灌溉网络泵站调节策略研究

梁军山

(长沙县黄花电力排灌站，湖南 长沙 410137)

1 概述

目前，在气候变化和能源价格上涨趋势的背景下，有必要开发节能工具，以便优化能源的使用，提高环境和经济效益。在灌溉地区，能源是一个需要考虑的重要因素，因为它对总管理、运营和维护成本有很大影响。因此，与其他分配系统(如明渠)相比，加压灌溉网络(IRN)有助于提高水资源的利用率[1- 2]。然而，在加压系统中，由于需要泵站对系统加压，能耗相对较高。而且加上不断增加的能源成本，有必要开发工具来优化这类基础设施的效率。

有许多降低加压灌溉网络能耗的研究。对于按需灌溉网络，一种方法侧重于根据给水栓的能源需求对其进行分组灌溉，节约的能源从9%到27%不等[3- 4]。其他研究的基础是分析具有特殊能源需求的给水栓的位置，这些给水栓被定义为关键控制点，以减少能源消耗和改善网络分区[5- 6]。这些研究大多假设泵送系统的效率固定，而不考虑其可变性，这取决于每种情况下流量和泵扬程的组合。在设计泵站时，仅考虑高流量来确定设计流量，但在大多数情况下，会产生低流量和中等流量。这可能会导致泵站以较低的效率运行。因此，有必要提高系统在低流量和中等流量时的效率。这对于按需灌溉网络很重要，并且与灌溉季节期间出现的流量高可变性和所需的泵扬程变化有关。

因此，一旦想实施最佳调节策略，就有必要考虑泵送系统对于流量和压力的每个组合的效率。这在一些研究中已经得到考虑。一些学者提议使用遗传算法将加压灌溉网络的取水口分组，该算法可优化能源利用率[7- 9]。其他研究分析了安装频率速度驱动器以优化能量使用。加压灌溉网络中泵站最常见的调节类型是固定压力调节，但可变压力调节可用于保证打开的给水栓处的最小压力[10]。主要分析流量和压力的组合，最小扬程是否可以被认为是最有效的。因此，对于每种流量方案，可以确定泵站的压力，以保证指定的给水栓压力值，并使泵送系统的功耗最小。

本文的目的是开发一种确定最佳泵扬程的方法，使泵站所需的功率最小化，并保证网络中所有打开的给水栓的规定最小压力。该工具是在MATLAB环境下使用EPANET工具包开发的。使用这一工具，考虑了各种流量和泵扬程组合下泵站的效率。

2 灌溉网络

2.1 灌溉网络特征

为了证明所开发方法的实用性，对湖南省某按需加压灌溉网络(IRN)进行了分析，如图1所示。它的可灌溉面积约为267hm2，有121个给水栓。泵站的调节以固定压力为基础，以55m为固定泵扬程，保证每个打开的给水栓处有30m。泵站有4台泵(每台47kW)，其中一台采用变频驱动。

图1 灌溉网络布局

为了实现泵站的固定压力调节，在泵收集器中安装了一个压力传感器，用于控制变速泵和定速泵的启动顺序，以保持所需的压力。在所有情况下，自动化系统控制给水栓阀门的开启和关闭。每个给水栓都有一个流量限制器和一个流量计。因此，在稳态建模过程中，所有给水栓的流量都被认为是恒定且已知的。

2.2 数据采集

为了实现每一个灌溉网络，有必要获得关于灌溉网络的数据，例如管道直径和网络布局。这一信息是从灌区数据库中获得的，并得到了实地数据的补充。灌溉网络的主要组成部分(给水栓、泵站和管道长度)的位置是使用高精度全球导航卫星系统实时定位设备确定的(误差<20mm)。所用管道的材料和直径信息来自灌区数据库。使用便携式超声波流量计(2.5%精度)，测量泵站的泵流量。泵站的扬程是使用压力传感器(1%精度)确定的。用电网分析仪测量泵的电参数，如电流、电压和功率。

