基于供水管网优化调度系统节能分析 68页

'太原理1：人学硕士学位论文基于供水管网优化调度的系统节能分析摘要众所周知，我国是世界水资源严重匮乏的国家之一，人均水资源占有量不到世界平均水平的四分之一。目前我国水行业的现状是：一方面是城市人口数量在不断增多，城市用水量的需求在不断增加：而另一一方面是城市工业的快速发展，越来越多的水已经或者正在被污染，导致我国水行业正面临前所未有的严峻挑战。在国家节能减排的大背景下，如何提高水行业能源的利用效率，探索出一条可持续发展的道路，成为我们水行业人士所共同关注的焦点。综观国内水行业，绝大部分是老企业，由于年代久远，其设备已经陈旧，供电设备亦已老化，水耗药耗水平高，漏损严重，出水水质差。许多新建和改扩建的水处理工程，虽然投资组建了fcs、dcs、plc监控系统，但任然不能实现网络化监控的目的，造成了资源的浪费。由于工艺选用不当，工艺流程布置混乱，水泵机组的配置不合理，使得许多处理厂站的单位电耗成本高、发展困难。由此可见，水行业的降耗节能已经到了刻不容缓的地步。因此，如何采取科学的方法，对城市供水系统节能运行的合理性进行系统研究，如何在保证安全供水的前提下供对整个供水系统进行统一规划、合理布局，在降低投资的同时达到节能减排的目的，对促进水行业健康发 太原理：【大学硕士学位论文展、提高水行业的经济效益、社会效益都有着积极的意义。城市供水系统是城市基础设施的重要组成部分，担负着保障城市生活生产用水的重要任务，前人学者对供水系统的优化做出了一系列成功的研究尝试，本人在总结前人学者成功经验的基础上，对供水系统的优化做出了新的探索尝试。本文的研究方法是：将组成城市供水系统的取水、输水、管网以及泵站部分分为两类系统来分别优化，一类包括取水构筑物、水处理构筑物以及输水管线，另一类包括泵站以及整个管网，并将清水水池作为两类优化系统的衔接过渡部分来处理整个供水系统的优化。在求解过程中，一类优化系统以年费用为目标进行建模，求解最优供水扬程和最节省的年费用；在二类优化中，我们将管网和泵站系统分为两级进行优化，在一级优化即管网优化中，我们以最小的供水成本为目的进行优化，通过水力分析和运行费用的核算，求解最佳送水量和最佳送水扬程；在二级优化即泵站优化中，通过一级管网优化确定的送水水量和送水扬程，以最小的电耗为目标，来决定泵站内部泵的开启和组合方式，尽量满足水泵在高效运行范围内工作。然后选取清水池做为两类优化系统的媒介，对整个供水系统建立模型，结合具体的运行数据，求解适宜的清水池水面高度值范围，最终通过优化调度来实现城市供水系统的节能。在确定了系统优节能优化调度模型和求解方法的基础上，最终选取某县城供水系统为例，通过具体的工程应用实例来验证节能处理的效果。应用数据结果显示，取得了明显的节能效果。关键词：供水管网，优化调度，节能分析，优化算法 太原理l：人!学硕l：学t,12论文SYSTEMENERGY二SAVINGANALYSISBASEDONTHEⅥ，ATERSUPPLYPIPENETWORKOPTIMIZATl0NANDSCHEDULINGABSTRACTAsweallknow，Chinaisasevereshortageofoneofthecountriesoftheworld’SwaterresourcespercapitaWaterresourcesislessthantheworldaveragequarter．ThestatusofChina’Swaterindustry：ontheonehandthenumberofurbanpopulationontherise，andincreasingneedsofurbanwaterconsumption；theotherhand，therapiddevelopmentofurbanindustries，moreandmorewaterhasbeenorisbeingcontaminated．China’Swaterindustryisfacingunprecedentedchallenges．Thebackdropofthenationalenergysaving，howtOimprovetheenergyefficiencyofthewaterindustrytoexploreoutapathofsustainabledevelopmenthasbecomethefocusofattentionofourwaterindustryprofessionals．Lookingatthedomesticwatersector，mostoftheoldenterprises，duetotheage—oldandobsoleteequipment，powersupplyunitshavebeenaging，thewaterconsumptionofhighlevelsofdrugconsumption，severeleakage，poorwaterquality．Manynewandexpandedwatertreatmentworks，althoughtheinvestmentintheformationoffcs，thedcs，plc，monitoringsystem，butany 太原理．1：人学硕十学位论文contingentcannotachievethepurposeofnetworkmonitoring，resultinginawasteofresources．Asthetechnologyselectedproperly，theprocesslayoutisconfusing，andtheconfigurationofthepumpunitisunreasonable，makingthehighcostoftreatmentplantstationunitpowerconsumption，developmentdifficulties．Thus，savingenergysavinginthewaterindustryhascometOacriticalstate．