一种隧道泵站机组运行优化方法

摘要

本发明公开了一种隧道泵站机组运行优化方法，所述隧道泵站机组运行优化方法包括：S1：根据历史隧道反坡抽排水相关信息，选取单泵型号；S2：根据所述单泵型号，获取泵站机组配置；S3：获取所述泵站机组配置的相关约束条件；S4：根据所述相关约束条件，利用遗传算法，得到泵站机组最佳运行工况。本发明所提供的隧道泵站机组运行优化方法，能够保证隧道抽排水系统的抗风险性、减少泵站能耗，同时延长水泵寿命。

权利要求

1.一种隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述隧道泵站机组运行优化方法包括：S1：根据历史隧道反坡抽排水相关信息，选取单泵型号；

S2：根据所述单泵型号，获取泵站机组配置；

S3：获取所述泵站机组配置的相关约束条件；

S4：根据所述相关约束条件，利用遗传算法，得到泵站机组最佳运行工况；

历史隧道反坡抽排水相关信息包括：隧道掌子面涌水量、隧道单位长度的涌水量、隧道反坡坡度、隧道反坡长度以及泵站间距；

所述相关约束条件包括：

单泵流量约束、泵站排水量平衡、单泵高效区间约束、扬程约束和泵站编号；

所述步骤S4包括：

S41：根据所述泵站机组的当前相关约束条件，确定目标约束函数；

S42：根据所述目标约束函数，利用rank算法，得到适应度函数值；

S43：判断所述适应度函数值是否达到预设值，若是，进入步骤S46，否则，进入步骤S44；

S44：根据预设精英数目和交叉后代比例对部分所述相关约束条件中的部分数据进行交叉变异处理，得到新的相关约束条件；

S45：判断当前运算次数是否达到预设阈值，若是，进入步骤S46，否则，进入步骤S47；

S46：输出所述适应度函数值；

S47：将所述新的相关约束条件作为所述泵站机组的当前相关约束条件并返回步骤S41；

所述步骤S41中，将公式：单一水泵的功率=（液体密度*重力加速度*扬程）/（3600*效率），以及公式：单位时间总能耗=所有单一水泵的功率之合中的扬程、效率分别用响应的流量‑扬程、流量‑效率表达式进行替代，以形成所述目标约束函数，所述目标约束函数为能耗与流量之间的关系式，后续约束条件也转化为对应流量约束条件。

2.根据权利要求1所述的隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31：确立所述隧道泵站机组运行优化目标；

S32：根据所述优化目标，建立优化目标模型；

S33：根据所述优化目标模型和所述泵站机组配置，得到所述泵站机组配置的相关约束条件。

3.根据权利要求2所述的隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述优化目标模型为：其中， 表示排水系统总功率； 表示第 台单泵的实际功率且 ， 表示第 台水泵的实际流量， 表示第 台水泵的实际扬程， 表示第 台水泵的实际效率， 表示流体密度， 表示重力加速度，表示各级泵站所包含的水泵数量。

4.根据权利要求1所述的隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述单泵流量约束包括：

正常涌水量工况下，单泵最大排水量为额定排水量1.1倍；最大涌水量工况下，单泵最大排水量为额定排水量1.2倍。

5.根据权利要求1所述的隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述泵站排水量平衡包括：

其中， 表示第 台水泵的实际流量， ， 表示各级泵站所包含的水泵数量； 表示隧道涌水经过第 级泵站的排水量。

6.根据权利要求1所述的隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述单泵高效区间约束包括：

其中， 表示第 台水泵的实际效率， 表示第 台水泵的额定效率。

7.根据权利要求1所述的隧道泵站机组运行优化方法，其特征在于，所述扬程约束包括：其中， 表示第 台水泵的实际扬程； 表示相邻泵站入水口到出水口的高度差； 表示第 台水泵对应管道的沿程水头损失。

说明书

一种隧道泵站机组运行优化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道抽排水技术领域，具体涉及一种隧道泵站机组运行优化 方法。

背景技术

[0002] 隧道泵站在抽排水系统中一般采用并联和串联的方式运行，同时泵站的 提水量会根据需求量发生变化，与此同时，扬程也会随之变化，若外界条件 发生改变，不能及时做出调整，将会使得泵站实际运行工况将会偏离效率的 最高点，造成能源的浪费。

