東深供水工程優(yōu)化運(yùn)行研究與實(shí)踐

李崇智，周 竹

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511458; 2.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳 518021)

0 引 言

東深供水工程是長距離、大流量、跨流域的大型梯級調(diào)水工程，其主要供水任務(wù)是為香港、深圳和東莞地區(qū)沿線8鎮(zhèn)提供符合國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的飲用原水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。東深供水工程始建于1964年2月，1965年3月1日建成并正式向香港供水。為了滿足香港、深圳和東莞等地的用水需求，從20世紀(jì)70年代、80年代、90年代和2000年分別進(jìn)行了3次工程擴(kuò)建和1次工程改造。

2003年6月28日，東深供水改造工程(以下簡稱東改工程)全線完工，形成徹底與外部來水隔離的封閉供水網(wǎng)絡(luò)。工程設(shè)計(jì)流量為100 m3/s，設(shè)計(jì)年總?cè)∷繛?4.23 億m3。設(shè)計(jì)供水保證率99%，總供水人口約2 000 萬人。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

東深供水工程[1]起點(diǎn)位于東江之畔的東莞橋頭鎮(zhèn)，終點(diǎn)位于深圳三岔河深、港分界線處。工程包括68 km專用輸水管涵，2回110 kV、1回35 kV、7段10 kV高壓輸電線路、6座梯級抽水泵站、1座生物硝化站、2座水電站、50個沿線分水站和2個水庫等水利工程設(shè)施。

東改工程6座梯級泵站的起始抽水泵站為太園泵站，從東江取水，其后分別為蓮湖、旗嶺和金湖泵站，金湖泵站后自流到上埔節(jié)制閘，再經(jīng)過雁田隧洞進(jìn)入深圳水庫。上埔、雁田泵站為上埔節(jié)制閘前抽水入雁田水庫的支線泵站。太園泵站處于東江與石馬河的交匯處，其他5座抽水泵站均處于石馬河流域。東深供水工程泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)見表1和表2。

表1 東深供水工程泵站運(yùn)行水位表Tab.1 The pump station operating water level of Dongsheng Water Supply Project

1.2 工程具備優(yōu)化運(yùn)行條件

1.2.1 東莞電網(wǎng)大工業(yè)用電實(shí)行峰谷電價(jià)政策

東莞市大工業(yè)用電從2003年3月起實(shí)行峰谷電價(jià)。目前每天各時段電價(jià)分別為：9∶0-12∶00、19∶00-22∶00峰期電價(jià)1.139 8 元/度，0∶00-8∶00谷期電價(jià)0.381 5 元/度、其他時段平期電價(jià)0.711 2 元/度。峰谷時段電價(jià)差近3倍。且東莞大工業(yè)用電峰期及平期時段相對集中，利于實(shí)施優(yōu)化運(yùn)行。

表2 東深供水工程泵組運(yùn)行參數(shù)表Tab.2 The Pump group operating parameter table of Dongsheng Water Supply Project

1.2.2 系統(tǒng)供水量未達(dá)設(shè)計(jì)最大供水量

工程設(shè)計(jì)流量為100 m3/s,最大抽水能力為864 萬m3/d，目前抽水量平均為610 萬m3/d，供水系統(tǒng)具備在峰平谷電價(jià)時段安排不同抽水量的優(yōu)化運(yùn)行條件。

1.2.3 可利用兩座水庫進(jìn)行調(diào)蓄

東深供水工程兩座終端水庫雁田水庫和深圳水庫，均為中型水庫，其中雁田水庫正常庫容為833 萬m3，調(diào)蓄庫容346 萬m3；深圳水庫正常庫容為3 348 萬m3，調(diào)蓄庫容2 421 萬m3。對港、深供水主要用戶均在水庫取水，水庫的調(diào)蓄庫容為優(yōu)化運(yùn)行提供有利條件。

1.2.4 政府及公司節(jié)能要求

(1)政府節(jié)能要求。省、市政府提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排，并設(shè)定了節(jié)能減排總目標(biāo)，頒布實(shí)施了《節(jié)約能源法》。為響應(yīng)政府節(jié)能減排要求，有必要對供水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行研究。

(2)公司節(jié)能要求。公司大力提倡并堅(jiān)持“安全、高效、求實(shí)、創(chuàng)新”的企業(yè)文化和經(jīng)營理念，為工程優(yōu)化運(yùn)行研究和實(shí)踐提供強(qiáng)大動力和支持。公司在做好生產(chǎn)經(jīng)營和改革發(fā)展的同時，把節(jié)能增效作為一貫持之以恒的經(jīng)營理念，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，以節(jié)能優(yōu)化為重點(diǎn)，不斷優(yōu)化運(yùn)行管理，提高運(yùn)行效率，增強(qiáng)企業(yè)競爭力，促進(jìn)企業(yè)高速、高效發(fā)展。