Therefore，howtotakeascientificapproachtothereasonablenessofasystematicstudyofenergy·savingoperationofurbanwatersupplysystems，underthepremiseofensuringasafewatersupplyfortheentirewatersupplysystemofunifiedplanning，rationaldistribution，whilereducinginvestmentandachieveenergysavingthepurposeofpromotingthehealthydevelopmentofthewaterindustry,improvetheeconomicefficiencyofthewaterindustry，thesocialbenefitshasapositivemeaning．Urbanwatersupplysystemsisanimportantpartofurbaninfrastructure，tocarryouttheimportanttaskoftheprotectionofurbanlifeandproductionofwater,madeaseriesofsuccessfulresearchattemptsbythepreviousscholarsontheoptimizationofthewatersupplysystem，andIInconclusion，thesuccessfulexperienceofpreviousscholarsbasedontheoptimizationofthewatersupplysystemtomakenewexplorationattempt．Theresearchmethod：thecompositionoftheurbanwatersupplysystemsofwaterconveyancepipenetworkandpumpingstationpartisdividedintotwotypesofsystemstooptimizeaclassofwaterintakestructures，watertreatmentstructures，andwaterpipelines，theother 太原理1．人学硕+学位论文includingpumpstationsandpipenetworkandthewaterpoolasthetwotypesofoptimizingtheconvergenceofthetransitionsectionofthesystemtodealwiththeoptimizationoftheentirewatersupplysystem．Intheprocessofsolvingaclassofoptimizationsystemstotheannualcostofthetargetmodeling，solvingtheoptimalwaterliftandannualcostsavings；twotypesofoptimization，thepipenetworkandpumpingsystemintotwolevelstooptimizeanoptimizationthatis，thepipenetworkoptimization，weminimizethecostofsupplyingwaterforthepurposeofoptimization，solvingthebesttosendwaterthroughthehydraulicanalysis，accountingandoperatingcosts，andthebestbottledwaterliftpumpstation；twooptimizationinthroughapipenetworkoptimizationtodeterminethewatertOwaterandbottledwaterlift，withminimalpowerconsumptionasthegoal，todeterminethepumpingstationtheinternalpumptoopenandcombinations，asfaraspossibletomeetthewaterpumpintheefficientoperationwithin．Andthenselecttheclearwatertankasthemediumoftwotypesofoptimizationofthesystemmodeloftheentirewatersupplysystem，combinedwithaspecificoperatingdata，solvingtheappropriateclearpoolwaterheightvaluerange，theultimateenergysavingachievedbyoptimizingtheschedulingofurbanwatersupplysystems．Onthebasisofthesystemexcellentenergyoptimizationschedulingmodelandsolutionmethods，andultimatelyselectacountywatersupplysystem，forexample，tOverifytheeffectofenergy—savingdealwithspecificengineeringapplication．Applicationdataresultsshowthatsignificantenergysavings．V 太原理l：人学硕十学位论文KEYWORDS：watersupplynetwork，optimaloperation，energysavinganalysis，optimizationalgorithmV 第一章文献综述与选题背景1．