关键词：排水泵站；在线水力模型；排水管网；智能调度
引言
泵站在城市排水系统中起着相当重要的作用，同时也需要消耗大量的能量。随着泵站工程规模的扩大和复杂程度的提高,泵站的运行调度管理显得越来越重要。泵站的效益和能耗与水泵的效率、动机效率等众多因素有关，泵站运行调度主要是在一定时期内，通过泵站科学管理的优化技术和调度决策,按照一定的最优准则，在满足相应的约束条件的前提下,使泵站运行的目标函数达到最优，这也说明泵站调度不是追求某一设备的运行状态最好，而是以整体配合的运行状态最优为目标。目前泵站普遍使用的调度方法是根据进水水位来决定水泵的启停，所谓的“智能”，也仅仅是远程操作，这样在来水快速上升时，易造成排水不畅，而来水缓慢下降时，则水泵频繁启停，导致许多泵站机组没有在最优工况下运行,造成大量电能损失,或者泵站运行调度不合理,造成弃水量过多等。故提高泵站运行的经济效益和社会效益,优化泵站运行已成为一个重要问题。随着计算机智能算法的日益成熟，泵站的优化调度也越来越多地结合计算机智能算法来求解，基于管网水量分析的排水泵站智能调度方法就是其中之一。本文对该方法进行简单叙述，并结合相应案例进行对比分析，为泵站优化调度方法的发展提供相应的理论支持。
1概述
随着城镇化的发展，日益膨胀的城市人口及生存环境迫切需要建立一个全区域污水排放口、排水泵站、城市内河等单元的水质、流量、意外泄露等水情参数的数字化监测、收集及预警并快速反应处理的综合信息系统。该系统采用星形结构，以监控中心为核心，可连续或间歇地对现场的水量及水质实现多种参数在线监测；通过建立完善的监测网络，对某一类污染参数、污染源、水系进行自动巡测，为水环境监控提供完整的科学数据，快速准确地掌握辖区水域的污染，及时了解水处理系统中各流程点的水质状况，有效地保证水量的调配及水质的监测管理。该系统主要由物联网单元（现场排污口监测并辅以视频监控）、物联网监测管理中心、预警及快速反应系统三部分组成。
2泵站能耗分析
在只考虑泵站主水泵所需的能耗，而不考虑辅助设备、电气设备、站用变电站等所需的耗电量时，主水泵所需的输入功率可描述为
由式(1)可知，泵站的能耗不仅仅与泵的效率相关，同时与运行参数等其它很多因素有关，并且供水和排水泵站中，扬程、流量等参数经常变化。若从整个泵站经济运行的角度考虑，除考虑泵站效率因素外，还需考虑主要运行参数。在一定时间内，泵站的单位水量的能耗可描述为
由式(2)可知，水泵的单位水量能耗与效率和净扬程有关，若单独考虑泵站效率最高的指标，可能会选择能耗较高的工作状态。因此，在不同时段扬程经常变化的情况下，必须考虑泵提供的扬程及扬程对泵站能耗的影响。
3调度过程分析
通过计算可获知排水系统运行的最大能力，排水管道的实时运行情况，泵站的同步状态，污水厂的运行，溢水口等排水系统各个环节之间的动态关联关系，并且可找出其关系并建立系统最优的智能调度方案，而且可对调度方案产生的影响和后果进行模拟，并且是实时地进行决策和可知结果的执行。
3.1日常调度的4个步骤
3.1.1在当前水位hc高于开泵水位hoh时，控制智能调度子系统打开该泵站默认启动的泵。
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3.1.2检测当前泵站的当前水位hc，在该泵站的泵未全部开启时：若hc变大，控制智能调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；若hc变小，控制调度子系统维持该泵站当前状态；若泵站的所有泵均开启且当前水位hc仍然继续上涨，控制子系统控制报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；还控制智能调度子系统关闭部分上级泵站的泵；
3.1.3当前水位hc降低至开泵水位hoh时，控制子系统控制调度子系统关闭默认启动的泵以外的其他泵；3.1.4当前水位hc低于停泵水位hsl时，控制子系统控制调度子系统停止该泵站的泵。
3.2预排空的4个步骤
3.2.1根据预测到的降雨曲线以及降雨影响因子，结合汇水模型估算降雨过程中进入泵站的雨水量V降雨；
3.2.2根据泵站开泵水位与当前水位的差换算成可蓄水量V可蓄水，采用正失衡可行流对泵站进行调度预排水，使V可蓄水≥V降雨；
3.2.3计算污水处理厂的剩余处理能力；3.2.4根据污水处理厂的剩余处理能力进行预排空调度。
3.3在预排空步骤完成后，系统自动转入最佳排水调度的5个步骤
3.3.1控制子系统根据每一个泵站所服务的区域重要性设置调度优先级；
3.3.2在泵站完全可调度的条件下，采用平衡可行流调度排水或正失衡可行流排水；
3.3.3在泵站部分可调度的条件下，根据允许的最大排放量排水量采用负失衡可行流调度排水；
3.3.4在泵站不可调度的条件下，维持原状；
3.3.5当有泵站的集水池中的水位超过紧急控制水位线时则需要对其进行紧急控制调度。
在排水智能调度过程中，水位会不断地变化。如果一直保持着同样的调度优先级，可能会影响到其他泵站的排水调度，因此，好的调度方法，控制子系统会根据泵站的实时水位更新泵站的调度优先级，进而实现最大地发挥管网的排水能力。在日常节能优化调度中，控制子系统，在满足日常排水的要求下，让每台泵工作在高效节能区域，以达到节能的效果，从长远来看，此种设计方式不仅可以有效地减少能耗，还能通过更换开启的泵来实现泵的均衡利用。
3.4耗能最优工作流量点的求解根据泵的流量-功率特性曲线知，当流量一定时，对应的功率是一定的，特定功率N下的能耗E与时间是成正比的，即若泵在该功率下工作t时间，则有式（4）～式（6）。
式（4）～式（6）中，为流量与单位排水的耗能函数。若工作区间存在耗能最小值的工作流量点时，则排1t水，在该点状态工作所需能耗最小。对应的有一个满足：，因高效区间的特性曲线是连续的，故附近某个区间里的都能使相对较小，若选中一个区间，根据水位流量函数，则其对应的水位变化区间为Δh=[hsl，hoh]。
结语
综上所述，根据当前水量计算出需要排出的水量，能实现并自动控制相应排水量的泵开泵或停泵，实现对泵的调度；能结合天气预报和降雨预报预测未来时间内可能的降雨量，提前进行预排水，防止因未能及时排水引发水浸；能对泵群进行精确智能调度，实现泵站无人值守；能使排水系统的按照调度需求均衡的向目标输送，并最大地发挥泵站效率。
参考文献
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[4]龙新平,朱劲木,刘梅清,等.基于性能曲面拟合的泵站优化调度分析[J].水利学报,2004,(11):27-32.
论文作者: 张皓
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/28
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