多源大型水管网的优化调度

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1、多源大型水管网的优化调度摘要：针对多水源的大型供水管网，运用两级递阶优化原理，建立了反映管网各种水力参数的数值仿真模型，运用该数值模型可达如下目的：对不同水源的供水量进行优化配置，并且对某一水源地泵站内水泵的运行进行优化调度，合理利用能源，以取得良好的经济效益和社会效益；通过计算对比，改变旧有管网的管路参数或增删管网内局部支路，为改扩建旧有管网提供科学合理的技术方案。最后以北京地区某大型石化集团的供水系统为实例，给出了计算结果。关键词：多源供水管网泵站运行优化调度两级递阶优化平差管网改扩建目前，某些地区已经实

2、现了计算机对供水体系的实时自动监控管理，最大限度地实现高效低耗运行，极大地提高了社会效益和经济效益。在我国工业发达、人口稠密的地区普遍缺水，而城镇、工矿企业的供水运行仍处于凭经验进行人工管理的落后状态。一方面城市缺水的压力日益增大，另一方面由于管理落后而水电浪费现象十分严重。当前，如何科学合理地进行供水调度，如何科学地规划新的或改建旧的供水系统，是摆在人们面前的一个亟待解诀的问题。本文运用两级递阶优化原理，建立一个大型多源供水管网优化管理数值计算模型(NSMAIN)，可以对具有多个水源地(泵站)的大型管网供水

3、运行进行优化调度。这个NSMAIN供水管理优化调度系统最先以北京某石化公司作为实例进行运行。该公司是北京市的一员用水大户，由于用水量大，用户分散，地势高差大，多水源供水(如生产供水系统有大小泵站11个，生活供水管网有2个泵站)，加上该企业建设历时长，企业内各厂的供水缺乏合理规划，供水用电消耗很大，整个公司用电量的25％消耗在供水方面。应用本管理优化调度系统(NSMAIN)可对供水系统实行高效低耗的优化调度运行管理，通过NSMAIN的计算为规划改造供水系统提供科技咨询，达到促进公司供水系统经济安全运行和增效降耗

4、的目的。1数学原理数值模型的建立运用了系统工程两级递阶优化原理，见图1。在第一级优化过程中，以供水成本最小即耗电量最小为优化目的，通过对系统的水力分析和运行费用进行计算，确定当前状况下各泵站最优供水量和合理扬程，以满足管网用水量的需求和各用户对服务质量的要求。在第二级优化过程中，决定各泵站内各型泵的开启数和组合方式，有调速泵的泵站应决定调节因子。然后在两级优化过程之间反复协调，最终逼近最优解或次优解。供水优化问题包括变量、约束、目标等三个方面［1］。变量——在本数值模型内为：节点压力(或自由水头)，单位以m计

5、，反映了供水的服务质量；节点流量(供水量或用水量)，单位以m3/s或1/s计；管段流量，单位以m3／s或1／s计；与管段两端压差呈非线性关系。约束——约束分为等式约束条件和不等式约束条件。等式约束条件：据物质守恒定律，管网中每个节点i的流量平衡满足图1供水系统两级递阶优化原理Qi=∑qij(1)即从节点i流出的流量等于与该节点相连的各管段ij流入流量之和；i为节点号，qij为i节点与j节点之间管段的流量，j＝1，2，…，n，n为与节点相连的管段数。不等式约束条件：(2)即泵站i的供水量有上下限，式中U为水源供

6、水量。b：min｛Fp｝≥Cp(3)即要求管网中所有节点的最小自由水头必须大于等于某一常数C，以满足服务质量要求。｛Fp｝为管网节点自由水头的集合。目标函数J——供水成本(水费+电费，以元计)的表达式为i=1,2,…,m(4)式(4)中V，为泵站号。供水系统优化供水量的目的是在满足约束条件等式(1)、(2)和不等式(3)、(4)的前提下，使式(4)的J值，亦即供水成本最小。这属于有约束条件的非线性规划问题。解决供水优化的计算分两步：第一步是管网平差(水力分析)，求出系统状态变量如各管段流量、各节点压力等。第二

7、步是将水源地供水量(Ui)和扬程(Pi/γ-Zi)代入式(4)，求出目标函数当前值J(k)。按库恩-塔克(Kuhn-Tucker)的最优必要条件，用拉格朗日乘子法求得供水量增量ΔUi,得到水源下一步的供水量。在迭代过程中，将前后两次求得的J值进行比较，如果J的绝对值不断下降则继续迭代，直到

8、Jk+1-Jk≤ε1时停止迭代计算。ε1为指定误差，本文选ε＝0.005元。这时的水源供水量U(k+1)i和(Pi/γ-Zi)(k+1)为所求。1.1平差——求各管流量、各节点压力依据公式Qi=∑qij，每个节点i流量应等

9、于与之所连各管段流量之和qij。管段ij沿程能量损失公式：(5)从上式可得：

10、qij

11、=Sij

12、hij

13、1/2(6)其中：Sij为管段ij的水力特性常数。平差步骤：①进行管网平差之前应预先假设各水源供水量，再按式(1)分配各管段流量；②从式(5)求得各管段压降hij；可应用线性理论引入一个变量；Cij=

14、qij

15、／

16、hij

17、将上式代入每个节点的流量平衡式：Qi=∑qij=∑Cij(Pi-Pj)。如果