1选题的来源及意义1．1．1优化调度解决的问题供水管网的优化调度就是在满足安全、可靠等用户用水要求的前提下，结合管网实时监测系统反馈的管网运行的状态数据，通过科学的预测手段来确定管网的用水总量以及分布情况，运用数学上的最优化算法，从可以预见的各种调度方案中，最终选择确定一个使系统运行费用可以最省，可靠性可以最高的调度方案，以期获得经济效益和社会效益的双赢|¨。优化调度可以解决以下问题：(1)可以降低泵的运行费用泵站内部通常搭配安装有多台水泵，这些水泵大小不同、型号各异，便于根据管网用水量的变化，对水泵的运行组合进行调配。近年来，随着变速泵被越来越多的运用，我们在调配过程中不仅要确定需要启动的变速泵，还要确定该泵需要的运行转速。理想的水泵调度，就是根据用水量的变化确定出启动运行的水泵效率最高，同时确定出在一天内不同的时段供应流量的大小。(2)可以减少漏损量我国是一个水资源大国，但人均占有量非常少，因此节约用水在我国有着非凡的意义，而减小管网漏损量就是节约用水的举措之一。我国城市管网的平均漏水率约为15％，减小管网漏损的方法有很多，降低管网中的水压就是其中一种行之有效方法、(3)可以降低维护保养费用爆管后管网修复的费用是很大，因此，通过合理的调度来保证管网所需的最小水压，避免管网积蓄过高的压力，减少压力波的产生，降低发生爆管的几率。 太原理I：人学硕+学位论文另外在调度时，要避免频繁地丌停水泵，在远距离输水管线上安装排气阀，减少设备磨损的现象和管网中破坏性水锤现象的发生。1．1．2节能政策及方法节约能源是人类生存和发展的重要内容，我们党和国家历来对此高度重视。近年来，我国节能减排的政策、法规逐渐出台，加速了我国推进节能减排的步伐。1998年1月l同，我国开始实施《中华人民共和国节约能源法》，标志着中国的节能工作逐步纳入法制化和规范化轨道。1999年2月l同中国节能产品认证管理委员会出台了《中国节能产品认证管理办法》，确定了“节能产品”的定义。2000年10月1同建设部正式出台《民用建筑节能管理规定》，这一规定中指出：“由国务院相关建设主管部门来负责监督管理全国民用建筑的节能工作。”“对不符合相关节能建设标准的项目，一律不得批准建设。”“要求有关建设单位严格按照具体的节能目标和建筑节能强制性标准来委托项目工程的设计。”2004年4月1同，国务院办公厅发布了《关于开展资源节约活动的通知》，这一通知要求：“发展改革委应当积极会同财政、税务等相关部门抓紧制定和完善节水、节能设备目录，研究选用适当的优惠政策，来鼓励生产、销售和使用节水、节能设备，倡导丌发利用可再生资源”。2005年5月3l同，建设部发布《关于发展节能省地型住宅和公共建筑的指导意见》，这一意见提出：到2020年，我国住宅和公共建筑建造和使用的能源资源消耗水平要接近或达到现阶段中等发达国家水平。2006年1月1同，建设部《民用建筑节能管理规定》丌始实施。该《规定》共30条，对民用建筑节能的定义、发布的意义和目的，以及如何落实民用建筑节能等均提出了具体的要求，这将对全国各地做好建筑节能工作产生深远的影响，起到积极的指导作用。8月31日，新华社受权发布《国务院关于加强节能工作的决定》。《决定》指出，能源问题已成为制约中国经济和社会发展的重要因素，要从战略和全局的高度，充分认识好做能源工作的重要性，高度重视能源安全，实现能源的持续发展。2007年6月3同，新华社发御了《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》，这一节能减排综合性工作方案的提出，要求对新建的建筑实施建筑节能的专项测评工作。并且规定，节能不达标的建筑不得办理丌工、竣工验收备案手续，未经允许不得批准销售使用。该《通知》的发布，打响了节能减排的发 太原理J：人学硕十学位论文令枪，体现了国家对节能环保的重视。10月28同，全国人大常委会表决通过修改后的节约能源法，国家主席签署主席令予以公布。修改后的《中华人民共和国节约能源法》使节约资源成为国家的基本国策，进一步完善了我国的节能制度，明确了重点用能单位的节能义务，强化了监督和管理的重点¨1。节能的方法有：(1)对泵站进行优化设计供水系统大约70％的能量消耗在了系统的泵站上，系统泵站是否安全高效的运行直接影响整个供水系统是否能够节能运行，因而对泵站进行优化设计显得十分重要。由于我国生产技术水平低下，采用的节能技术和节能措施不合理，水泵的选型和运行搭配不当，大部分时问水泵都运行在高效率范围以外，使得我国水泵的平均运行效率低于国外10％130％，节能空间巨大。(2)减少漏损量建设部2002年的统计数据表明：我国城市供水系统的平均漏损率达到了19．06％，整个城市供水系统的年漏损量近110亿立方米。我们知道，供水所耗用的电量与供水量的多少成正比，降低管网的漏损量可以减少供水量，供水量的减少可以降低供水所需的能量，可以说，节水的同时我们达到了节能的目的。目前我国供水系统的漏损比较严重，节能的潜力巨大。(3)对输配水管网进行优化设计供水系统中泵站的能量很大一部分用于克服管网中的水头损失，可以说，对供水系统进行优化设计，不仅可以降低管网的水头损失，还可以降低输水管道的压力，降低泵站扬程的同时漏损率也随之降低。因此，对输配水管网进行的优化设计节能效果比较明显。(4)管材的选用管材对管网的漏损以及管网的水头损失都有影响，因此，管材的选用对供水系统节能的影响是不容小觑的，而且不同材质的阻耗差别很大。粗糙度大的管材所引起的阻耗大，能量浪费严重，故一般情况我们倾向于采用内表光滑且耐腐蚀的管材，这样可以达到经济耐用同时节能的目的。(5)采用合理的水价除了技术手段，还可以通过政策导向来达到节水节能的目的，比如阶梯水价 太原理I：人学硕十学位论文制度。阶梯水价的是指对用户实行用水量分类计量收费和超出定额后累进加价收费措施的俗称。它的一个显著特点就是用水量越大，水价就越贵，引导人们节约用水，养成良好的用水习惯。“阶梯水价”制度充分发挥市场调节、价格导向因素在水资源合理配置、用水需求调节等方面的作用，拓宽了水价向上调整的空间，在增强企业和居民的节水意识的同时避免了水资源的浪费，方法切实可行。