基于泵阀联合调控的城市供水管网压力管理研究

作     者：张伟倩 

作者单位：河北工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙广垠;徐秋红

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：压力调控 泵阀联合 事故工况 管网漏损 粒子群优化算法 

摘      要：随着城市供水管网运行年限的增长、用水人口的变化及需水量的不断增加,管网压力波动变大,漏损率上升,事故频发。管网分区、泵阀调控是有效控制管网漏损的压力管理方法,但管网分区个数与泵阀调控方案的合理性将直接影响供水管网压力管理的有效性。本文采用EPANET软件建立供水管网水力模型;考虑节点自由水压的相似性和节点位置(X、Y坐标),用k-means-canopy算法对管网中的节点进行聚类,对管网进行压力分区;建立了基于粒子群算法的泵阀联合调控压力优化模型;将以上压力管理方法应用到北方某市SPT区管网中,具体研究内容如下:(1)提出了一种基于水力模型的供水管网压力分区方法,将具有相似属性的节点分为一簇,考虑节点的地理位置和节点自由水压两个属性,用k-means-canopy算法求解并完成聚类,结合实际地形、水量、管网结构、DMA等进一步调整分区边界,确定各分区入口减压阀的位置,实现管网的压力分区。(2)建立了基于粒子群算法的泵阀联合调控压力优化模型。以最小化整个管网的平均压力为目标函数,变频泵的转速比和减压阀阀后压力设置值为决策变量,供水管网的水力平衡约束、节点最低水压、变频泵转速比范围和减压阀阀后压力范围为约束条件,运用粒子群优化算法寻求最优解。用该优化模型分别模拟得出了水泵单一调控、减压阀单一调控和泵阀联合调控三种方案,方案模拟结果显示,采用泵阀联合调控的效果最优,管网漏损量从1453.90 m/d降至1191.99 m/d,减少了18%;水泵电耗从5046.12 kwh/d降至4646.77 kwh/d,减少了8%。(3)建立了事故工况下的泵阀联合调控优化模型。以各事故工况下各分区控制点压力之和最小为目标,约束条件与决策变量和典型日工况下的压力优化模型相同,以典型日工况下的泵阀调控方案作为事故工况模拟的初始条件,采用压力优化模型对不满足最低压力需求的时段模拟得出泵阀调控方案。结果显示,管网平均失效指数从0.476降为0,平均弹性力指数从0.466上升至0.57,管网的安全性与可靠性得到了明显提升。本文提出的基于多工况泵阀联合调控的供水管网压力管理方法,不仅可以有效降低管网漏损与能耗,而且具有一定的普适性,可为大多数供水管网的管理与维护提供理论与实践指导。