專利名稱：一種多泵站城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)自動控制領(lǐng)域，涉及泵站建模及節(jié)能控制技術(shù)，具體涉及城市排水系統(tǒng)單泵站建模及其節(jié)能控制技術(shù)、以及多泵站管網(wǎng)優(yōu)化控制策略。
背景技術(shù)：
隨著城市的飛速發(fā)展，能源問題日趨緊張，排水系統(tǒng)節(jié)能問題也凸現(xiàn)其重要性， 其中泵站的總耗能中電能消耗占主要部分，同時由于泵站設(shè)備運(yùn)行效率過低、多泵站管網(wǎng)控制不合理等因素，造成消耗進(jìn)一步加劇。因此，對現(xiàn)有泵站進(jìn)行優(yōu)化和節(jié)能控制，對于緩解城市用電緊張具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)排水系統(tǒng)泵站設(shè)計(jì)大多是按照最不利條件下的最大流量和所需揚(yáng)程配置。而在實(shí)際運(yùn)行中，水泵的流量和揚(yáng)程在大部分時間遠(yuǎn)低于所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。即使變頻驅(qū)動泵站也僅僅采用恒壓變流量的控制方式-實(shí)時切換并聯(lián)水泵、調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水壓恒定，達(dá)不到節(jié)能控制的目標(biāo)。當(dāng)前泵站的節(jié)能控制技術(shù)主要存在以下不足
1.排水泵站運(yùn)行主要靠人工經(jīng)驗(yàn)控制排水泵的起停、運(yùn)轉(zhuǎn)及容量切換，缺少能準(zhǔn)確描述泵站運(yùn)行機(jī)理的實(shí)用模型。2.泵站中水泵一般處于恒速運(yùn)行狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下，
單個泵站電耗一直居高不下。3.多泵站管網(wǎng)系統(tǒng)為防止發(fā)生管網(wǎng)污水溢出，將進(jìn)水池水位打得過低，各個泵站始終運(yùn)行在高揚(yáng)程狀態(tài)，導(dǎo)致整個系統(tǒng)能耗過高，電能消耗嚴(yán)重。4.泵站控制無法實(shí)現(xiàn)無人值守。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有泵站建模及節(jié)能技術(shù)的不足，在一般泵站節(jié)能理論的基礎(chǔ)上，從排水系統(tǒng)單泵站的運(yùn)行工況入手，研究水泵的揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速、效率、能耗等幾個關(guān)鍵因素及其相互關(guān)系，求解得到排水系統(tǒng)單泵站節(jié)能控制中定速水泵和調(diào)速水泵運(yùn)行臺數(shù)的最佳組合，實(shí)現(xiàn)單個泵站調(diào)速節(jié)能控制；將調(diào)速方法應(yīng)用到排水系統(tǒng)多泵站管網(wǎng)系統(tǒng)中，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀況以及人孔、管道、蓄水池等約束條件，得出排水系統(tǒng)多泵站管網(wǎng)優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)多泵站管網(wǎng)運(yùn)行的節(jié)能控制。本發(fā)明所提方法能有效解決排水系統(tǒng)泵站節(jié)能控制問題，實(shí)例分析和仿真中，取得了良好的效果。本發(fā)明的技術(shù)方案
結(jié)合透平的機(jī)械特性和水泵的管網(wǎng)特性，使用拋物線擬合和指數(shù)曲線擬合等方法得出排水系統(tǒng)水泵特性方程，根據(jù)水泵流量-揚(yáng)程特性曲線確定單泵站調(diào)速泵和定速泵臺數(shù)， 使用最優(yōu)控制方法實(shí)現(xiàn)得出多臺調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行泵站節(jié)能控制方法；根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行狀況及人孔、管道、蓄水池等約束條件得出多泵站管網(wǎng)優(yōu)化控制模型及節(jié)能控制策略，通過反饋控制信息給排水系統(tǒng)底層PLC，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)泵站的節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)泵站控制的無人值守。
本發(fā)明方法的步驟包括
1.建立排水系統(tǒng)泵的運(yùn)行特性方程一般透平機(jī)的機(jī)械特性為
H = AK2+BKQ-CQ2
泵屬于存在反抗壓力的透平機(jī)，其管網(wǎng)特性方程為
H = Hs+RQ2
式中4表示揚(yáng)程，墳表示凈揚(yáng)程，C 表示流量”表示管網(wǎng)摩阻，或氣C,Γ表示系數(shù)。根據(jù)以上透平機(jī)械特性和泵的特性，用拋物線逼近和指數(shù)曲線擬合的方法，可得好= /(β) , Ρ = _的特性方程為
H = Η0(— -CQ2
η
式中c表示消耗功率，β表示流量，《表示泵速，Hq表示當(dāng)β= O時泵的揚(yáng)程『表亍當(dāng)β= O時泵的功率。表示泵的額定參數(shù)，c’D表示由額定參數(shù)確定的系數(shù)(其中 C = (H, - He)iQ2e , D = (Pe _ P)!Qe )。2.單泵站運(yùn)行泵開啟臺數(shù)的確定
