城市二次供水模型的建立案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u3877城市二次供水模型的建立案例分析 1119801.1城市供水與二次供水 1206591.1.1城市供水 119401.1.2二次供水 2285771.2優(yōu)化調(diào)度 4107841.3優(yōu)化調(diào)度模型的建立 41.1城市供水與二次供水1.1.1城市供水在現(xiàn)代社會，城市供水一般有以下幾個階段：首先，通過水源地附近的自來水廠的取水泵房從河流或水庫等水源取水包括；其次，水在自來水廠中依靠水的重力流經(jīng)過各種處理裝置然后通過水工藝處理將水質(zhì)量處理至合格的用水標準；最后通過送水泵房將水送入管網(wǎng)，與此同時，因為水在管網(wǎng)運行過程中壓力會損失，為了保證用戶的用水水壓以及緩解管網(wǎng)壓力，可能會在管網(wǎng)中增加加壓泵站。城市供水流程如圖2-1所示。圖2-1城市供水流程圖Fig.2-1UrbanWaterSupplyFlowchart1.1.2二次供水新世紀經(jīng)濟的騰飛，帶來了城市的迅速發(fā)展，高層住宅、工業(yè)企業(yè)的數(shù)量也飛速增加。而對于城市中的工業(yè)企業(yè)、商業(yè)寫字樓和高層住宅，自來水廠的直接供水往往達不到所要求的壓力。出于滿足高層住戶用水需求以及企業(yè)節(jié)約資源減少成本的目的，一般都需要進行二次供水。所謂的二次供水是指由自來水公司或者企業(yè)為補償市政供水管線壓力低以至于無法滿足管網(wǎng)末端的用戶或高層用戶用水需要而采用各種方式儲存、加壓后再通過供水管道供給用戶的一種供水方式。如圖2-2所示。圖2-2二次供水示意圖Fig.2-2DiagramofSecondaryWaterSupply二次供水的方式有很多種，主要包括水池水箱供水方式、直抽供水方式和無負壓供水方式等。水池水箱供水方式是指在市政管網(wǎng)的用水壓力較小時將水池水箱蓄滿水，在用水壓力較大時直接由水池水箱供給給用戶使用。在這種方式下需要將市政管網(wǎng)中的剩余壓力排出，在使用時重新使用水泵加壓供給用戶，極大的浪費了電能。除此之外使用水池水箱還會涉及到水污染問題。如圖2-3所示。圖2-3水池水箱供水示意圖Fig.2-3Schematicdiagramofwatersupplyforcistern直抽供水方式，顯而易見，這是一種使用水泵直接與市政管網(wǎng)相連，在市政管網(wǎng)的基礎(chǔ)上加壓給用戶端使用的二次供水方式。與水池水箱供水方式相比，大大的提高了市政管網(wǎng)余壓的利用率，有效的節(jié)約了能源同時也會避免水污染問題。但這種方式存在著影響管道安全等比較嚴重的問題，因此現(xiàn)在這種供水方式必須事先征得有關(guān)部門的同意才可以使用。最后一種供水方式是無負壓供水方式。無負壓供水同時也是本課題的來源企業(yè)山東華立供水設(shè)備有限公司所主要使用的二次供水方式。與傳統(tǒng)的二次供水方式相比，無負壓供水一方面可以在用戶所需壓力較低時直接由市政供水來節(jié)約資源，另一方面所有的無負壓供水方式不需要水池、部分不需要水箱，這樣就可以避免水污染問題，本文還將探求無負壓供水方式下的節(jié)約能源的能力。如圖2-4所示。2-4無負壓供水設(shè)備Fig.2-4Nonegativepressurewatersupplyequipment本課題來源于青州項目，項目主要包括供水設(shè)備的監(jiān)控、供水監(jiān)控管理平臺的搭建以及供水的優(yōu)化調(diào)度等。本文針對青州二次供水項目的優(yōu)化調(diào)度進行調(diào)研實驗。1.2優(yōu)化調(diào)度優(yōu)化調(diào)度就是分析系統(tǒng)運行的各個方面然后選擇同時滿足目標和約束條件下最佳的策略。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，用水的規(guī)模在進一步擴大。供水系統(tǒng)之中90%以上的電能消耗于泵站中，目前泵站的調(diào)度運行主要依靠經(jīng)驗，調(diào)節(jié)范圍有限，因此通過對泵站進行優(yōu)化調(diào)度來降低消耗優(yōu)化運行，是減少供水系統(tǒng)運行能耗的一個重要方式[30]?，F(xiàn)在對供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度包括對自來水廠的城市供水和二次供水。