从优化调度解决的问题和和节能所采用的措施可以看出，本文中，优化调度是方法，节能是目的。即节能目标的实现需要优化调度手段的辅助，而系统的优化调度调节就是为了使供水系统的节能运行变为现实。1．1．3课题的研究意义众所周知，我国是世界水资源严重匮乏的国家之一，人均水资源占有量不到世界平均水平的四分之一。目前我国水行业的现状是：一方面是城市人口数量在不断增多，城市用水量的需求在不断增加：而另一方面是城市工业的快速发展，越来越多的水已经或者正在被污染，导致我国水行业正面临前所未有的严峻挑战。在国家节能减排的大背景下，如何提高水行业能源的利用效率，探索出一条可持续发展的道路，成为我们水行业人士所共同关注的焦点。综观国内水行业，绝大部分是老企业，由于年代久远，其设备已经陈旧，供电设备亦已老化，水耗药耗水平高，漏损严重，出水水质差。许多新建和改扩建的水处理工程，虽然投资组建了fcs、dcs、plc监控系统，但任然不能实现网络化监控的目的，造成了资源的浪费。由于工艺选用不当，工艺流程柿置混乱，水泵机组的配置不合理，使得许多处理厂站的单位电耗成本高、发展困难。由此可见，水行业的降耗节能已经到了刻不容缓的地步。因此，如何采取科学的方法，对城市供水系统节能运行的合理性进行系统研究，如何在保证安全供水的自if提下供对整个供水系统进行统一规划、合理布局，在降低投资的同时达到节能减排的目的，对促进水行业健康发展、提高水行业的经济效益、社会效益都有着积极的意义。4 太原理l：人学硕+!学位论文1．2国内外研究现状1．2．1国外研究现状国外对供水系统优化调度的研究起步于20世纪60年代，从70年代丌始优化调度的研究进入了实用性阶段，80年代以后则进入了在线调度的研究阶段。1936年HardyCross首先提出采用以迭代法为基础的给水管网非线性方程组的解法，随后不少学者在此法的基础上加以改进后，提出了线性方程组解法的理论¨1。1975年F．Fallside和P．F．Perry首先提出将优化问题转化为对偶问题，然后将多维优化问题转化为若干个子问题，再用动态规划求解的思路¨’。1978年B．Coubleck和M．J．H．Sterling在优化目标中将电费和功率费列为考虑的目标"1。1984年Miyaoka和Funabashi采用了协调分解法，即根据系统本身的结构，将复杂的系统分解为互不重叠的子系统，用动态规划的方法对流量和压力进行协调，最终获得收敛于整体的最佳调度方案‘8’。1989年J．Tarquin和Dowdy结合试验确定了水泵的特性曲线、水泵的特效曲线以及系统的水头损失曲线，然后根据各种水泵组合的流量一水头曲线和系统流量一水头曲线来确定水泵运行的最优组合方案。而Chase和Ormsbee提出用水力模拟解决模型优化的管网约束问题，用非线性规划求解的方法，由于考虑的约束条件太苛刻而且水力模拟比较耗时，结果可能导致无解‘91。1990年Fuiiwara和Khang提出了一种具有全局搜索力的解法，可以通过两各阶段产生局部最优解。在第一阶段用非线性梯度法，以流量和水泵扬程为决策变量，求解关于水头损失的凸计划，得到的修正流量和扬程可以使系统的费用降低。然后以新的流量和扬程构成新的凸计划求解，直到收敛。再用前一阶段产生的水头损失来求解第二阶段的最优解，求解关于流量和扬程函数，就会得到最优解，然后以这一最优解重新进行第一阶段，如此循环，直到产生能满足要求的解为止⋯1。1992年，w．Jowltt提出了用线性规划来求解优化运行的解法，在线性规划的考虑中，运用了三个假设：(1)若能满足蓄水池和节点水压的约束条件，则泵 太原理l‘人学硕十学位论文站的所有决策都成立；(2)任一泵站的运行参数不受其它泵站运行的影响；(3)在节点用水量已知的情况下，任一泵站输送到蓄水池的水量取决于该泵站的运行调度，并且不受其它水泵运行调度影响。由于这一模型的局限，使其的应用推广受至0了很大的限伟0¨¨。1995年，Mackle和SaviC运用遗传算法对供水系统的优化运行进行计算，实践证明遗传算法对非连续变量的运算处理具有优势。遗传算法是一种独立于系统结构的算法，可以处理比较复杂的目标函数，可以有多个约束条件，在系统组件的状态发生变化时任然可以迅速计算出优化方法¨¨。1997年，Sherali和Smith利用重构线性算法，构造出了一个线性松弛模型，用于确定线性模型的下限值，以期获得优化算法的全局最优解，这是具备全局搜索能力的定界分支算法的新思路⋯1。1998年，Hanif和Rajiv在定界分支算法的基础上，对下边界值的计算方法做出了修改，充分利用了线性模型的非线性约束的条件特性(凹凸性和单调性)，而且结果表明该算法优于Sherali．H等人的算法，在寻求全局最优解的探索中做出了积极的尝试。Graeme以遗传算法中的管径作为优化变量，提出了改进的遗传算法。改进的遗传算法的特点如下：(1)采用了指数形式的适应度，丌始时指数值较小，随着遗传代数的增长，指数逐渐增大；(2)运用格雷码对遗传进行编码；(3)采用呲邻突变操作，而且改进后的算法提高了寻优的能力⋯1。2001年，G．C．Dandy和M．Engelhardt运用遗传算法研究管网更新改造的最优化问题，将优化的目标定义为用于管网的更新费用、维修费用以及由于事故造成的经济损失之和最小，这样用于基建的投资就能发挥最大的投资效益¨钉。1．2．2国内研究现状困内的专家、学者从20世纪70年代起，-丌始了将先进的电脑技术应用于供水系统运行的模拟、优化以及水质控制等领域的探索，并且在供水系统优化调度方面也做出了一些里程碑式的尝试。但在实际的应用过程中，由于设备和技术条件等因素的限制，在供水可靠性和经济性领域取得突出成绩的实例尚不多见。随着科技的进步以及对供水水质要求的提高，对供水系统的优化调度的研究是水行业未来发展的必然要求。6 太原理r人学硕十!学位论文1988年，俞国平在已经建立的设计环状管网的非线性规划模型的条件下，提出了用广义梯度来求解非线性模型的方法，这一方法可以求出目标函数关于参数变量的简约梯度，当参数变量沿负梯度方向变化时，目标函数逐步变小，逐步逼近最优解。