排水泵站中泵的開啟臺數(shù)是按照服務(wù)揚(yáng)程所處的區(qū)間來確定的，其數(shù)學(xué)模型是一個非線性規(guī)劃模型。高效區(qū)左臨界相似工況曲線方程為= ,式中表示高效區(qū)左臨界
曲線系數(shù)；高效區(qū)右臨界相似工況曲線方程為H=矩2，式中，^表示高效區(qū)右臨界曲線系數(shù)。由全速泵特性曲線和高效區(qū)左右臨界工況曲線特性得到，高效段左右臨界點(diǎn)的服務(wù)揚(yáng)程分別為和H—。最小服務(wù)揚(yáng)程為H- = aHs ((α- β) ( Hs為凈揚(yáng)程)。(1)當(dāng)服務(wù)揚(yáng)程Λ- <沁時,定速水泵運(yùn)行在期望的高效區(qū)以外， 采用全調(diào)速運(yùn)行方式。實(shí)測凈揚(yáng)程H5 ,服務(wù)工況點(diǎn)處所對應(yīng)的管路特性曲線方程為 H = A + 2,可得服務(wù)流量& = Pii-HJjR ,根據(jù)泵高效區(qū)左右臨界相似工況曲線方程分別可得左、右臨界流量為込=機(jī)/a和QdHja ；可得每臺調(diào)速泵的流量調(diào)節(jié)范圍
權(quán)利要求
1. 一種多泵站城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟1.建立排水系統(tǒng)泵的運(yùn)行特性方程；泵屬于存在反抗壓力的透平機(jī)，由透平機(jī)機(jī)械特性和泵的特性，用拋物線逼近和指數(shù)曲線擬合的方法，可得泵的特性方程為η式中/￡表示泵的揚(yáng)程表示消耗功率，β表示流量，《表示泵速，Atd表示當(dāng)β= 0時泵的揚(yáng)程，馬表示當(dāng)β= 0時泵的功率Wi,巧，a表示泵的額定參數(shù)，GD表示系數(shù)，其中 C = ( — He)jQl , D = (Pe — F)fQe ；步驟2.確定單泵站運(yùn)行泵開啟臺數(shù)；排水泵站中泵的開啟臺數(shù)是按照服務(wù)揚(yáng)程所處的區(qū)間來確定的；泵站工作高效區(qū)左臨界相似工況曲線方程為丑= β2 , β表示高效區(qū)左臨界曲線系數(shù)；高效區(qū)右臨界相似工況曲線方程為Α' = / β2，應(yīng)表示高效區(qū)右臨界曲線系數(shù)；高效段左右臨界點(diǎn)的服務(wù)揚(yáng)程分別為H*和H—;最小服務(wù)揚(yáng)程為Zfmil = aHj(a- β) , Hs表示凈揚(yáng)程；(1)當(dāng)服務(wù)揚(yáng)程時,定速水泵運(yùn)行在期望的高效區(qū)以外；每臺調(diào)速泵的流量調(diào)節(jié)范圍4Hiia鳴忘^Up ,調(diào)速泵的運(yùn)行臺數(shù)及=q￡ fa-m ；(2)當(dāng)服務(wù)揚(yáng)程>Hd> Hm2 時，= (5 + ^B2+4C(A-Hd))/2C ,調(diào)速泵的調(diào)節(jié)范圍為批/a <Qm< (B + ^B2 + 4C(A -Hd))/2C ；定速泵和調(diào)速泵的最佳組合為 1 + Ατβ = Gli ,其中I、#為自然數(shù)；(3)當(dāng)服務(wù)揚(yáng)程在期望的高效區(qū)以外時，即H^HmlH<Hmii時，無論如何組合，泵站均運(yùn)行于高效區(qū)外；步驟3.單泵站多臺調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行的節(jié)能控制； 根據(jù)步驟1中泵的特性方程,可知,對泵站中第 臺泵的揚(yáng)程有- = HkS - CiQf1式中馬=njn,，Ci = (Hm-Hie)iQl , Hi表示第i臺泵的揚(yáng)程，Qi表示第i臺泵的流量，Hifs表示當(dāng)β= 0時第i臺泵的揚(yáng)程；則在泵站中N臺泵并聯(lián)運(yùn)行時，可以得到泵站總耗能
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多泵站城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能控制方法?，F(xiàn)有的排水泵站運(yùn)行主要靠人工經(jīng)驗(yàn)控制排水泵的起停、運(yùn)轉(zhuǎn)及容量切換。本發(fā)明結(jié)合透平的機(jī)械特性和水泵的管網(wǎng)特性，使用拋物線擬合和指數(shù)曲線擬合等方法得出排水系統(tǒng)水泵特性方程，根據(jù)水泵流量-揚(yáng)程特性曲線確定單泵站調(diào)速泵和定速泵臺數(shù)，使用最優(yōu)控制方法實(shí)現(xiàn)得出多臺調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行泵站節(jié)能控制方法；根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行狀況及人孔、管道、蓄水池等約束條件得出多泵站管網(wǎng)優(yōu)化控制模型及節(jié)能控制策略，通過反饋控制信息給排水系統(tǒng)底層PLC，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)泵站的節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)泵站控制的無人值守。
文檔編號F04B49/00GK102162443SQ20111007228
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者楊成忠, 王建中, 薛安克, 金波, 魯仁全 申請人:杭州電子科技大學(xué)