[0003] 传统优化方法具有较为理论与系统的计算方法，处理数据过多时，计算 效率不高，优化路径比较单一，可能出现结果不收敛或无法找到真正意义上 最优解的状况；随着工程问题逐渐复杂化、限制因素不断增多，原有的常规 优化算法已经不能完全满足工程实际的需求，在优化调度计算中应用较少。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种隧道泵站机组运行优化方法，以能够保证隧 道抽排水系统的抗风险性、减少泵站能耗，同时延长水泵寿命。

[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

[0006] 本发明提供一种隧道泵站机组运行优化方法，所述隧道泵站机组运行优 化方法包括：

[0007] S1：根据历史隧道反坡抽排水相关信息，选取单泵型号

[0008] S2：根据所述单泵型号，获取泵站机组配置；

[0009] S3：获取所述泵站机组配置的相关约束条件；

[0010] S4：根据所述相关约束条件，利用遗传算法，得到泵站机组最佳运行工 况。

[0011] 可选择地，所述步骤S3包括：

[0012] S31：确立所述隧道泵站机组运行优化目标；

[0013] S32：根据所述优化目标，建立优化目标模型；

[0014] S33：根据所述优化目标模型和所述泵站机组配置，得到所述泵站机组 配置的相关约束条件。

[0015] 可选择地，所述优化目标模型为：

[0016]

[0017] 其中，P总表示排水系统总功率；Pi表示第i台单泵的实际功率且  Qi表示第i台水泵的实际流量，Hi表示第i台水泵的实际扬程， ηi表示第i台水泵的实际效率，ρ表示流体密度，g表示重力加速度。

[0018] 可选择地，所述相关约束条件包括：

[0019] 单泵流量约束、泵站排水量平衡、单泵高效区间约束、扬程约束和泵站 编号。

[0020] 可选择地，所述单泵流量约束包括：

[0021] 正常涌水量工况下，单泵最大排水量为额定排水量1.1倍；最大涌水量 工况下，单泵最大排水量为额定排水量1.2倍。

[0022] 可选择地，所述泵站排水量平衡包括：

[0023]

[0024] 其中，Qi表示第i台水泵的实际流量，i＝1,2,3,…n，n表示各级泵站所 包含的水泵数量；Qj,总表示隧道涌水经过第j级泵站的排水量；

[0025] 可选择地，所述单泵高效区间约束包括：

[0026] |η实际‑η额定|<5％

[0027] 其中，η实际表示第i台水泵的实际效率，η额定表示第i台水泵的额定效率； 可选择地，所述扬程约束包括：

[0028] Hi>Z+hw

[0029] 其中，Hi表示第i台水泵的实际扬程；Z表示相邻泵站入水口到出水口 的高度差；hw表示第i台水泵对应管道的沿程水头损失。

[0030] 可选择地，所述步骤S4包括：

[0031] S41：根据所述泵站机组的当前相关约束条件，确定目标约束函数，其 中，所述相关约束条件包括单泵流量约束、泵站排水量平衡、单泵高效区间 约束、扬程约束和泵站编号；

[0032] S42：根据所述目标约束函数，利用rank，得到适应度函数值；

[0033] S43：判断所述适应度函数值是否达到预设值，若是，进入步骤S46，否 则，进入步骤S44；

[0034] S44：根据预设精英数目和交叉后代比例对部分所述相关约束条件中的 部分数据进行交叉变异处理，得到新的相关约束条件；

[0035] S45：判断当前运算次数是否达到预设阈值，若是，进入步骤S46，否则， 进入步骤S47；

[0036] S46：输出所述适应度函数值；

[0037] S47：将所述新的相关约束条件作为所述泵站机组的当前相关约束条件 并返回步骤S41。

[0038] 本发明具有以下有益效果：

[0039] 本发明针对隧道反坡抽排水泵站的运行普遍存在效率低、能耗大的问 题，对隧道反坡泵站的优化调度进行了全面研究，通过采用遗传智能优化算 法对隧道反坡泵站进行优化运行研究，能够保证隧道抽排水系统的抗风险性 以及减少泵站能耗，从而能够延长水泵寿命。

