[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

摘要

本发明涉及一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法。现有的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。本发明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。

主权项

1.一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.建立排水系统泵的运行特性方程；泵属于存在反抗压力的透平机，由透平机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，可得泵的特性方程为：式中表示泵的扬程，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，表示系数，其中，；步骤2.确定单泵站运行泵开启台数；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；泵站工作高效区左临界相似工况曲线方程为，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，表示高效区右临界曲线系数；高效段左右临界点的服务扬程分别为和；最小服务扬程为，表示净扬程；(1)当服务扬程时，定速水泵运行在期望的高效区以外；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，，调速泵的调节范围为：；定速泵和调速泵的最佳组合为：，其中M、N为自然数；(3)当服务扬程在期望的高效区以外时，即或时，无论如何组合，泵站均运行于高效区外；步骤3.单泵站多台调速泵并联运行的节能控制；根据步骤1中泵的特性方程，可知，对泵站中第台泵的扬程有：式中，，表示第i台泵的扬程，表示第i台泵的流量，表示当时第i台泵的扬程；则在泵站中台泵并联运行时，可以得到泵站总耗能：同理，根据步骤1中泵的特性方程，可知，对泵站中第台泵的功耗有：式中，，表示第i台泵的消耗功率，表示第i台泵的流量，表示当时第i台泵的消耗功率；水泵以并联方式运行时，为了使泵站功耗降到最低，可建立如下目标函数和约束条件：为求以上目标函数在约束条件下的最小值，构造Lagrange函数，使用最优化控制方法，求出泵站能耗最低时，并联泵的转速；步骤4.多泵站管网节能控制城市排水系统多泵站管网的优化控制目标函数表示：式中，表示泵站管网的总能耗，表示每个泵站的能耗，表示泵站中泵的开启台数，表示第台泵的消耗功率，表示第台泵的流量；污水泵站管网控制属多目标优化控制系统，是实现泵水耗能和污水溢出最小化的双目标控制系统，污水溢出的目标函数可表示为：式中：表示污水溢出概率，表示泵站设定水位高度，为泵站水位高度变化量；要使该双目标优化控制系统控制效果最优，即和都取最小值，计算中采用主要目标法，即将双目标最优化问题转化为但目标的最优化，而将的最优化转化为单一约束条件；式中为某一可接受正小量；在排水系统中，约束的选择既要考虑控制变量也要考虑其它不能直接控制的变量，优化问题的约束有以下三种：a.防止污水溢出，人孔的约束条件为：，其中表示第个人孔水位，表示第个人孔发生溢出时的临界水位；b.管道允许的流量：，其中表示第个管道的实际流量，表示第个管道允许的最大流量值；c.泵站进水池水位约束：；式中和分别表示进水池可容许的最低水位和最高水位；综上，多泵站管网的优化控制问题可以使用如下模型表示：步骤5.将单泵站节能控制得出的泵开启台数和调速泵转速，反馈给排水系统底层PLC，实现对排水系统泵站运行进行实时控制，实现无人值守。