二者既有相同部分也有不同部分，前者著重于以全市管網(wǎng)為模型，首先對水廠的出水流量和壓力進行優(yōu)化分配，然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化泵站內(nèi)的泵的配置，后者主要是在滿足用戶的用水量和壓力的基礎(chǔ)上對二次供水的泵站運行進行優(yōu)化，從而達到減少成本的目的。由多臺離心泵所組成的供水泵組作為二次供水中的核心部分，他的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系著供水質(zhì)量。而優(yōu)化調(diào)度就是在滿足用戶需求的同時，盡可能的節(jié)約電量，延長設(shè)備的壽命。要進行二次供水的優(yōu)化調(diào)度，主要有三個步驟：首先要對二次供水的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，包括建立目標函數(shù)以及相應(yīng)的約束條件；其次要有水務(wù)檢測系統(tǒng)所回傳的水務(wù)數(shù)據(jù)或根據(jù)預(yù)測模型所預(yù)測的數(shù)據(jù)；最后要設(shè)計合適的算法對數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化求解。1.3優(yōu)化調(diào)度模型的建立對二次供水系統(tǒng)模型化是優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵，一般的供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型主要分為直接優(yōu)化調(diào)度模型與兩級優(yōu)化調(diào)度模型[31]。（１）直接優(yōu)化調(diào)度模型：通過將整個供水管網(wǎng)系統(tǒng)一起建模，直接對水泵的組合方案進行尋優(yōu)，以整個供水系統(tǒng)的供水成本為以水泵的開與停、變速泵的轉(zhuǎn)速作為決策變量。因此，在這種模型下會同時存在連續(xù)和離散變量。直接優(yōu)化調(diào)度模型在處理復(fù)雜水網(wǎng)問題時不容易求解，因此常常用于較為簡單的系統(tǒng)。（２）兩級優(yōu)化調(diào)度模型：首先將各個供水泵站看作一個整體，分析整個供水管網(wǎng)，在保證各個用戶端以及測壓點要求的前提下，求解各個泵站的供水壓力以及供水量。其次，在確定了每個泵站的供水壓力以及供水量后，以泵站內(nèi)的各個水泵的開閉和調(diào)速比為變量，根據(jù)相應(yīng)的性能數(shù)據(jù)建立優(yōu)化調(diào)度模型。而對于具體的二次供水的優(yōu)化調(diào)度來說，由于一級優(yōu)化調(diào)度模型主要是針對于多個自來水廠供水的多水源供水系統(tǒng)，因此只需要第二級優(yōu)化調(diào)度模型即可。目前我國絕大多數(shù)城市的供水泵站都采用調(diào)速泵與定速泵組合并聯(lián)運行。要建立二級優(yōu)化調(diào)度模型，首先要獲得水泵特性曲線，水泵特性曲線一般根據(jù)水泵的出場數(shù)據(jù)得出。定速泵的定速采用最小二乘法擬合出的特性曲線表達式為：式中：Q、N、H分別為水泵的流量、功率和揚程；a，b，c，HX,變頻泵是指泵通過調(diào)速裝置進行調(diào)速，進而可以通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)整水泵運行的工況點。變速調(diào)節(jié)的根本在于擴展水泵的高效區(qū)間，使之從一條曲線變?yōu)橐粋€曲面，是一種常用的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)水泵相似定律可以求變速泵的流量—功率(Q-N)曲線方程：式中：S為水泵轉(zhuǎn)速比；H為水泵調(diào)速運行時的揚程；Qe、He、根據(jù)（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）聯(lián)立可得變頻泵的特性曲線表達式為：式中：d、e、f均為待擬合參數(shù)。