附图说明

[0040] 图1为本发明所提供的隧道泵站机组运行优化方法流程图；

[0041] 图2为图1中步骤S3的分步骤流程图；

[0042] 图3为图1中步骤S4的分步骤流程图；

[0043] 图4至图8为各级泵站利用本发明优化方法产生的优化后的流量与额定 流量对比结果示意图。

具体实施方式

[0044] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

[0045] 实施例

[0046] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

[0047] 本发明提供一种隧道泵站机组运行优化方法，参考图1所示，所述隧道 泵站机组运行优化方法包括：

[0048] S1：根据历史隧道反坡抽排水相关信息，选取单泵型号；

[0049] 这里，历史隧道反坡抽排水相关信息包括：隧道掌子面涌水量、隧道单 位长度的涌水量、隧道反坡坡度、隧道反坡长度以及泵站间距等信息，由此 选用单泵的型号，对单泵的特征曲线进行拟合。

[0050] 单泵特性曲线反映了泵的各性能参数之间相互变化的关系，可为调节水 泵经济运行提供依据；在实际应用中，需要对性能参数之间离散点进行了实 验测量，并用一定的数学方法进行拟合得到泵的特性曲线。拟合单泵特性曲 线最常用的方法是多项式最小二乘法：

[0051]

[0052] 在求解公式1‑1中未知系数时，需要先求解(1‑2)中的方程组

[0053]

[0054] 从而求得未知系数a0，a1，…，an，将其带入公式1‑1，求得性能曲线 的多项式。本发明是针对定速泵的性能曲线进行讨论，对调速泵则不进行探 究。

[0055] 以下为定速泵的基本曲线：

[0056]

[0057]

[0058]

[0059] 上式中，HN为额定扬程；PN为额定功率；QN为额定流量；ηN为额定效 率[0060] a1、b1 c1 a2 b2 c2 a3 b3 c3为未知量。

[0061] S2：根据所述单泵型号，获取泵站机组配置；即根据单泵型号，获取包 括所述单泵型号的泵站机组配置，这里泵站机组配置包括多个单泵。

[0062] S3：获取所述泵站机组配置的相关约束条件；

[0063] 可选择地，参考图2所示，所述步骤S3包括：

[0064] S31：确立所述隧道泵站机组运行优化目标；

[0065] 这里，优化目标可以是本领域技术人员根据实际情况所定制的，本发明 在此不做具体限制。

[0066] S32：根据所述优化目标，建立优化目标模型；

[0067] 排水系统的能耗主要由泵站内水泵造成的。水泵运行在高效区时，泵机 效率较高，所需的能耗就少，故在总流量一定时，应合理分配每台水泵的流 量使其在高效区间运行。因此，所述优化目标模型为：

[0068]

[0069] 其中，P总表示排水系统总功率；Pi表示第i台单泵的实际功率且  Qi表示第i台水泵的实际流量，Hi表示第i台水泵的实际扬程， ηi表示第i台水泵的实际效率，ρ表示流体密度，g表示重力加速度。

[0070] S33：根据所述优化目标模型和所述泵站机组配置，得到所述泵站机组 配置的相关约束条件。

[0071] 隧道抽排水系统在进行排水时受到水泵排水能力、集水坑的容积、以及 提升扬程等方面的约束。为了满足各级泵站的输水要求，保证隧道内的涌水 量充分排出，且水泵均处于高效区间内运行，建立模型时需要给出相应的约 束条件，本发明的相关约束条件包括：

[0072] 单泵流量约束、泵站排水量平衡、单泵高效区间约束、扬程约束和泵站 编号。

[0073] 由于当水泵的实际流量远大于额定流量较大时，会对电机等造成一定的 损坏，为保证水泵安全高效稳定的运行，需要对水泵的最大流量进行约束； 通过分析选定水泵特征曲线方程，最终确定所述单泵流量约束包括：

[0074] 正常涌水量工况下，单泵最大排水量为额定排水量1.1倍；最大涌水量 工况下，单泵最大排水量为额定排水量1.2倍。

[0075] 在隧道抽排水的系统中，每级泵站由多个水泵组成；虽单泵的实际流量 存在差别，但对于每级泵站而言，单位时间内通过该等级泵站的流量是一定 的。因此，可选择地，所述泵站排水量平衡包括：

[0076]