東改工程投產(chǎn)運(yùn)行后，工程設(shè)備設(shè)施、供水水質(zhì)、區(qū)域水文及防洪情況不斷變化，公司結(jié)合東深供水工程特點(diǎn)，在滿足供水需求、設(shè)備設(shè)施安全運(yùn)行、水質(zhì)安全、三防調(diào)度等約束條件下，積極開展以節(jié)約抽水電費(fèi)成本為目標(biāo)的供水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究勢在必行，意義重大。

2 項(xiàng)目研究及實(shí)踐

2.1 優(yōu)化目標(biāo)選擇

2.1.1 系統(tǒng)運(yùn)行動力費(fèi)組成分析

系統(tǒng)運(yùn)行動力費(fèi)=抽水電費(fèi)成本+其他用電成本+各種用電損耗+基本容量費(fèi)+力率調(diào)整費(fèi)-電站發(fā)電折合電費(fèi)。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動力費(fèi)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Power cost composition chart

2.1.2 優(yōu)化目標(biāo)確定

系統(tǒng)運(yùn)行動力費(fèi)組成中，抽水電費(fèi)占總動力費(fèi)的84%，基本容量費(fèi)占10%，電站發(fā)電折合電費(fèi)占5%，其他用電成本、系統(tǒng)損耗和力率調(diào)整合計(jì)占1%。抽水電費(fèi)為主要成本且為可控成本，因此選擇降低抽水電費(fèi)作為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵要素和主要目標(biāo)。

2.2 優(yōu)化運(yùn)行模型研究

2.2.1 最優(yōu)運(yùn)行模型研究

(1)最優(yōu)運(yùn)行原則。峰谷平電價(jià)政策每日分6個時段，為避免各級泵站頻繁開停機(jī)組，系統(tǒng)運(yùn)行每天分4個時段。在滿足日抽水量與需水量平衡前提下，谷期以最大流量100 m3/s抽水，峰期以最小流量20 m3/s抽水，使系統(tǒng)抽水電費(fèi)最少[2]。

(2)關(guān)鍵因子要。①太園泵站加減機(jī)時點(diǎn)及對應(yīng)的抽水量。系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行關(guān)鍵是確定各級泵站(太園、蓮湖、旗嶺及金湖泵站)最優(yōu)加減機(jī)時點(diǎn)及對應(yīng)的抽水量[3-5]。對應(yīng)于日抽水量需求和供水系統(tǒng)流量平衡原理，關(guān)鍵因子簡化為太園泵站的加減機(jī)時點(diǎn)及其相應(yīng)抽水流量。在太園泵站加減機(jī)時間和抽水量確定后，各梯級蓮湖、旗嶺及金湖泵站的抽水時點(diǎn)按流量平衡原理，即各梯級泵站通過水位控制，其加減機(jī)時間和抽水量在滿足本梯級區(qū)間分水后，全部水量調(diào)入下一梯級[6]。②供水系統(tǒng)過渡過程。太園泵站加減機(jī)后，供水系統(tǒng)過渡過程即各梯級蓮湖、旗嶺及金湖泵站隨后的加減機(jī)滯后時間，系統(tǒng)水面線動態(tài)變化過程。供水系統(tǒng)的過渡過程先通過一元非恒定流模型計(jì)算，再通過系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)修正。經(jīng)系統(tǒng)實(shí)測，在太園泵站加減機(jī)后，各梯級蓮湖、旗嶺、金湖泵站過渡過程滯后時間平均分別為0.5、1、1.5 h。各級泵站太園、蓮湖、旗嶺、金湖泵站機(jī)組啟停用時分別為1、5、10、10 min。最優(yōu)運(yùn)行各級太園、蓮湖、旗嶺及金湖泵站加減機(jī)過渡過程示意如圖2所示。

圖2 最優(yōu)運(yùn)行各級泵站加減機(jī)時間及抽水量Fig.2 Optimum running time and pumping capacity for pump stations at all levels

