;曹立群[12]把能耗作為指標,把流量作為限制因素,利用拉格朗日法得到了泵站的最佳開啟策略;何根木[13]利用AutoCAD2000軟件構建了污水泵站的最優(yōu)操作方案;何婷婷等[14]提出了一種對后壁體型的改善方法,改變水流條件,提升了泵的運行效率;成立等[15]以CFD 模擬技術為基礎,給出了4種典型消渦方案,提高池內(nèi)的流動狀況,為泵站的節(jié)能改造提供可行的途徑。

本文以上海市某污水處理廠為背景,通過分析進水泵房的實際運行數(shù)據(jù),對泵機的運行特性進行數(shù)學分析和建模,將數(shù)學建模以及遺傳尋優(yōu)算法應用于泵機最優(yōu)效率工作點中,對泵機工作效率點尋優(yōu)和泵機機組進行優(yōu)化。

1 污水泵站泵機運行效率優(yōu)化方法分析

1.1 污水泵站運行工況分析

污水處理廠通常會在一個泵站內(nèi)配備多個泵機,以適應各種污水流量情況下的排水。在具體的工程實現(xiàn)中,泵站的流量具有不確定性、非線性和難以預測性的特點,采用簡單的配置,很難達到流入流量與流出流量相等的最優(yōu)控制情況[16],從而產(chǎn)生效率降低、出水口堵塞、管損增加、工作點振蕩、加劇氣蝕等問題。

1.2 污水泵站節(jié)能機理研究

為實現(xiàn)泵站節(jié)能,可以通過閘閥節(jié)流、改變?nèi)~輪、設置變頻泵調速運行等多種方式。在泵機控制層面主要從降低揚程和優(yōu)化泵機組合兩個方面展開。降低揚程是在保證前池無溢流的情況下,將前池的工作水位適當升高,防止后水池的水位太高而產(chǎn)生額外揚程;優(yōu)化泵機組合是尋求一種最優(yōu)的控制開關方案,能夠在泵站當前水位、進水流量變化等因素的基礎上,對運轉中的泵機進行最優(yōu)配置,降低泵機起停次數(shù),降低無用能耗[17]。

2 污水泵站泵機運行特性分析

2.1 污水泵站泵機運行特性及變頻調速基本分析

通過對泵機轉速進行調整,可以使泵機運行的高效率區(qū)域變大,從而降低泵站的運行能耗。

2.1.1 污水泵站泵機工作點及運行特性分析 泵與管路的特征曲線如圖1,兩條曲線的交點A點為泵機運轉的工作點。如果泵機運行在B點,則泵機所產(chǎn)生的揚程HB比管路所需的揚程HB需要大,導致管線中水流速加快,流量增加,直到達到QA。同樣,如果泵機運行在C點,泵機能提供的揚程HC不能與其所需要的揚程HC需相匹配,從而導致管線中水流速降低,流量降低,直到流量降低到QA為止。

圖1 泵機工況點

2.1.2 泵機變頻調速特性 泵機變頻運行可以通過改變泵機轉速來保證泵機在一定的實際運行流量范圍內(nèi)處于高效區(qū),減少泵機能耗。但需要根據(jù)實際污水流量來確定所需要運行轉速。

變頻調速泵機與定速泵機的特性曲線的最大區(qū)別是:定速泵機只有一條Q-H特性曲線,而變頻調速泵機對應的每個轉速值就有一條對應的Q-H特性曲線。同樣變頻調速泵機對應的每個轉速值就有一條對應的Q-η特性曲線。隨著轉速的變化,流量揚程的曲線簇也會相應的變化。

2.1.3 泵機變頻調速高效區(qū) 通常情況下,以泵機的工作點在泵的高效區(qū)為依據(jù)選擇泵機,對一個確定型號的泵機來說,其高效區(qū)已經(jīng)確定,但高效區(qū)內(nèi)的泵機轉速仍有一個特定的速度區(qū)間,這就要求在泵機選型時,需確保變頻器轉速控制時泵處于高效區(qū)[18]。從圖2泵機高效區(qū)曲線可以看出,當泵機工作在額定速度n0時,其高效運行范圍為AB,由兩條穿過高效區(qū)的左端和右端的等效率曲線OηA、OηB,可以求出在最低頻率所相應的轉速n1,并且得出了轉速n1下的水流特性曲線AB。由曲線AB、A1B1、OηA 和OηB 所圈成的一個區(qū)域,就是這個泵機的高效區(qū)。

圖2 泵機調速高效區(qū)

2.2 污水泵站泵機運行特性分析

2.2.1 泵機運行特性曲線擬合 以上海某污水處理廠泵站中選用的泵機為例,其為賽萊默(中國)有限公司的28×28 WSYB型號的渦殼式混流泵,工頻轉速為495r/min,由工作特性曲線圖可得泵機流量Q、揚程H、功率N、效率η如表1所示。

