建筑給排水排水水泵房優(yōu)化控制研究

建筑給排水排水水泵房優(yōu)化控制研究

1排水系統(tǒng)能耗高排水泵房是建筑物排水工程的重要組成部分，是確保生產(chǎn)、生活安全的重要設(shè)施。焦煤集團(tuán)的排水用電占到了礦井生產(chǎn)用電的51%。排水系統(tǒng)耗電量過高的情況也發(fā)生在他其他企業(yè)中。對排水系統(tǒng)的水泵進(jìn)行優(yōu)化控制來提高水泵使用效率、降低排水成本,有很高的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。2水倉水位及水泵運(yùn)行控制排水系統(tǒng)水泵房一般設(shè)置多臺(tái)水泵。根據(jù)不同的涌水情況,確定運(yùn)行臺(tái)數(shù),以提高水泵使用率;采取“避峰就谷”原則,在用電高峰期減少水泵運(yùn)行,以減少排水費(fèi)用。動(dòng)態(tài)規(guī)劃法研究的對象是決策過程最優(yōu)化問題。依據(jù)最優(yōu)性原理:不論初始狀態(tài)和初始決策怎么樣,其余決策對于第一次決策必須構(gòu)成一個(gè)最優(yōu)策略。結(jié)合排水過程的特點(diǎn),可將排水過程分成若干個(gè)互相聯(lián)系的階段,在它的每一階段都需要做出決策,從而使整個(gè)排水過程達(dá)到最好的動(dòng)態(tài)效果。各個(gè)階段決策的選取依賴于當(dāng)前面臨的狀態(tài),又影響以后的發(fā)展。當(dāng)各個(gè)階段決策確定后,就組成一個(gè)決策序列。根據(jù)排水要求設(shè)定水位值為Xl～Xh,如圖1所示。將每個(gè)排水周期等分為N段(0～N-1),每段內(nèi)泵站運(yùn)行情況不變。設(shè)第k段水倉水位為X(k)(Xl≤X(k)≤Xh),k為離散時(shí)間變量。集水池涌水量是水位的函數(shù)為:f(k)=?[X(k)]f(k)=?[X(k)]豎井的涌水量與水位為線性函數(shù)關(guān)系:f(k)=FX(k)f(k)=FX(k)式中:F—豎井?dāng)嗝娣e。設(shè)水泵房有n臺(tái)水泵并聯(lián)工作,第i臺(tái)水泵在k時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)為ui(k),ui(k)=0表示停機(jī),ui(k)=1表示運(yùn)行。水泵房的控制決策向量為:U(k)={u1(k),u2(k),?,un(k)}U(k)={u1(k),u2(k),?,un(k)}水泵的排水能力向量為:Γ={γ1?γ2???γn}Γ={γ1?γ2???γn}水泵每個(gè)時(shí)段耗電向量為:Θ={θ1?θ2???θn}Θ={θ1?θ2???θn}一個(gè)周期(24h)內(nèi)電價(jià)c(k)是隨時(shí)間變化的函數(shù),則:c(k)=c(k+N)c(k)=c(k+Ν)水泵房最優(yōu)化控制可描述為:在排水周期內(nèi),通過選擇最優(yōu)控制向量U*={U*(0),U*(1),…,U*(N-1)},使一個(gè)周期內(nèi)的電費(fèi)支出最低。即使費(fèi)用函數(shù):J=∑k=0N?1c(k)U(k)ΘT=∑k=0N?1c(k){∑i=1nui(k)θi}=∑k=0N?1∑i=1nc(k)ui(k)θi(k=0,1,?,N?1；i=1,?,n)J=∑k=0Ν-1c(k)U(k)ΘΤ=∑k=0Ν-1c(k){∑i=1nui(k)θi}=∑k=0Ν-1∑i=1nc(k)ui(k)θi(k=0,1,?,Ν-1；i=1,?,n)成為最優(yōu)性能泛函:J?=min{∑k=0N?1∑i=1nc(k)ui(k)θi}J*=min{∑k=0Ν-1∑i=1nc(k)ui(k)θi}3法的實(shí)施最優(yōu)決策將排水的優(yōu)化控制過程看作一個(gè)多段決策過程,如圖2所示。根據(jù)最優(yōu)性原理的要求,動(dòng)態(tài)規(guī)劃法實(shí)施最優(yōu)決策的過程是:將多段決策問題轉(zhuǎn)化為一系列單段決策問題;從最后一段狀態(tài)開始逆向遞推到初始段為止。在自動(dòng)排水系統(tǒng)中,結(jié)合控制器的軟硬件特點(diǎn),設(shè)定邊界條件和約束,可以通過常規(guī)的遞推算法進(jìn)行求解。根據(jù)前述,遞推算法實(shí)現(xiàn)如下:約束條件:Xl≤X(K)≤Xh4水泵動(dòng)態(tài)規(guī)劃法應(yīng)用我國某煤礦的采區(qū)水泵房有5臺(tái)125D-258型離心式水泵,分別由5臺(tái)YB280S-2型異步三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(功率75kW)。每臺(tái)水泵排水能力為101m3/h。正常涌水量最高為111.5m3/h左右。水倉的有效容積為1492m3,分為內(nèi)外兩倉,當(dāng)一個(gè)倉清淤時(shí)僅使用另外一個(gè)水倉,平時(shí)兩個(gè)水倉都投入使用,能夠滿足該采區(qū)涌水情況的排水需要。假設(shè)供電電價(jià)如下表:現(xiàn)在該水泵房所采用的工作方式是:兩臺(tái)水泵工作、兩臺(tái)備用、一臺(tái)檢修。當(dāng)工作人員觀察水位達(dá)到一定高度時(shí),同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)水泵進(jìn)行排水。當(dāng)水位下降到一定程度時(shí),同時(shí)關(guān)閉水泵。每年電費(fèi)約336781.89元。使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行水泵調(diào)度,每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行軌跡均不相同。以最簡單的理想的工作情況進(jìn)行規(guī)劃,每年電費(fèi)可減少為137470.20元。在實(shí)際操作中,電價(jià)函數(shù)是預(yù)先可知的,水位的增長規(guī)律受多種因素的影響不可能是規(guī)則變化,但可以通過模擬量水位傳感器監(jiān)測水位的變化情況,并利用現(xiàn)代的工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析后得到。根據(jù)反饋的水位變化信號,進(jìn)一步進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。反復(fù)執(zhí)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解過程,計(jì)算出預(yù)計(jì)需要的電費(fèi)總額,從而得出費(fèi)用最低的水泵運(yùn)行方案。這樣的算法需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算。值得注意的是:動(dòng)態(tài)規(guī)劃有一定的滯后性。在實(shí)際的排水過程中都應(yīng)為各個(gè)環(huán)節(jié),設(shè)置相應(yīng)傳感設(shè)備如流量、水壓、真空度等傳感器,為控制器反饋數(shù)據(jù),從而完善控制器的輸入信息,進(jìn)一步優(yōu)化決策形成最優(yōu)的控制策略。5自動(dòng)排水動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的改進(jìn)我國井下水泵房普遍采用的人工操作方式存在很多缺點(diǎn)。排水系統(tǒng)的自動(dòng)化必將被越來越廣泛的使用。本文討論了采用逆推算法的應(yīng)用,這種算法需要