(3)最優(yōu)模型。①最優(yōu)目標(biāo)：各級泵站所耗抽水電費(fèi)最低；②總約束條件：泵站設(shè)計(jì)最大抽水能力、機(jī)組設(shè)計(jì)最大抽水量、各級泵站設(shè)計(jì)水位和水庫設(shè)計(jì)水位；③最優(yōu)模型成果：建立供水系統(tǒng)流量平衡過渡過程模型，計(jì)算電網(wǎng)峰平谷電價(jià)各時段各級泵站機(jī)組啟停時間和抽水流量，使各級泵站抽水流量與電網(wǎng)峰平谷電價(jià)時段搭配(谷期最大流量100 m3/s、峰期最小流量20 m3/s、每天峰平谷時段2次加機(jī)2次減機(jī))，獲得最優(yōu)運(yùn)行計(jì)算機(jī)模擬最優(yōu)方案。④單站優(yōu)化模型：每天分n個供水時段，在每個時段下的站流量為q(q={qi|i=1,2,3,|n})，所經(jīng)歷的時長為M(集合M={mi|i=1,2,3,|n})。在滿足約束條件下，計(jì)算最優(yōu)目標(biāo)，使供水系統(tǒng)各級泵站抽水電費(fèi)合計(jì)p最低。抽水電費(fèi)p計(jì)算公式為：

(1)

式中：Hst(i)表示第i個時段下，水泵的靜揚(yáng)程；q(i)表示第i個時段下流量；M(i)表示第i個時段下時長；D(i)表示第i個時段下電價(jià)；γ表示水的重度；η(i)表示第i個時段下水泵的裝置效率。泵站流量與泵站開機(jī)臺數(shù)、單機(jī)流量有一定對應(yīng)關(guān)系。

以單一泵站運(yùn)行抽水電費(fèi)最小作為目標(biāo)函數(shù)，則相應(yīng)表達(dá)式即：

(2)

單站優(yōu)化模型計(jì)算過程約束條件：每日累計(jì)供水量等于實(shí)際需水量S； 任意時刻下，其最大流量不應(yīng)超過泵站設(shè)計(jì)流量Q；太園泵站機(jī)組考慮高、低速運(yùn)行選擇；機(jī)組處于高效區(qū)運(yùn)行；同一臺機(jī)組連續(xù)啟動時間間隔不小于4 h。

(3)

⑤系統(tǒng)優(yōu)化模型：供水系統(tǒng)抽水電費(fèi)P為：

(4)

式中：Hst(i|j)表示第i個泵站，在第j個時段下，該泵站的靜揚(yáng)程；D(i，j)表示第i個泵站，在第j個時段下電價(jià)； 表示水的重度，q(i，j)表示第i個泵站，在第j個時段下，泵站的抽水流量；M(i，j)表示第i個泵站，在第j個時段下，泵站運(yùn)行時長；η(i|j)表示第i個泵站，在第j個時段下，水泵的裝置效率。

各級泵站總抽水電費(fèi)最小為目標(biāo)函數(shù)，則相應(yīng)表達(dá)式為：

(5)

式中：P(i，j)表示第j個時段，第i個泵站的電費(fèi)。

系統(tǒng)優(yōu)化模型計(jì)算過程約束條件：根據(jù)各泵站的實(shí)際情況，任一時刻下的單站流量，應(yīng)不超過其設(shè)計(jì)最大站流量QmaxYjY。各泵站每日累計(jì)供水量S(i)，應(yīng)等于每日實(shí)際需水量S。太園泵站機(jī)組考慮高、低速運(yùn)行選擇；蓮湖、旗嶺、金湖泵站同步機(jī)組、異步機(jī)組考慮匹配運(yùn)行；按各級泵站水位控制要求及系統(tǒng)流量平衡原則，根據(jù)上級泵站來水流量及區(qū)間分水流量q′，確定下級泵站抽水流量；在電價(jià)谷期以允許的最大流量抽水，在電價(jià)峰期以滿足沿線取水的最小流量抽水，余下需水量在平期完成；同一臺機(jī)組連續(xù)啟動時間間隔不小于4 h。

(6)

2.2.2 次優(yōu)運(yùn)行模型研究

(1)次優(yōu)運(yùn)行原則(圖3)。峰谷平電價(jià)政策每日分6個時段，為避免各級泵站頻繁開停機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行每天分2個時段。在滿足日抽水量與需水量平衡前提下，增加設(shè)備設(shè)施運(yùn)行限制、水質(zhì)安全限制和三防安全限制條件，谷期以最大流量抽水100 m3/s抽水，峰期以最小流量20 m3/s抽水，使系統(tǒng)抽水電費(fèi)較少。

圖3 次優(yōu)運(yùn)行各級泵站加減機(jī)時間及抽水量Fig.3 Second Optimum running time and pumping capacity for pump stations at all levels