[0077] 其中，Qi表示第i台水泵的实际流量，i＝1,2,3,…n，n表示各级泵站所 包含的水泵数量；Qj,总表示隧道涌水经过第j级泵站的排水量。

[0078] 选用的水泵型号不同，所对应的高效区间也不尽相同；因此，针对求解 系统的能耗最低问题，需要对不同型号水泵进行高效区间的约束。可选择地， 所述单泵高效区间约束包括：

[0079] |η实际‑η额定|<5％

[0080] 其中，η实际表示第i台水泵的实际效率，η额定表示第i台水泵的额定效率。

[0081] 泵站的扬程应大于等于对应泵间距产生的水头损失。可选择地，所述扬 程约束包括：

[0082] Hi>Z+hw

[0083] 其中，Hi表示第i台水泵的实际扬程；Z表示相邻泵站入水口到出水口 的高度差；hw表示第i台水泵对应管道的沿程水头损失。

[0084] 除此之外，在进行数学模型分析时，为便于对超长反坡隧道抽排水系统 的优化调度，应对各级泵站的水泵进行编号。

[0085] S4：根据所述相关约束条件，利用遗传算法，得到泵站机组最佳运行工 况。

[0086] 可选择地，参考图3所示，所述步骤S4包括：

[0087] S41：根据所述泵站机组的当前相关约束条件，确定目标约束函数，其 中，所述相关约束条件包括单泵流量约束、泵站排水量平衡、单泵高效区间 约束、扬程约束和泵站编号；

[0088] 根据公式：

[0089] 单一水泵的功率＝(液体密度*重力加速度*扬程)/(3600*效率)；

[0090] 单位时间总能耗＝所有单一水泵的功率之合。

[0091] 将该公式中的扬程、效率分别用相应的流量‑扬程、流量‑效率表达式进 行替代，以形成目标约束函数。这样，形成的目标约束函数即为能耗与流量 之间的关系式，后续约束条件也转化为对应流量约束条件。

[0092] S42：根据所述目标约束函数，利用rank，得到适应度函数值；

[0093] S43：判断所述适应度函数值是否达到预设值，若是，进入步骤S46，否 则，进入步骤S44；

[0094] S44：根据预设精英数目和交叉后代比例对部分所述相关约束条件中的 部分数据进行交叉变异处理，得到新的相关约束条件；

[0095] 使用函数随机均匀进行选择。遗传算法为了繁殖下一代，需要设置精英 数目和交叉后代比例，此处设定为0.05和0.8。

[0096] S45：判断当前运算次数是否达到预设阈值，若是，进入步骤S46，否则， 进入步骤S47；

[0097] S46：输出所述适应度函数值；

[0098] S47：将所述新的相关约束条件作为所述泵站机组的当前相关约束条件 并返回步骤S41。

[0099] 本发明具有以下有益效果：

[0100] 本发明针对隧道反坡抽排水泵站的运行普遍存在效率低、能耗大的问 题，对隧道反坡泵站的优化调度进行了全面研究，通过采用遗传智能优化算 法对隧道反坡泵站进行优化运行研究，能够保证隧道抽排水系统的抗风险性 以及减少泵站能耗，从而能够延长水泵寿命。

[0101] 实施例2

[0102] 在本发明中，通过对水泵厂家提供的实验数据进行拟合，得到相关型号 的水泵特征曲线，具体见表1：

[0103] 表1水泵特征曲线表达式

[0104]

[0105]

[0106] 基于此，本发明各级泵站水泵编号如表2所示：

[0107] 表2各级泵站水泵编号

[0108]

[0109] 借助MATLAB对反坡排水系统的模型进行优化，结果如表3。

[0110] 表3各级泵站水泵优化后流量

[0111]

[0112]

[0113] 各级泵站优化前的额定流量与优化后的流量进行对比，结果如图4‑图8 所示。以一级泵站为例进行分析，尽管一级泵站中的1号水泵在优化后排水 量超过额定流量，但一级泵站中2、3号水泵的排水量大幅度降低，使得一 号泵站的总能耗显著降低，同理可分析其他泵站。

[0114] 将上述水泵的优化流量带入功率计算公式，可以得出反坡排水系统优化 后在正常涌水量和最大涌水量工况下的耗能分别为666.33kw/h、 1014.80kw/h,相比水泵处于额定状态下分别降低了13.75％和5.69％，在保证 顺利完成排水任务的同时节约了排水成本。

[0115] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。