建筑给排水排水水泵房优化控制研究

建筑给排水排水水泵房优化控制研究

1排水系统能耗高排水泵房是建筑物排水工程的重要组成部分，是确保生产、生活安全的重要设施。焦煤集团的排水用电占到了矿井生产用电的51%。排水系统耗电量过高的情况也发生在他其他企业中。对排水系统的水泵进行优化控制来提高水泵使用效率、降低排水成本,有很高的经济和战略意义。2水仓水位及水泵运行控制排水系统水泵房一般设置多台水泵。根据不同的涌水情况,确定运行台数,以提高水泵使用率;采取“避峰就谷”原则,在用电高峰期减少水泵运行,以减少排水费用。动态规划法研究的对象是决策过程最优化问题。依据最优性原理:不论初始状态和初始决策怎么样,其余决策对于第一次决策必须构成一个最优策略。结合排水过程的特点,可将排水过程分成若干个互相联系的阶段,在它的每一阶段都需要做出决策,从而使整个排水过程达到最好的动态效果。各个阶段决策的选取依赖于当前面临的状态,又影响以后的发展。当各个阶段决策确定后,就组成一个决策序列。根据排水要求设定水位值为Xl～Xh,如图1所示。将每个排水周期等分为N段(0～N-1),每段内泵站运行情况不变。设第k段水仓水位为X(k)(Xl≤X(k)≤Xh),k为离散时间变量。集水池涌水量是水位的函数为:f(k)=ϕ[X(k)]f(k)=ϕ[X(k)]竖井的涌水量与水位为线性函数关系:f(k)=FX(k)f(k)=FX(k)式中:F—竖井断面积。设水泵房有n台水泵并联工作,第i台水泵在k时刻的运行状态为ui(k),ui(k)=0表示停机,ui(k)=1表示运行。水泵房的控制决策向量为: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为:Γ={γ1‚γ2‚⋯‚γn}Γ={γ1‚γ2‚⋯‚γn}水泵每个时段耗电向量为:Θ={θ1‚θ2‚⋯‚θn}Θ={θ1‚θ2‚⋯‚θn}一个周期(24h)内电价c(k)是随时间变化的函数,则:c(k)=c(k+N)c(k)=c(k+Ν)水泵房最优化控制可描述为:在排水周期内,通过选择最优控制向量U*={U*(0),U*(1),…,U*(N-1)},使一个周期内的电费支出最低。即使费用函数: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)成为最优性能泛函:J∗=min{∑k=0N−1∑i=1nc(k)ui(k)θi}J*=min{∑k=0Ν-1∑i=1nc(k)ui(k)θi}3法的实施最优决策将排水的优化控制过程看作一个多段决策过程,如图2所示。根据最优性原理的要求,动态规划法实施最优决策的过程是:将多段决策问题转化为一系列单段决策问题;从最后一段状态开始逆向递推到初始段为止。在自动排水系统中,结合控制器的软硬件特点,设定边界条件和约束,可以通过常规的递推算法进行求解。根据前述,递推算法实现如下:约束条件:Xl≤X(K)≤Xh4水泵动态规划法应用我国某煤矿的采区水泵房有5台125D-258型离心式水泵,分别由5台YB280S-2型异步三相电动机驱动(功率75kW)。每台水泵排水能力为101m3/h。正常涌水量最高为111.5m3/h左右。水仓的有效容积为1492m3,分为内外两仓,当一个仓清淤时仅使用另外一个水仓,平时两个水仓都投入使用,能够满足该采区涌水情况的排水需要。假设供电电价如下表:现在该水泵房所采用的工作方式是:两台水泵工作、两台备用、一台检修。当工作人员观察水位达到一定高度时,同时启动两台水泵进行排水。当水位下降到一定程度时,同时关闭水泵。每年电费约336781.89元。使用动态规划法进行水泵调度,每个运行周期内的运行状态和运行轨迹均不相同。以最简单的理想的工作情况进行规划,每年电费可减少为137470.20元。在实际操作中,电价函数是预先可知的,水位的增长规律受多种因素的影响不可能是规则变化,但可以通过模拟量水位传感器监测水位的变化情况,并利用现代的工业计算机技术进行分析后得到。根据反馈的水位变化信号,进一步进行预测计算。反复执行动态规划法求解过程,计算出预计需要的电费总额,从而得出费用最低的水泵运行方案。这样的算法需要大量的数据运算。值得注意的是:动态规划有一定的滞后性。在实际的排水过程中都应为各个环节,设置相应传感设备如流量、水压、真空度等传感器,为控制器反馈数据,从而完善控制器的输入信息,进一步优化决策形成最优的控制策略。5自动排水动态规划法的改进我国井下水泵房普遍采用的人工操作方式存在很多缺点。排水系统的自动化必将被越来越广泛的使用。本文讨论了采用逆推算法的应用,这种算法需要