(2)關(guān)鍵因子。分別為太園泵站加減機(jī)時點(diǎn)及對應(yīng)的抽水量、供水系統(tǒng)過渡過程。

(3)次優(yōu)模型。①次優(yōu)目標(biāo)：各級泵站所耗抽水電費(fèi)較低。②總約束條件：泵站設(shè)計(jì)最大抽水能力、機(jī)組設(shè)計(jì)最大抽水量、各級泵站設(shè)計(jì)水位和水庫設(shè)計(jì)水位、各級泵站有效機(jī)組數(shù)量、系統(tǒng)水質(zhì)安全需求和三防調(diào)度要求。③次優(yōu)模型成果：在最優(yōu)運(yùn)行方案基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合供水系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)際，在設(shè)備設(shè)施運(yùn)行限制、水質(zhì)安全限制和三防安全限制條件下，計(jì)算電網(wǎng)峰平谷電價(jià)各時段各級泵站機(jī)組啟停時間和抽水流量，使各級泵站抽水流量與電網(wǎng)峰平谷電價(jià)時段搭配(谷期最大流量100 m3/s、峰期最小流量20 m3/s、每天峰平谷時段1次加機(jī)1次減機(jī))，獲得次優(yōu)運(yùn)行計(jì)算機(jī)模擬次優(yōu)方案。④單站及系統(tǒng)優(yōu)化模型與最優(yōu)模型類似。

2.3 實(shí)施方案及配套專項(xiàng)方案制定

2.3.1 固化典型水量最優(yōu)和次優(yōu)運(yùn)行方案

在優(yōu)化運(yùn)行模型基礎(chǔ)上，為使優(yōu)化運(yùn)行方案在實(shí)際供水系統(tǒng)中具有實(shí)用性和可操作性，保證實(shí)施過程中供水系統(tǒng)在正常和突發(fā)異常情況下的安全，確保優(yōu)化運(yùn)行方案有效，方便調(diào)度員執(zhí)行，以典型水量(450、500、550、600、650、700 萬m3)下系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，固化典型水量的最優(yōu)和次優(yōu)運(yùn)行方案。方案主要包括以下內(nèi)容：①典型水量下太園、蓮湖、旗嶺、金湖泵站每天各時段加減機(jī)時點(diǎn)和抽水量。②太園、蓮湖、旗嶺、金湖泵站每天各時段機(jī)組組合選擇方案及機(jī)組的角度選擇方案，表3為600 萬m3典型水量最優(yōu)和次優(yōu)運(yùn)行方案表。

表3 600 萬m3典型水量最優(yōu)和次優(yōu)運(yùn)行方案表Tab.3 The optimal and suboptimal operation plan of supply 6 million m3 water

2.3.2 配套專項(xiàng)方案

(1)各梯級泵站和水庫水位控制專項(xiàng)方案。在保證供水工程各類設(shè)施和水庫運(yùn)行水位安全前提下，通過運(yùn)用六西格瑪分析方法，對太園、蓮湖、旗嶺及金湖泵站抽水能耗和多年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合優(yōu)化運(yùn)行方案，制定各梯級泵站最優(yōu)水位運(yùn)行控制專項(xiàng)方案。同時，結(jié)合三防調(diào)度要求，制定兩水庫水位運(yùn)行控制專項(xiàng)方案。

(2)水質(zhì)調(diào)度專項(xiàng)方案。在廣東省水利廳的大力支持協(xié)調(diào)下，為減少太園泵站取水口石馬河污水上溯影響，以及減少東江上游水質(zhì)突發(fā)事件影響，保證工程供水水質(zhì)，2011年7月公司聯(lián)合廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院編制，由廣東省供水工程管理總局發(fā)布實(shí)施了《東莞市石馬河橡膠壩、惠州市潼湖排水涵閘、東深供水工程太園泵站聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行規(guī)定》，促使相關(guān)單位協(xié)調(diào)一致，充分利用各自現(xiàn)有工程設(shè)施，進(jìn)行水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度，有效減少污水上溯影響，有效保障供水工程優(yōu)化運(yùn)行實(shí)施。

2.4 系統(tǒng)能力測試及工程技術(shù)措施改進(jìn)

2.4.1 系統(tǒng)能力研究與測試

自東改工程投產(chǎn)以來，為不斷優(yōu)化運(yùn)行方案，公司組織先后進(jìn)行了多項(xiàng)系統(tǒng)供水能力研究和試驗(yàn)，通過研究和試驗(yàn)，為優(yōu)化運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。主要研究和試驗(yàn)項(xiàng)目見表4。