變頻泵使用的最終目的就是要達到節(jié)能，為了實現(xiàn)這一目的，將水泵的高效段擴展為一個區(qū)間，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，使離心泵的運行工況在其工作區(qū)間內(nèi)[32]。變頻泵的高效區(qū)間如圖3-1所示：圖1.5離心泵特性曲線Fig.1.5Centrifugalpumpcharacteristiccurve圖2-5中的陰影部分即為離心泵的高效區(qū)間，曲線n1、n2分別為離心泵在轉(zhuǎn)速n1、n2時所對應(yīng)的流量—功率（Q-N）曲線，hA、hB分別為高效區(qū)間左右端所對應(yīng)的管路特性曲線。因此定速泵的流量Qi應(yīng)在高效區(qū)間中最大流量QB1與最小流量QA1之間：為防止改變轉(zhuǎn)速之后水泵的吸水能力下降所導(dǎo)致有效工作區(qū)間減小，應(yīng)使轉(zhuǎn)速為n2時高效段揚程上線HA2大于或等于轉(zhuǎn)速為n1時高效段揚程下線HB1：根據(jù)式（2-2）、（2-3）、（2-7）可得：因此變頻泵的流量調(diào)整范圍應(yīng)當是：根據(jù)泵站的運行特點，可以建立以所有水泵軸功率為目標函數(shù)，水泵的開閉與變頻泵的調(diào)速比為決策變量的二級優(yōu)化調(diào)度模型為：式中：m為定速泵的數(shù)量；n為變頻泵的數(shù)量；ωi、ωj由式（2-1）可知定速泵的功率表達式，由式（2-5）可知變頻泵的功率表達式，結(jié)合式（2-11）可得優(yōu)化調(diào)度模型如下：式中：ai、bi、ci、優(yōu)化調(diào)度模型有以下約束。（1）在同一泵站內(nèi)并聯(lián)運行的水泵，在忽略泵站內(nèi)部水頭損失情況下每個水泵產(chǎn)生的揚程相等，且應(yīng)等于該泵站的出口壓力，同時等于供水壓力：式中：H1、H（2）水泵并聯(lián)后的出口流量的總和應(yīng)當?shù)扔诠┧偭髁浚菏街校篞i（3）為了防止物理性損害，變頻泵的調(diào)速比最大不能超過水泵的額定轉(zhuǎn)速1。如果轉(zhuǎn)速過低則機械效率下降嚴重，所以最小根據(jù)水泵的功率和效率綜合考慮：式中：Sjmin為最小調(diào)速比；S（4）為了使水泵的工作點在高效區(qū)間內(nèi)，定速泵運行時的流量應(yīng)當在高效區(qū)間的上下限：Qimin≤Qi（5）同樣的，變頻泵運行時的流量也應(yīng)當在高效區(qū)間內(nèi)：式中：Qjmin、Qjmax建立二次供水泵站優(yōu)化控制問題的數(shù)學(xué)模型，必須對水泵性能曲線進行準確的數(shù)學(xué)描述。本項目水泵組合為相同型號的一臺定速泵100KQL94-44-18.5/2、三臺調(diào)速泵，其中日常主要使用一臺定速泵兩臺調(diào)速泵。特性數(shù)據(jù)表如表2-1所示。表2-1100KQL94-44-18.5/2特性表Tab.2-1100KQL94-44-18.5/2characteristictable流量m3/h揚程m功率kw41.9749.169.7550.7648.7610.8358.348.4311.9166.8147.711.9974.4746.9113.8680.9246.0714.4885.7845.2814.991.3543.8815.4898.1941.4215.85103.340.7916.1108.4138.9916.31111.7837.3016.51根據(jù)特性表達式以及數(shù)據(jù)表，使用MATLAB非線性擬合函數(shù)lsqcurvefit對離心泵測試數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合。Q-H擬合結(jié)果如圖2-6所示。圖2-6Q-H曲線擬合Fig.2-6Q-HCurvefitting根據(jù)擬合結(jié)果可以得出參數(shù)HX=51.2463,H=52.2463?0.0011Q2（Q-P擬合結(jié)果如圖2-7所示。圖2-7Q-P曲線擬合Fig.2-7Q-HCurvefitting根據(jù)擬合結(jié)果可以得出參數(shù)a=1.1476，b=0.2373，c=-0.00089546。則12SH-13的Q-P基本性能曲線可擬合為：N=1.1476+0.2373Q?0.00089546因此100KQL94-44-18.5/2調(diào)速泵的特性曲線為：H=52.2463N=1.1476據(jù)此可以建立以最小功率為目標的目標函數(shù):