后期改进的广义梯度算法求得的优化管径与标准管径不符，用线性规划法将管段的管径取整，得到这一管段的管径由两种标准管径组成¨¨。1989年，仲伟俊、徐南荣和陈森发提出了含加压泵站的管网的递阶优化解法，适用的范围很有限¨”。1991年，王增义和张宏伟对给定泵站流量以及水头的泵站最优水泵开启方案进行了研究，并给出了模型求解的MOOD优化算法“盯。1992年，郑丕谬、李光泉和高永|千I提出了将管网先分解后协调的思想，即将整个管网分解成若干个具有关联的且容易处理的子管网，把优化问题分解为若干独立的子问题，然后对子问题进行协调，最后达到整体优化的效果¨¨。1995年，吴学伟利用测压点压力的宏观模型，用MOOD算法直接对优化调度模型进行了求解，虽然得到了泵站的出口流量和水头，但这一求解过程并没有对泵站和管网的耦合进行考虑，因此结果并不能满足实际的需要。同年，刘敏南对分级优化进行了尝试，一级优化运用广义简约梯度法确定出最优的供水量和供水的压力；二级优化把一级优化的结果作为依据，用0—1规划法确定各泵站的需要开启水泵数量、型号以及转速¨01。2000年，张士乔、吕谋和赵洪宾在研究供水系统的优化调度时，对不同的泵站运用了不同的寻优算法。对定速泵而言，其调节的余地不大，可以选择的运行策略也很有限，我们通过直接寻优求解即可得到满意结果；对调速泵则进行分组优化，减少了混合离散变量直接优化模型决策变量的维数、简化了模型、提高了计算的效率，通过二级寻优，对混合泵站进行了最优调度优化n¨。2001年，吕谋和张士乔对含变速泵的混合泵站的二级寻优问题做了进一步考虑，而后提出将泵站的流量偏差量进行加权分摊到各调速泵中‘2扪。2002年，杨芳、张宏伟和牛志广从定量供水、降低压力和最佳供水效益角度切入，建立了城市供水系统节水状态下的优化调度模型，最终选用混合型离散变量组合的算法进行求解“¨。2003年，郑大琼采用两级递阶优化调度原理，构建了一种能够反应系统各 太原理I：人学硕+学位论文主要参数数值的仿真模型，通过对个水源供水量进行科学的调整、对原有的管网进行增删和改扩建，取得了良好的效果，为大型多水源管网的改扩建提供了科学的技术依据。同年，刘国华和程伟平提出了将优化调度问题转化为为序列二次规划问题求解的思路，将齿行法的思想和水力学的基本概念结合在一起考虑，提出了新颖的修正齿行法，同时运用线性化的结果把约束集中的非作用约束去除，保证了原约束面解的存在¨”。1．2．3几种主要的优化算法(1)遗传算法遗传算法(GeneticAlgorithm)简称GA，是一类借鉴了生物界进化规律演化而来的随机化的搜索方法。最初由美国Michigan人学的J．Holland教授于1975年提出来的，受其专著《AdaptationinNaturalandArtificialSystems》的影响，GA这个名称才逐渐为人熟知。这一算法的特点是可以直接对结构对象来操作，没有求导和函数连续性的条件限定；具有隐行性和全局寻优能力；运用概率化的寻优方法，能自动获取并优化搜索空间，自动调整解搜索的方向，并且不需要特定的规则。遗传算法的这些特质，正被人们广泛地广泛应用到优化组合、信号控制处理、自适应调节控制以及人工生命这些领域。(2)蚁群算法蚁群算法(antcolonyoptimization)，也被称为蚂蚁算法，简称ACO，属于在空间内找寻最优化路径的一类机率型算法。它最初来源于MarcoDorigo的博士论文，这一灵感来自于蚂蚁在找寻食物过程中选择路径的行为。而且，蚁群算法属于模拟进化类算法，具体研究表明这一算法有很多优点。在具体的PID控制器参数类优化设计中，我们将蚁群算法的设计结果和遗传算法的设计结果来进行比较，最后的仿真结果表明，该算法是一种具有新的模拟进化优化方法的有效性和应用价值的算法。(3)模拟退火算法模拟退火算法(SimulatedAnnealing)，简称SA，早期由Kirkpatrick等应用于优化组合领域，是基于迭代求解思想的一种寻优化算法。它的出发点是利用固体物质降温过程这一物理现象与一般的组合优化类问题之问的8 太原理J：人!学硕士学位论文相似性。换。-A。之，模拟退火算法就是从物体的较高初温出发来研究，在物体较高初温逐渐下降的过程中利用概率突跳这个特性，让局部最优解概率性地逐个跳出并逐渐趋于最优解的过程。模拟退火算法也是一种能通用的优化类算法，理论上这一算法具有概率性全局寻化的能力，已经在工程领域得到广泛的应用，比如控制工程、生产调配、神经网络化、机器语言学习、信号接收处理等领域。退火算法通过给予最优解搜索过程一种能够时变且最后能趋于零的概率突跳的能力，从而显著提高避免陷入局部最小循环的概率，最终实现趋于全局最优解的串行结构类优化算法。(4)神经网络算法思维学普遍认为，人类大脑的思维分为逻辑思维、直观思维和顿悟思维三种基本方式。逻辑性思维是指依据逻辑规则来推理的过程，它先把信息转化成概念，然后用符号表示，根据这些符号的运算规则按串行性模式进行有关逻辑推理，况且该过程还可以用串行的指令描述出来，让计算机地代替执行。直观思维是把分布存储的信息集中在一起，会有忽然会产生一些想法或者是有利于问题解决的办法的现象发生。这+思维方式存在的根本基于以下几点：一．它借助于神经元上面的兴奋网络模式分布存储信息；二．借助神经元相互之间同时作用的过程动态完成信息的处理。神经网络算法是对人类第二种思维的方式的模拟，这一非线性的动力学类系统，其特点是信息能够网络化分布存储，也能协同并行处理。局部来看，神经元个体的结构比较简单、功能也有限，但是，由大量简单神经元个体组成的系统确能够实现复杂多变的行为。神经元网络算法设计的面比较广，集中反映在多学科技术的交叉领域。主要研究内容如下：(1)生物原型的研究。从生理科学、心理科学、解剖科学、病理科学等方面研究神经系统的结构、机理以及所具有功能。(2)理论模型的建立。从研究生物原型理论出发，对神经元和神经网络建立相关的理论模型，这些模型包括概念类模型、物理化学类模型、知识类9 太原理一人学硕十学位论文模型、数学类模型等。