3 研究方法

该方法可分为3个部分，如图2所示：①需求场景的生成和网络节点压力的确定，②泵站所需扬程的确定，③泵送系统消耗的效率和能量的确定。

图2 计算方法流程图

3.1 需求场景的生成和网络节点压力的确定

根据高峰时期应用的方法，第一步是进行需求场景的模拟。它是通过随机日需求曲线(RDDC)方法，该方法适用于按需灌溉网络中的水和压力需求的模拟。RDDC场景是针对白天和高峰期的开放式给水栓生成的。给水栓打开的概率是通过考虑每个地块的灌溉特性来计算的，每个地块的灌溉子单元数量、取决于作物需水量的灌溉时间、网络每日运行时间和灌溉间隔。因此，这为每次流量提供最佳压力所需的所有流量。然而，仍然有必要确定最小泵扬程，以确定每次流量的最小泵送需求。

为了生成需求场景，当给水栓运行时，应考虑在运行时间内运行，并在为给水栓建立的灌溉时间内有足够的时间灌溉该区域。因此，在高峰期的一天内，该时间间隔被划分为15min的时间间隔，在该时间间隔内，特定的给水栓可以运行。对于每个间隔，随机确定给水栓是否打开。

在所有分析的情况下，由于网络管理避免白天(每天6小时)的高电价期，因此运行时间均短于24h。在模拟过程中考虑到这一问题，使用18h(24～6h)的运行时间来生成需求场景。因此，使用1000次重复生成了72个需求数据集，以获得72，000个场景的数据库。借助于在MATLAB中开发的工具，并使用EPANET计算引擎的动态函数库，计算了网络中所有管道(包括主管道)的流量以及每个生成场景下每个给水栓的压力水头。该方法仅用于确定主管道的设计流量。通过这种方法，可以获得每个给水栓的压力和沿着每个管道的流量。这可以保证打开的给水栓处的最小压力。

3.2 泵站效率和能耗的确定

对于每一个分析的方案和每一种情况，泵站的能源效率都是使用泵站能源分析模型计算的。该模型再现了泵站中所有泵的行为。因此，模型输出是泵站流量和泵扬程每种组合的效率曲线。考虑到所有生成的需求场景，使用这些数据计算每个分析方案的平均能耗。

3.3 泵站泵扬程的确定及实例分析

在每个需求场景下，为了确定泵站的扬程，考虑沿主管道的相同流量，分析了3种情况。方案1是在考虑固定压力调节的情况下开发的，泵站的扬程固定为55m。这些数值是由灌溉网络的管理者根据高峰时期给水栓压力不足的情况进行估算的。方案2是利用泵站的扬程进行的，该泵扬程保证在最严格的节点处最小所需泵扬程为30m。方案3的开发考虑了泵站的扬程，该泵扬程最小化了泵站所需的功率，定义为最佳泵扬程。灌溉网络的主要参数，见表1。

表1 灌溉网络的主要参数

4 结果和讨论

4.1 流量分配

在配水网络中，获取需求过程线，主要是高峰期的过程线，可以提供关于能源需求的有用信息。考虑到这一点很重要，因为低、中、高流量的频率与泵站的要求压力密切相关。各种需求情况下，各管网主管流量的可变性如图3所示。该灌溉网络的流量较低，98%的流量在10至80L/s之间。因此，如果泵站的设计只考虑设计流量而不考虑流量的分布，可能会获得不适当的性能。本文只考虑高峰时段，因为这是能源需求最大的时段。

4.2 泵站扬程

不仅流量是确定能量需求的关键参数，还需要确保打开的给水栓的最小压力所需的压力。通常情况下，IRN的管理人员以尽可能低的压力调节泵站，使系统能够以高效的方式工作。然而，这种所需的压力可能不足以满足低或中等流量，并使泵在不合适的工作点工作，从而降低能效。