表1 28×28 WSYB渦殼式混流泵工作特性曲線點表

根據(jù)表1數(shù)據(jù),通過Origin軟件擬合得Q-H曲線、Q-η曲線、Q-N曲線,如圖3所示。

圖3 28×28 WSYB渦殼式混流泵泵機特性曲線

2.2.2 泵機變頻調速節(jié)能研究 根據(jù)泵機的工作特性,其流量與轉速成正比,揚程與轉速二次方成正比,軸功率與轉速三次方成正比。泵機工作時,在每個點都存在Q、H、N、η這4項數(shù)據(jù)反映這一點的工作狀態(tài)。每一個工作點的泵機運行效率為

式中:k為機泵運行特性常系數(shù)。

結合式(1)和表1,可以求出k,進而求得各點的數(shù)據(jù)?；陬~定轉速(n=495r·min-1)數(shù)據(jù)得到不同轉速下的Q-H,Q-N,Q-η圖。當轉速恒定時,隨著揚程的增大,泵機的流量逐漸減小,在轉速越小的情況下,可調整的流量及揚程范圍也越小;當轉速恒定時,當流量達到某一值時,流量越大所需的泵軸功率越小。

在恒定轉速運行下,泵機工作的高效區(qū)是受限制的,通常無法確保泵機一直處于高效區(qū);在調速運行下,可將泵機的轉速降低,使泵機的進水流量與出水流量相等,從而保證泵機工作在高效區(qū),達到節(jié)能效果。

3 污水泵站泵機運行效率優(yōu)化數(shù)學模型分析

3.1 污水泵站泵機變頻調速的目標轉速

由泵機運行效率公式及泵機的相似定律可以推出

根據(jù)泵機的效率曲線,設泵機揚程由H1改變到H2,H2的凈揚程為HST,轉速n1調整到n2時,則所需的目標轉速為

式中:Q1、H1、n1分別為額定工況下泵的流量、揚程、轉速;S為管阻系數(shù);n2、H2為改變工作點后泵機的轉速、揚程。

在額定工況下,泵機的流量Q1、揚程H1和轉速n1都是確定的,同時管阻系數(shù)S也是確定的,因此,每一個最優(yōu)轉速度均與一個凈揚程相對應。

3.2 泵機運行效率的數(shù)學模型

由泵機運行效率公式可知泵機的效率是由泵機運行特性常系數(shù)k、Q、H、N共同決定的,對應圖2中B點,泵機總揚程H2和流量Q2都能在一定轉速下表述為

式中:HX2為轉速n2時的泵機總揚程;SX為泵機的虛阻耗系數(shù);H2為轉速n2時總揚程;Q2為轉速n2時泵機流量。

結合流量關系式和管道的特性曲線,圖2中B點揚程為

聯(lián)立式(2)、式(4)、式(5)解得

結合泵機轉速n1在圖2中A 點的等效曲線與機泵的揚程,得

式中:HX1為轉速n1時的泵機總揚程。

泵機的軸功率在不同轉速下存在著一定聯(lián)系,可由已知工況下軸功率求出指定轉速下的軸功率,通過泵機運行的相似規(guī)律推導出軸功率為

式中:N2為H2點的軸功率;N1為H1點的軸功率。

由泵機運行效率公式得出已知轉速工況泵機運行特性各數(shù)據(jù)值,結合式(9)得到管網(wǎng)特性不改變時,任意轉速泵機穩(wěn)定運行時的效率為

式中:N0、H0為已知轉速下所對應的工況點軸功率、泵機虛總揚程;HX為所求泵機穩(wěn)定工作點時泵機所對應的虛總揚程;Q為穩(wěn)定工作點時的流量。

4 基于遺傳算法的泵機效率尋優(yōu)

4.1 遺傳算法在泵機工作點的效率尋優(yōu)

4.1.1 泵機效率尋優(yōu)的基本流程 基于遺傳算法的泵機效率優(yōu)化以單臺機組泵的工作為基礎,綜合泵機的流量以轉速和揚程等約束條件,按照泵機適應度函數(shù)式,計算出穩(wěn)定且具有最佳效率的工作點所對應的泵機轉速。

4.1.2 泵機效率優(yōu)化模型的目標函數(shù) 泵機變頻調速的效率尋優(yōu)就是求出穩(wěn)定且具有最高效率的工作點所對應的機泵轉速。在已知轉速工況泵機運行特性各數(shù)據(jù)值的基礎上,在管網(wǎng)特性不改變時,任意轉速泵機穩(wěn)定運行時的效率表達式即為所求變頻調速泵機效率優(yōu)化模型的目標函數(shù)。