(3)网络模型及算法研究。在研究理论模型的基础上建立神经网络的具体模型，用以方便计算机模拟更好的实现或硬件制作准备，包括研究学习网络算法，这些研究工作也被称为是对技术模型的研究。(4)神经网络系统的应用。在研究算法和网络模型的基础上，借助神经网络来构建实际的系统应用。比如，用于完成某一类信号的处理或对某一模式进行识别的系统、用于制作搜索专家的系统、制作机器人系统等。纵观现代科学技术的发展历程，人类在宇宙空间探索、基本粒子分析、生命起源研究等技术领域的研究进程中都历经坎坷。相信不久的将来我们会看到，神经网络系统的研究会冲破种种束缚而同益完善‘2¨。1．3本文主要研究内容和方法1．3．1研究内容本论文主要研究内容包括：(1)对系统进行分析，从节能运行的角度出发进行归类(2)对系统与能耗的关系进行研究(3)优化模型的建立(4)模型求解方法的确立(5)应用具体的实例对节能模型进行分析(6)节能效果评价1．3．2研究方法本文研究的主要技术路线：首先，将整个给水系统分成两类进行优化，一类包括取水构筑物、水处理构筑物以及输水管线；另一类包括泵站以及整个管网。其次，将二类优化中的构筑物分成两级进行优化。一级优化即管网优化，二级优化即泵站优化。再次，对一类优化、二类优化分别建立优化数学模型，求出其优化解，最终10 太原理J：人学硕十学位论文对照系统关系确定最优方案。最后，选取选取清水池做为两类优化系统的媒介，对整个供水系统进行模型处理，结合具体的运行数据，求解适宜的清水池水面高度值范围，最终通过优化调度来实现城市供水系统的节能。 太原理l：人学硕十学位论文 太原理r人学硕十学位论文第二章系统与能耗的关系实际上，城市供水系统并不是一个简单的组合体，而是根据具体的情况选用搭配起来的，可以说任何部分的存在和去除都是有科学根据的。在本章系统与能耗的关系中，我们主要考虑城市供水系统中的取水系统、输水系统、泵站以及管网系统，对系统的组成以及系统组成的各部分的具体内容做详细的论述，并结合具体的组成情况，对系统能耗的计算做出论述。2．1系统的组成2．1．1取水系统给水水源可分为两大类：地下水源和地表水源。因此，取水系统也分为地下水取水系统和地表水取水系统。首先，地下水取水系统。地下水存在于各种土层和岩层中，土层和岩层有不同的透水性。根据地下水的不同类型、不同埋藏深度以及含水层性质的不同，取水构筑物采用的形式也不相同，开采取用地下水的方法也各不相同。取水构筑物有大口井、管井、渗渠、辐射井、复合井等，其中以管井和大口井最为常见。大口井用于浅层地下水的取用，它的埋深不超过12m，含水层厚度大约在5“20m之内。管井用于开采深度在200m左右，最多不超过1000m的地下水。渗渠可用于取集小于2m埋深的浅层地下水，也可用于取集河床地下水或地表渗透水。辐射井是由集水井和若干水平铺设的辐射性集水管组成，一般用于取集含水层厚度较薄而不能采用大口井的地下水。复合井是大121井与管井的组合，上部为大口井，下部位管井，适用于地下水位较高、厚度较大的含水层。其次，地表水取水系统。地表水水源一般水量充沛，分布广泛，很多城市及工业企业厂利用地表水作给水水源。根据地表水源种类、性质和取用条件的不同，其取水构筑物的形式也 太原理I：人!学硕十学位论文可以分为多种。按水源种类可以分为河流式、湖泊式、水库式、海水式取水构筑物：按取水构筑物的构筑形式可分为固定式和活动式两种。以江河固定式取水构筑物为例，江河固定式取水构筑物主要分为岸边式和河床式两种，另外还有斗槽式等。岸边式取水构筑物可以直接从江河岸边取水，由进水问和泵房组成。适用于岸边坡陡、水深、水质地质条件较好、水位变化幅度不大的情况。用伸入江河中的进水管来代替进水间的进水孔是河床式与岸边式取水构筑物的不同点。所以，河床式取水构筑物是由泵房、集水间或集水井、进水管和取水头部等部分组成。在岸边式或河床式取水构筑物之前设置“斗槽”取水，称之为斗槽式取水构筑物，适合于河流含沙量大，冰絮严重，取水量大，有合适地形的情况。在水源水位变化大，供水要求急，取用水量不大的情况下，可以考虑移动式取水构筑物，主要有浮船式和缆车式。浮船式取水构筑物有投资少、建设快、易于施工、适应性和灵活性较强的优点。但它的安全可靠性差，河流水位变化时需要移动船位，拆换阶梯式接头时会影响供水。主要由安装有水泵机组的浮船、联络管和输水管组成。缆车取水构筑物受风浪影响较小，比较稳定，但基建投资大，宜在水位幅度较大、涨落速度不大、漂浮物较少的河流上采用。中小型缆车是由泵车、输水管、斜桥以及牵引设备组成。2．1．2输水系统从水源到水厂或水厂到相距较远的给水管网的管道叫输水管渠，输水系统主要由输水管渠组成。输水管渠的送水方式可以分为两类：一类是当水源低于供水区域时，需要采用泵站加压。根据地形高差、管线长度以及水管承压能力等实际情况，有时甚至需要在输水途中设置加压泵站。一类是给水区位置低于水源时，可以用重力输水。输水管渠的条数根掘输水量、管渠长度、事故时的用水量、有无其他水源以及水量变化情况来定。为保证安全供水，可以用一条输水管渠并在用水区附近建造水池进行流量调节，或者采用两条输水管渠。当供水不能间断时，输水管渠通常两条以上。输水管坡度不应小于1：5D，D为管径，以毫米计。输水管线坡度小于1：1000时，每隔lkm应装置排气阀，在管线起伏出可以适当增设。在平坦地14 太原理I：人学硕十学位论文区的管道做上升和下降坡度，是为方便在项点设置排气阀，在低点设泄水阀。2．1．3泵站系统水泵站是城市供水系统必要的组成部分，也是整个系统正常运转的枢纽。原水需要取水泵站从水源提升到水厂，而净化后的清水又需要送水泵站提升到用水管网中。在供水系统中，按泵站在供水系统中的作用可分为：取水泵站、送水泵站、循环水泵站及加压泵站。取水泵站也叫一级泵站。在地面水源中，取水泵站一般由吸水井、泵房以及闸阀井等组成。对于采用地下水作为饮用水源而水质又符合饮用水标准时，取用井水的泵站可以直接将水送到用户。送水泵站在给水工程中也叫二级泵站，它一般建在水厂内，用于输送清净水，所以也叫清水泵站。