针对每次流量在每个分析方案(方案1、2和3)中计算的泵扬程，如图4所示。可以看出，方案2和方案3在高达75L/s的流量方面非常相似。对于其余的流量，最佳泵扬程高于最小泵扬程，甚至高于接近55m的固定压力调节值。可以看出最小泵扬程与最佳泵扬程相似，因为在灌溉网络中流量不超过80L/s，如图3所示。基于固定压力调节的泵扬程值与方案2和方案3中的泵扬程值有很大差异。考虑固定压力调节的泵站的扬程高于泵送系统大多数流量的最小和最佳压力水头。这种负面影响在压力过高的低流量和中等流量中尤为突出。因此在泵送系统使用可变泵扬程是有意义的。

图4 不同流量下三个方案计算的泵扬程

4.3 泵站效率

在泵站中，能效是决定泵送系统功耗的最重要参数之一。在分析泵送系统性能的大多数研究中，假设有一个独立于流量的高恒定效率，但该参数可能因每个泵站的流量和所用的泵扬程而异。

就本文分析的情况而言，获得的泵站效率如图5所示。考虑到方案2和方案3，能源效率非常相似，但80～100L/s的流量区间，存在较大的差异，这可能受到此范围获得的泵扬程值的影响，对于80～100L/s的流量，最佳泵扬程增加。对于这3种情况，使用固定压力调节的方案1的泵送效率高于方案2和方案3。这并不意味着固定调节比最佳压力调节更好，因为能量效率的增加不能补偿泵扬程的增加。能效不应被视为确定泵站最小功耗的唯一参数。然而，工程师通常将泵站设计为在设计流量下具有最大效率，低估了剩余流量。这些流量实际上是按需灌溉网络中最常见的，能源成本的主要驱动力是抽水。因此，在设计泵站时，不仅要考虑设计流量，还要考虑高峰时期管网主管道的低流量。

图5 每种分析情况下泵站的能效

4.4 消耗的功率和能量

在泵站中，消耗的功率取决于流量、泵站的扬程和泵送系统的效率。因此，需要考虑这些参数来确定泵送系统的最佳泵扬程。当分析抽水系统消耗的电力时，显示了分析方案之间的主要差异，如图6所示。对于高达80L/s的流量，消耗的功率与方案2和3非常相似，并且方案1所需功率更高.这是因为泵扬程比方案2和3的泵扬程高大约10m。对于大于80L/s的流量，方案1和方案3的功耗达到最低值。这是因为两种情况下泵扬程相似，能量效率高。

图6 每种分析情况下泵站消耗的功率

通过比较3个方案获得了最高的节能效果，见表2。可以发现，使用最佳泵扬程，与固定压力调节相比，可以获得接近30%的平均节能。这与使用55m作为泵扬程进行固定压力调节有关，这大约比方案2和3的泵扬程高10%～15%。当分析每个流量区间时，方案3相对于方案1的能量节省在43%(从0～20L/s的流量)和20%(从60～80L/s的流量)之间。关于方案2和方案3，对于大于80L/s的流量获得了一定的节能效果。

表2 3种方案的节能比较

5 结论

本文提出一种计算泵站最佳水头的方法，从而最小化功率和能量消耗。这种最佳调节方案通过测量泵的电气和液压参数确定泵系统的能量效率，借此获得最小化能量消耗的扬程，得出如下结果：

(1)当泵扬程也很低时，泵效率往往很低。因此，在大多数情况下，建议增加泵站的扬程，以减少泵站消耗的功率。

(2)相比固定压力调节，使用最佳泵扬程获得了30%的平均节能。在某些流量下，效率值的增加是通过在高效率区域运行来补偿扬程的增加。

(3)使用可变泵扬程作为泵送系统的调节策略是提高泵送系统能量效率的解决方案，使用固定压力会增加泵送系统的能量消耗。