[发明专利]一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法

说明书

技术领域

本发明属于工业自动控制领域，涉及泵站建模及节能控制技术，具体涉及城市排水系统单泵站建模及其节能控制技术、以及多泵站管网优化控制策略。

背景技术

随着城市的飞速发展,能源问题日趋紧张，排水系统节能问题也凸现其重要性，其中泵站的总耗能中电能消耗占主要部分,同时由于泵站设备运行效率过低、多泵站管网控制不合理等因素，造成消耗进一步加剧。因此,对现有泵站进行优化和节能控制,对于缓解城市用电紧张具有十分重要的意义。

目前,国内排水系统泵站设计大多是按照最不利条件下的最大流量和所需扬程配置。而在实际运行中,水泵的流量和扬程在大部分时间远低于所设计的标准。即使变频驱动泵站也仅仅采用恒压变流量的控制方式-实时切换并联水泵、调节水泵转速,使水压恒定,达不到节能控制的目标。当前泵站的节能控制技术主要存在以下不足：

1. 排水泵站运行主要靠人工经验控制排水泵的起停、运转及容量切换，缺少能准确描述泵站运行机理的实用模型。

2. 泵站中水泵一般处于恒速运行状态，无法实现调速运行，电机运转效率低下，单个泵站电耗一直居高不下。

3.多泵站管网系统为防止发生管网污水溢出,将进水池水位打得过低，各个泵站始终运行在高扬程状态,导致整个系统能耗过高，电能消耗严重。

4. 泵站控制无法实现无人值守。

发明内容

本发明的目的就是针对现有泵站建模及节能技术的不足，在一般泵站节能理论的基础上，从排水系统单泵站的运行工况入手，研究水泵的扬程、流量、转速、效率、能耗等几个关键因素及其相互关系，求解得到排水系统单泵站节能控制中定速水泵和调速水泵运行台数的最佳组合，实现单个泵站调速节能控制；将调速方法应用到排水系统多泵站管网系统中，结合系统运行状况以及人孔、管道、蓄水池等约束条件，得出排水系统多泵站管网优化控制数学模型，实现多泵站管网运行的节能控制。

本发明所提方法能有效解决排水系统泵站节能控制问题,实例分析和仿真中，取得了良好的效果。

本发明的技术方案：

结合透平的机械特性和水泵的管网特性，使用抛物线拟合和指数曲线拟合等方法得出排水系统水泵特性方程，根据水泵流量-扬程特性曲线确定单泵站调速泵和定速泵台数，使用最优控制方法实现得出多台调速泵并联运行泵站节能控制方法；根据管网运行状况及人孔、管道、蓄水池等约束条件得出多泵站管网优化控制模型及节能控制策略，通过反馈控制信息给排水系统底层PLC，实现对整个系统泵站的节能控制，实现泵站控制的无人值守。

本发明方法的步骤包括：

1.  建立排水系统泵的运行特性方程

一般透平机的机械特性为：

泵属于存在反抗压力的透平机，其管网特性方程为：

式中，表示扬程，表示净扬程，表示流量，表示管网摩阻，表示系数。根据以上透平机械特性和泵的特性，用抛物线逼近和指数曲线拟合的方法，可得，的特性方程为：

式中，表示消耗功率，表示流量，表示泵速，表示当时泵的扬程，表示当时泵的功率。表示泵的额定参数，表示由额定参数确定的系数(其中，)。

2.  单泵站运行泵开启台数的确定

排水泵站中泵的开启台数是按照服务扬程所处的区间来确定的，其数学模型是一个非线性规划模型。高效区左临界相似工况曲线方程为，式中，表示高效区左临界曲线系数；高效区右临界相似工况曲线方程为，式中，表示高效区右临界曲线系数。由全速泵特性曲线和高效区左右临界工况曲线特性得到，高效段左右临界点的服务扬程分别为和。最小服务扬程为(为净扬程)。

(1)     当服务扬程时，定速水泵运行在期望的高效区以外，采用全调速运行方式。实测净扬程，服务工况点处所对应的管路特性曲线方程为，可得服务流量，根据泵高效区左右临界相似工况曲线方程分别可得左、右临界流量为和；可得每台调速泵的流量调节范围，调速泵的运行台数。

(2)     当服务扬程时，定速水泵运行在期望高效区内，可求得定速水泵和调速水泵运行台数的最佳组合，以及调速水泵的最佳运行转速。服务流量：，由水泵特性曲线方程可得定速泵的流量为：，调速泵的调节范围为：。定速泵和调速泵的最佳组合为：(M、N为自然数)。

(3)     当服务扬程运行在期望的高效区以外时，即或者时，无论如何组合，水泵均运行于高效区外。

3.  单泵站多台调速泵并联运行的节能控制

根据第一步中泵的特性方程，可知，对泵站中第台泵的扬程有：