经净化构筑物处理后的出水，由清水池流入吸水井，二级泵站从吸水井中吸水，通过输水干管将水输往管网。加压泵站通常在管网面积大、输配水管线长、用户所在地势高或者市区地形起伏变化较大的城市管网中，通过技术方案的比较确定使用。循环水泵站主要在工业企业中使用。泵站内水泵扬程的确定水泵的扬程HD是净扬程和水头损失之和：H。=H。+∑h(2—1)净扬程H0根据抽水条件确定。一级泵站净扬程是指水泵吸水井水位与水厂的前端处理构筑物(如混合絮凝池)水位的高程差。水头损失∑h包括水泵吸水管、压水管以及泵站连接管线的水头损失。因此，一级泵站的扬程为：H。=H。+h、+h。(2-2)式中：H。——净扬程h。，h。——是由最高同平均时供水量和水厂自用水量确定的吸水管、压水管以及泵站到絮凝池管线中的水头损失二级泵站净扬程是指清水池最低水位与管网控制点所需水压标高的高程差。控制点是指管网中控制水压的点，是离二泵站最远或地形最高的点，若该点的压力在最高用水量时可以满足最小服务水头的要求，则整个管网都满足供水要求。1与 太原理I：人学硕十学位论文水头损失包括吸水管、压水管、输水管以及管网水头损失之和。因此，二泵站的扬程为：H。=Z。+H。+h。+h。+h。(2—3)式中：Z。——管网控制点的地面标高与清水池H。——控制点所需的最小服务水头h。——吸水管中的水头损失h。，h。——输水管和管网中的水头损失2．1．4管网系统给水管网的布置应满足的要求：1．按照城市规划，结合当地的实际情况布置，布置时要为供水系统分期建设考虑，预留未来发展的余地；2．保证供水安全可靠，保证供给用户足够水压和水量，在管网事故发生时，城市断水区域应最小：3．管网的施工、运行和维护方便；4．尽量的缩短管线的长度，降低管网整体的造价和运行费用。给水管网的布置，基本形式不外乎两种——树状和环状形式。一般情况下，小型城市和小的工矿企业选用树状管网，从水厂的泵站到管网用户的管线布置成树枝状的形式。树状管网的可靠性比较差，理由是当管网系统的任一管段损坏时，该管段下游的所有管段都会断水。此外，在树状网末端，用水量较小，管道中水的流速较慢，水质容易变坏，有出现浑水或者红水的可能。一般在城市建设的初期采用树状管网，然后随城市的发展逐步连成环状管网。城市现有的给水管网，通常是树状管网和环状管网结合使用，例如在市中心用环状管网，郊区以树状管网为主。环状管网管线呈环状，其中任一管段损坏，都需要关闭损坏管段附近的阀门进行检修。这时水可以转输到邻近的管段供应用户，提高了供水的可靠性。 太原理J：人学硕+学位论文2．2能耗的来源系统的耗能包括泵站的耗能、管路的沿程损失以及由于未预见情况的发生而引起的无用功损耗。水泵的性能，我们通常用六个参数来表示：1．流量——水泵在单位时间内输送的液体数量，常用Q表示，单位是m2／h或L／s。2．扬程——水泵对单位液体所做的功，常用字母H表示，单位是kg·m／kg，折算成液体的液柱高度是m。3．轴功率——泵轴得自原动机传递来的功率称为轴功率，常用N表示，单位是Kw．4．效率——水泵的有效功率与轴功率的比值，常用『1表示。单位时问内从水泵流过的液体得到的能量叫做有效功率，用字母N。表示，N。=7Qu(2—4)式中Y表示液体的容重，单位是kg／m3．水泵在提升液体的过程中不可能将电机输入的功率完全传递给液体，其中的损失就可以用r1来衡量。N1111=——N则水泵的轴功率表示为：一NuYQHN=——=—二门丫]水泵的电耗可表示为：W：—生。t(kWh)102q1r12(2—5)(2-6)(2-7)式中t为水泵运行的时间，r1．、rl：分别代表水泵和电机的效率值。 太原理I：人学硕+学位论文2．2．1取水系统的能耗在取水系统中，不论是地表水耿水系统还是地下水取水系统，都是利用水泵将水源的水提升到净(配)水构筑物前端进行处理，因而，取水系统的能耗主要集中在吸水管路的水头损失、压水管路的水头损失、闸阀的水头损失以及泵站的能耗方面，泵站的耗能主要取决于设计流量以及所需要提升的扬程的大小。2．2．2输水系统的能耗输水系统主要是由输水管渠组成，根据地势、管线长度等实际情况的不同，可能需要加压泵站的参与，因此，输水系统的能耗主要集中在管路的沿程损失和加压泵站的能耗上，管路的沿程损失主要取决于流速的大小，而流速的大小与流量和管径有关。2．2．3管网系统的能耗管网系统中的问题是比较复杂的，管网的布置形式、泵站的工作情况、调节水池的容积等都会成为影响技术经济指标的因素。管网系统的能耗主要决定于控制点要求的最小服务水头、管网中的水头损失等，水头损失又和管材、管径、管段长度、流量有关。管网定线后，管段长度已定，管网中的能耗主要决定于流量、管径以及控制点要求的最小服务水头。2．2．4泵站系统的能耗泵站的主要作用是将净水构筑物处理后的水送往管网系统，因此，泵站系统的能耗主要集中在供水流量跟提升扬程，泵站系统的供水流量取决于管网系统的需水量，提升的扬程决定于清水池水位与管网控制点之间的高程差。18 太原理I：人学硕+学位论文第三章系统优化调度模型城市供水系统是为居民的生活、生产和消防提供用水的设施，它的任务是满足各个用户对水质、水压和水量的要求。优化调度的目的就是通过合理的调度模型来达到水资源高效利用、方便人们生活、改善服务质量以及避免灾害减少损失等目标，在服务质量满足的前提下，保证供水费用最低。3．1系统优化调度一般来说，系统的优化调度分为两个阶段。第一个阶段是离线调度阶段。在这一阶段，我们需要确定接下来一个调度时期的调度方案。由于我们通过信息检测系统获得的的检测信息的类型跟实际调度时所需要的信息类型不一致，我们首先需要将获得的检测信息转化为我们需要的类型，这一过程也被称为对系统状态的估计。信息检测系统获得的信息是对系统当前状态的描述，而我们需要确定的是系统在下一个调度时期的运行方案，因为，我们还需要对系统接下来一个调度时期的用户需水量做出预测，通过预测的结果来确定各运行系统的工作状态。第二个阶段是在线调度阶段。在这一阶段，我们需要以离线调度方案为基础，来协调当前某一时间区间的系统调度。