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供水泵站变频与工频水泵的优化配置

谢予婕，陈盛达，李树平，梁怿祯

(同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

能源是当今世界普遍重视的问题，据中国终端能效项目管理办公室(EUEEPPMO)统计，我国泵的用电量约占全国用电量的20.9%，水泵和风机的电耗占供水成本的30%~40%。供水企业内加压泵站数量多，规模大小不一，降低能耗具有重要意义。供水泵站是按最不利条件下的最大时流量和所需扬程设计的，但在实际运行过程中，用户需水量按时间变化，某些时段远小于泵站的设计流量，水泵将处于低负荷运行状态。为了降低这部分能耗损失，在实际供水中，常用恒压变频供水方式。恒压变频供水摒弃了传统的水塔、高水位箱、气压罐等恒压设施，采用调整水泵转速，改变水泵的运行曲线，使水泵的出水压力与管网实际所需一致，从而达到节能的目的。与传统供水方式相比，恒压变频供水不论是在投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势。现提出恒压变频的节能方法，通过变频与工频水泵优化配置，可取得降低供水能耗效果。

1研究思路

研究思路如图1所示。

图1 水泵优化配置研究思路

模拟计算中的难点包括：一是每一时刻用户需水量是变化的，要求满足供水管网水量分配的同时，也应保证监测点水压恒定;二是如何找到变频泵的合理转速，使监测点水压既达到要求的压力值，又不过大导致浪费能量。

难点一的解决需要借助供水管网水力模拟软件(如EPANET)的计算功能，得到监测点水压。当供水管网水力模拟软件没有区别变频泵与定速泵的效率曲线，需要修正相应变频泵效率计算模块。

难点二的解决将选择优化算法，找到变频泵的最佳转速。

基于以上两点，将通过调用EPANET和遗传算法，借助EPANET软件的水力计算功能，控制现有供水管网任一监测点压力值恒定为目标，通过程序自动设置合理的转速，或者开启合理的水泵台数。基于该模拟方法，模拟计算5种水泵搭配方案(第2.4节)，在不同设计流量下计算泵站全天的耗电量，对比总结不同方案之间的优缺点。

2基于供水管网水力计算模型的恒压变频供水方式模拟

2.1恒压变频供水原理

为了避免水泵在部分工况下频繁切换，使得无法提供可靠的供水压力，恒压变频实际系统中增加了回滞环的应用和延时判断。回滞环是指，若变频器输出频率达到上限值，且实际水泵出口压力低于设定值时，才允许增加水泵机组;相反，若变频器输出频率达到下限值，且水泵出口压力高于设定值时，才允许减少机组。所谓延时判断，是指切换要求的频率和压力值满足判断条件且保持一定时间(通常情况下取值1~2 min)，才控制系统切换机组。

系统原理如图2所示，系统比较监测点输入压力Hs和压力反馈值Hω，比较压力差ΔH;当压力差ΔH大于设定值时，通过控制算法计算水泵转速ω’;当满足延时判断条件时，调整输出电源频率，改变水泵转速ω，反馈此时的输出压力Hω;重复以上步骤，实现恒压供水。

图2 恒压变频控制原理图

2.2遗传算法

恒压变频系统是以实现监测点压力恒定为目标，输出合理转速的最优化问题，目前精确算法和智能优化算法能够较好解决。精确算法包括线性规划、动态规划、整数规划和分支定界等，其算法计算复杂性一般很大，在工程中往往不实用。智能优化算法，主要包括模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法等，从任一解出发，对其领域的不断搜索和当前解的替换来实现优化，这些算法模仿了自然界的各种过程以及人的思维活动来对整个搜索过程进行指导。

在恒压变频供水系统中，优化问题要求监测点压力相对恒定，可在设定范围内波动，对局部搜索能力要求不高。与其他智能算法相比，遗传算法由于其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理以及应用范围广等特点。

2.3EPANET变频泵效率计算修正

供水管网水力分析软件将采用美国环保局开发的EPANET软件。

在EPANET中，水泵表示为一种特殊的管道。水泵的主要输入参数包括水泵编号(ID)，其起始和终止节点、水泵曲线、转速比等，如图3所示(水泵扬程和流量的工况组合)。

图3 水泵编辑器界面

调速水泵可以通过“转速比”参数设置其转速，默认缺省的转速比是1，表明水泵的实际转速和额定转速的比值为1，即水泵是在既定的初始水泵曲线下工作。若水泵转速加倍，那么可设相对转速比为2;如果转速减半，相对转速比设置为0.5。水泵的运行也可以赋给一个相对转速的时间模式，表示在模拟时段内水泵转速在不同时刻的变化。同时，EPANET也能够计算水泵的能量消耗和成本，每台水泵可以设置一条效率曲线，需要用户手动输入各流量下的效率值，EPANET采用内插法计算其他流量工况下的效率，在缺省的情况下，软件默认水泵的总体效率为75%，该值可以在能量选项中修改，价格模式表示一天内电价的变化情况。EPANET通过延时模拟，累加每个时间间隔内的水泵能耗，得到水泵的总能耗。

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