4.1.3 效率尋優(yōu)的約束條件 綜合考慮防止污水外溢和節(jié)能要求,泵機流量的約束條件為提升污水流量的上、下限范圍。

4.1.4 初始參數(shù)設計 本次建模選擇遺傳算法來求解該模型,其中編碼采用二進制編碼,初始種群中大小為M,采用最大值方法構造適應度函數(shù),進化代數(shù)為200代。

4.2 遺傳算法在泵機工況點效率尋優(yōu)的仿真

4.2.1 泵機數(shù)學模型曲線分析對比 以賽萊默28×28 WSYB型號的渦殼式混流泵為對象,通過流量揚程運行特性和管網(wǎng)揚程流量特性進行數(shù)學分析和參數(shù)計算,對泵機效率目標函數(shù)進行數(shù)學建模,通過Python繪制該泵機在轉速為491r/min下的泵機揚程流量曲線、管網(wǎng)特性揚程流量曲線、泵機流量效率曲線,如圖4所示。

圖4 28×28 WSYB渦殼式混流泵數(shù)學建模運行特性曲線

4.2.2 泵機工況效率尋優(yōu)結果分析 泵機工況效率尋優(yōu)就是通過所得到28×28 WSYB泵機流量效率數(shù)學模型,在約束條件下對所得到目標函數(shù)進行遺傳算法的效率尋優(yōu),找出在一定流量范圍內(nèi)泵機在穩(wěn)定工況點效率最高所對應的最佳轉速。由此可以得到該點的提升流量、揚程、效率、軸功率。

選取一定流量范圍進行約束流量下的效率尋優(yōu),其中種群個數(shù)基于原始數(shù)據(jù)量選擇為10;進化代數(shù)初始值設置為200代,根據(jù)迭代結果調整;交叉概率采用自適應交叉概率算法,通過模型測試最終選擇為0.6;變異概率采用基于基礎位變異算子的自適應編譯概率算法,通過模型測試最終選擇為0.01。采用上述尋優(yōu)算法,在對應流量范圍內(nèi)通過遺傳算法對效率模型進行尋優(yōu)計算得到穩(wěn)定工作及效率最高點所對應的機泵流量、機泵揚程、效率、轉速、軸功率、能耗系數(shù),具體如表2所示。

表2 流量對應參數(shù)關系表

結果表明,基于遺傳算法的泵機效率數(shù)學模型在指定流量范圍內(nèi)的最高效率工作點始終使泵機處于穩(wěn)定工況下運行,并處于泵機運行的高效區(qū)。但是,變頻調速并不是沒有范圍限制,當轉速降低時,泵機工作效率的不處于高效區(qū),該點泵機最大效率僅為50%,并不符合高效運行的最終目的,一般高于50%額定轉速,最好處于75%～100%額定轉速。

5 污水泵站能耗分析

5.1 污水泵站泵機運行模式

上海市某污水處理廠提升泵機設置于進水泵房內(nèi),配備4臺渦殼式混流泵,均以工頻模式運行,日常運行時僅開1到2臺,當粗格柵進水流量較大時,4個泵機再同時啟動,并且以同樣的流量運作,直到水位下降到設置的最低點,關閉多余泵機。

5.2 污水泵房泵群啟停組合優(yōu)化調度及分析

當使用變頻調速進行調整時,變頻泵的流量調整范圍是在工頻流量的60%～100%之間。其額定轉速為495r/min,額定流量為5400m3/h,則該泵機的流量調節(jié)范圍為3240～5400m3/h。在泵機啟停調度和能耗分析中,不同泵機組合時的調速策略和運行流量如表3所示。

表3 不同泵機組合調節(jié)運行流量表

5.3 泵機運行工況調控效率分析

選取2021年1月1日內(nèi)的每2小時平均進水量數(shù)據(jù),使用上述調度策略組和尋優(yōu)模型計算不同流量范圍內(nèi)的最優(yōu)工作點對應的流量和電耗量,調整泵機運行工況,并估算提升泵機在非設計狀態(tài)下的性能及能耗。

對于1月1日分時平均流量,該日進泵機房泵機總耗電為3200kW·h,經(jīng)泵機工況調節(jié)后,總電耗量降低到2379.309kW·h,節(jié)電25.64%,調節(jié)后的泵機流量比調節(jié)前的泵機流量能較好適應實際污水的流量,并實現(xiàn)跟蹤效果。

6 結 論

根據(jù)實際泵機的數(shù)據(jù)特性以及泵機變頻調速運行的特點,對泵機最優(yōu)工作點進行研究?；谶z傳算法,設計了一種泵機效率尋優(yōu)方法。通過上海某污水處理廠進水提升泵房泵機的實際運行模式分析,通過組合變頻泵和對不同流量范圍的泵機進行效率尋優(yōu),實現(xiàn)根據(jù)污水實際流量進行泵機的開啟與最優(yōu)調控,對污水流量起到較好的跟蹤效果,并實現(xiàn)降低能耗,達到節(jié)能效果。