具体操作是：实时跟踪关注系统的运行状态，重点监测系统中可能出现的故障现象，确定系统是否处于正常工作状态。如果系统在运行时出现了故障，及时定位故障发生的位置并确定该状态下的应急调度方案，同时要迅速排除故障。当系统处在正常工作状态时，需要判断当前系统的负荷是否与前一阶段预测的一致。一致的话，将前一阶段确定的调度方案投入运行。否则，对确定的调度方案进行调整，待到一致后投入使用。系统的调度流程可以用下图表示： 太原理。I：人学硕+学位论文图3．1系统调度流程图Figure3．1Systemschedulingflowchart3．2系统优化调度方案的确立3．2．1需水量预测城市用水主要是综合生活用水、工业企业生产用水、浇洒道路用水、绿化用水、消防用水、未预见水量以及管网漏失水量。不管是生活还是生产用水，用水量都是在不断波动变化。生活用水量会随着当地的气侯、生活习惯、房屋卫生设备条件等变化，如节假闩比平时用水多，夏季比冬季多；生产用水量随着生产工艺、生产技术水平及生产设备的不同而变化；消防用水量随同时发生火灾的次数及每次灭火的用水量的不同而变化。在系统的优化调度中，我们需要对城市的需水量做出预测。水量的预测是优化调度的基础，预测的准确度直接影响到调度结果的可靠性。需水量预测需要考虑因素有两个，预测的目的和相关的数据资料，主要考虑信息是否完整和是否可靠。需水量预测从空间上划分为两种：总用水和节点用水预测。前者是预测供水系统内用户的小时用水量，算法较多，主要用于宏观调度模型；后者是根据用20 太原理I：人学硕+学位论文户特点和历史数掘，预测分配到用户节点的用水量，主要用于微观调度模型。需水量预测从时间划分为两种：短期用水和中长期用水预测。前者依据时用水量、同用水量或者每周用水量的历史记录以及用水量变化的影响因素，对未来一段时问的用水量做出预测，多用于运行优化的设计。后者依据城市用水的历史数据和促进城市发展变化的因素，对未来一年或几年内城市的用水量作出预测，多用于水源规划和供水系统的发展规划‘501。3．2．2确立方案如前所述，本文中我们主要考虑城市供水系统中的取水系统、输水系统、泵站以及管网系统，本节我们将整个供水系统分为两类进行优化：一类优化包括耿水系统和输水系统：二类优化包括泵站系统和管网系统。在二类优化中，我们将泵站系统和管网系统分成两级进行优化：一级优化即管网优化，■级优化即泵站优化。3．3系统优化调度模型的建立3．3．1模型建立的方法供水系统模型建立的一般方法是：1．确定建模所需要的决策变量。决策变量的确定是优化调度建模的基础，是优化求解所需的最少变量，包括水泵的流量、台数和出口压力。2．构造目标函数和约束函数。目标函数是指优化调度所期望达到的指标的数学表达式。约束函数是控制系统运行变量的数学表达式。3．确定约束条件。约束条件是约束函数为保证供水系统能安全供水的指标所满足的等式、不等式以及微分方程。3．3．2一类优化一类优化包括取水和输水系统，取水系统的能耗主要集中在泵站的流量跟提升的扬程上，即能耗函数为W取=f(Q、H)；输水系统的能耗主要取决于管网中的流量和管段的管径，也就是这部分能耗函数为W输=f(Q、D)。即：W．=W取+W输 太原理I：人学硕十学位论文=f(Q、H、D)．优化过程中，我们将考虑到泵站加压输水系统的情况，以年费用为目标进行建模，目标函数为：minf=(三+去)∑冬，翠，C执+TOH(3一1)式中：t——代表投资偿还期p——代表折旧费和大修率n——代表划分的管段总数『Ir代表第i管段的备选管径数C。——代表第i管段第j各选管径的管道单价YI．——代表第i管段第J备选管径的管道长度T——表示动力费用系数卜代表泵站流量H——代表泵站扬程T=堕×8．6×101(3—2)曩式中：s——代表供水能量的不均匀系数巾——代表用电费用T1——代表泵站的效率此外，管段长度应满足翠1Yrj2Lt，i=1，2，⋯，13(3—3)L；——代表管段总长又各个节点的水压标高不能低于该节点的最小服务水头，应满足东i酗翠1l¨Y。。一H墨E{l—Eb—h，b=1，2，⋯，B(3—4)b——代表节点编号D(b)——代表从水源到节点经过的管段数I；，——代表水力坡度22 太原理I：人学硕+学位论文E。——代表水源水面的高程E。——代表节点的服务水头h——代表泵站水头损失又管道的压力要小于管道的承压力，应满足嚣i”翠1lijY；j—H墨Ef)_eb一102H。一h，b=1，2，⋯，B(3—5)H。——代表管道的承压力e。——代表节点的地面高程还有，应满足Y．、>0(3-6)H20(3—7)通过一类优化模型的求解，即可求得最优供水扬程和最节省的年费用。3．3．3二类优化二类优化包括泵站和管网系统，泵站系统的能耗主要集中在管网所需要的需水量和所需要的扬程上，即能耗函数为W采=f(Q、H)；管网系统的能耗主要是由流量、管径以及控制点要求的最小服务水头决定，即它的能耗函数为w篇=f(Q、D、H)。且口台邑耗w：=w巢+w管-f(Q、D、H)。在二类优化中，我们将管网和泵站系统分为两级进行优化。在一级优化的管网优化中，我们以最小的供水成本为目的进行优化，通过水力分析和运行费用的核算，求解最佳送水量和最佳送水扬程；在二级优化的泵站优化中，通过一级管网优化确定的送水水量和送水扬程，以最小的电耗为目标，来决定泵站内部泵的开启和组合方式，尽量满足水泵在高效运行范围内工作，从而达到节能的目的。1．一级优化之管网优化以供水成本进行建模，供水成本包括制水成本和泵站的电能消耗，可表示为：minf=鬈[罂(AQ；j+BQ；j(P；j—ph；))](3-8)式中：Qj。——表示第i个泵站在j时段的流量p；。——表示第i个泵站在j时段的压力 太原理I：人学硕十学位论文ph．——表示第第i个泵站的地面标高A、B——分别表示水费和电费m、n——分别表示泵站的个数和划分的不同时段此外，该目标函数必须在相应的约束条件下进行，对于一个有F1个节点的供水系统的管网来说，最优调度方案的各种参数要满足管网的节点方程模型。即S．t．g；(u，P，Q)=0，i=1，⋯，n一1．(3-9)泵站的水量受净水厂处理水的能力的影响，应满足Qi．