2.4.2 工程技術(shù)措施改進(jìn)與實(shí)施

公司大膽創(chuàng)新，與廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院等專業(yè)機(jī)構(gòu)合作，針對供水系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備，先后進(jìn)行以下工程項(xiàng)目的技改，有效保障系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行實(shí)施，詳見表5。

表4 測試項(xiàng)目目的與成果表Tab.4 The table of test project purpose and results

表5 技術(shù)改造成果表Tab.5 The table of technical transformation results

2.5 優(yōu)化運(yùn)行管理機(jī)制建立

2.5.1 精細(xì)化管理制度

(1)每天根據(jù)供水需求、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀況、水質(zhì)指標(biāo)和三防要求等條件，由調(diào)度管理人員制定當(dāng)天的優(yōu)化運(yùn)行方式，調(diào)度員嚴(yán)格按運(yùn)行方式執(zhí)行。

(2)調(diào)度管理人員通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，編制各種抽水量優(yōu)化運(yùn)行方案庫，并定期對優(yōu)化運(yùn)行方案庫進(jìn)行完善，持續(xù)改進(jìn)。

(3)每天調(diào)度管理人員對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)，每月對系統(tǒng)輸水管線關(guān)鍵斷面進(jìn)行過流能力監(jiān)測，每年年中安排一次對司馬有壓箱涵螺仔清理，每年年底安排一次系統(tǒng)停水檢修，對整個系統(tǒng)輸水管線進(jìn)行全面檢修，確保系統(tǒng)安全可靠優(yōu)化運(yùn)行。

2.5.2 運(yùn)行方式24小時跟蹤調(diào)整制度

調(diào)度管理人員24小時跟蹤運(yùn)行方式的執(zhí)行，供水系統(tǒng)和外界條件發(fā)生異常或變化時，適時調(diào)整當(dāng)天運(yùn)行方式，并隨時投入進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)急處置。

3 項(xiàng)目實(shí)施歷程

3.1 第一階段：2003-2005年

供水系統(tǒng)最小流量受沿線分水點(diǎn)取水高程限制，為保證用戶取水，系統(tǒng)最小流量按40 m3/s運(yùn)行；為保證工程投產(chǎn)初期安全運(yùn)行，不斷測試，最大流量由最初的90 m3/s逐步增加至設(shè)計(jì)流量100 m3/s運(yùn)行。

3.2 第二階段：2006-2008年

通過對竹尾田檢修閘進(jìn)行技術(shù)改造和利用生化站上游調(diào)蓄庫容滿足龍口泵站取水等措施，保證分水點(diǎn)用戶取水，通過研究技改試運(yùn)行，不斷完善總結(jié)，系統(tǒng)最小流量減至20 m3/s運(yùn)行，最大流量保持100 m3/s運(yùn)行，系統(tǒng)流量調(diào)整分4段，機(jī)組啟停各兩次。供水工程全線采用最優(yōu)運(yùn)行方案運(yùn)行。

3.3 第三階段：2009-2013年

結(jié)合供水工程取水口水質(zhì)變化和各梯級泵站機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性需求，系統(tǒng)保持最小流量20 m3/s，最大流量100 m3/s，系統(tǒng)流量調(diào)整分2段，機(jī)組啟停各一次，較多采用次優(yōu)運(yùn)行方案運(yùn)行。

4 項(xiàng)目效益

項(xiàng)目在國內(nèi)大型梯級調(diào)水工程中首次成功應(yīng)用，經(jīng)過2003年至2012年十年的研究和實(shí)踐，項(xiàng)目確保了港、深、莞沿線供水安全和工程安全，同時節(jié)約電費(fèi)共計(jì)3.035 億元，具體節(jié)約電費(fèi)見表6，年均節(jié)約電費(fèi)3 035 萬元。取得顯著社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。2011年公司授予優(yōu)化運(yùn)行方案研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)獎。

表6 2003-2012年供水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行節(jié)約抽水電費(fèi)統(tǒng)計(jì)匯總表Tab.6 Optimized operational saving electricity summary table for 2003-2012

注：①節(jié)約電費(fèi)=(電網(wǎng)加權(quán)平均電價(jià)-實(shí)際運(yùn)行平均電價(jià))×電量。②2003-2009年電量采用東莞供電局電費(fèi)通知單數(shù)據(jù)；2010-2012年為避免供電局抄表時間影響，電量采用校核電表公司抄表數(shù)據(jù)。③十年來，平均每年節(jié)約電費(fèi)3 035 萬元。

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