东深供水工程优化运行研究与实践

李崇智，周 竹

(1.广东粤海珠三角供水有限公司，广州 511458; 2.广东粤港供水有限公司，广东 深圳 518021)

0 引 言

东深供水工程是长距离、大流量、跨流域的大型梯级调水工程，其主要供水任务是为香港、深圳和东莞地区沿线8镇提供符合国家水质标准的饮用原水和工农业生产用水。东深供水工程始建于1964年2月，1965年3月1日建成并正式向香港供水。为了满足香港、深圳和东莞等地的用水需求，从20世纪70年代、80年代、90年代和2000年分别进行了3次工程扩建和1次工程改造。

2003年6月28日，东深供水改造工程(以下简称东改工程)全线完工，形成彻底与外部来水隔离的封闭供水网络。工程设计流量为100 m3/s，设计年总取水量为24.23 亿m3。设计供水保证率99%，总供水人口约2 000 万人。

1 项目背景

1.1 工程概况

东深供水工程[1]起点位于东江之畔的东莞桥头镇，终点位于深圳三岔河深、港分界线处。工程包括68 km专用输水管涵，2回110 kV、1回35 kV、7段10 kV高压输电线路、6座梯级抽水泵站、1座生物硝化站、2座水电站、50个沿线分水站和2个水库等水利工程设施。

东改工程6座梯级泵站的起始抽水泵站为太园泵站，从东江取水，其后分别为莲湖、旗岭和金湖泵站，金湖泵站后自流到上埔节制闸，再经过雁田隧洞进入深圳水库。上埔、雁田泵站为上埔节制闸前抽水入雁田水库的支线泵站。太园泵站处于东江与石马河的交汇处，其他5座抽水泵站均处于石马河流域。东深供水工程泵站设计运行参数见表1和表2。

表1 东深供水工程泵站运行水位表Tab.1 The pump station operating water level of Dongsheng Water Supply Project

1.2 工程具备优化运行条件

1.2.1 东莞电网大工业用电实行峰谷电价政策

东莞市大工业用电从2003年3月起实行峰谷电价。目前每天各时段电价分别为：9∶0-12∶00、19∶00-22∶00峰期电价1.139 8 元/度，0∶00-8∶00谷期电价0.381 5 元/度、其他时段平期电价0.711 2 元/度。峰谷时段电价差近3倍。且东莞大工业用电峰期及平期时段相对集中，利于实施优化运行。

表2 东深供水工程泵组运行参数表Tab.2 The Pump group operating parameter table of Dongsheng Water Supply Project

1.2.2 系统供水量未达设计最大供水量

工程设计流量为100 m3/s,最大抽水能力为864 万m3/d，目前抽水量平均为610 万m3/d，供水系统具备在峰平谷电价时段安排不同抽水量的优化运行条件。

1.2.3 可利用两座水库进行调蓄

东深供水工程两座终端水库雁田水库和深圳水库，均为中型水库，其中雁田水库正常库容为833 万m3，调蓄库容346 万m3；深圳水库正常库容为3 348 万m3，调蓄库容2 421 万m3。对港、深供水主要用户均在水库取水，水库的调蓄库容为优化运行提供有利条件。

1.2.4 政府及公司节能要求

(1)政府节能要求。省、市政府提倡循环经济和节能减排，并设定了节能减排总目标，颁布实施了《节约能源法》。为响应政府节能减排要求，有必要对供水系统进行优化运行研究。

(2)公司节能要求。公司大力提倡并坚持“安全、高效、求实、创新”的企业文化和经营理念，为工程优化运行研究和实践提供强大动力和支持。公司在做好生产经营和改革发展的同时，把节能增效作为一贯持之以恒的经营理念，坚持科学发展观，以节能优化为重点，不断优化运行管理，提高运行效率，增强企业竞争力，促进企业高速、高效发展。

东改工程投产运行后，工程设备设施、供水水质、区域水文及防洪情况不断变化，公司结合东深供水工程特点，在满足供水需求、设备设施安全运行、水质安全、三防调度等约束条件下，积极开展以节约抽水电费成本为目标的供水系统优化运行研究势在必行，意义重大。

2 项目研究及实践

2.1 优化目标选择

2.1.1 系统运行动力费组成分析

系统运行动力费=抽水电费成本+其他用电成本+各种用电损耗+基本容量费+力率调整费-电站发电折合电费。其组成结构如图1所示。

图1 动力费组成结构图Fig.1 Power cost composition chart

2.1.2 优化目标确定

系统运行动力费组成中，抽水电费占总动力费的84%，基本容量费占10%，电站发电折合电费占5%，其他用电成本、系统损耗和力率调整合计占1%。抽水电费为主要成本且为可控成本，因此选择降低抽水电费作为系统优化运行的关键要素和主要目标。

2.2 优化运行模型研究

2.2.1 最优运行模型研究

(1)最优运行原则。峰谷平电价政策每日分6个时段，为避免各级泵站频繁开停机组，系统运行每天分4个时段。在满足日抽水量与需水量平衡前提下，谷期以最大流量100 m3/s抽水，峰期以最小流量20 m3/s抽水，使系统抽水电费最少[2]。

(2)关键因子要。①太园泵站加减机时点及对应的抽水量。系统最优运行关键是确定各级泵站(太园、莲湖、旗岭及金湖泵站)最优加减机时点及对应的抽水量[3-5]。对应于日抽水量需求和供水系统流量平衡原理，关键因子简化为太园泵站的加减机时点及其相应抽水流量。在太园泵站加减机时间和抽水量确定后，各梯级莲湖、旗岭及金湖泵站的抽水时点按流量平衡原理，即各梯级泵站通过水位控制，其加减机时间和抽水量在满足本梯级区间分水后，全部水量调入下一梯级[6]。②供水系统过渡过程。太园泵站加减机后，供水系统过渡过程即各梯级莲湖、旗岭及金湖泵站随后的加减机滞后时间，系统水面线动态变化过程。供水系统的过渡过程先通过一元非恒定流模型计算，再通过系统实际运行数据修正。经系统实测，在太园泵站加减机后，各梯级莲湖、旗岭、金湖泵站过渡过程滞后时间平均分别为0.5、1、1.5 h。各级泵站太园、莲湖、旗岭、金湖泵站机组启停用时分别为1、5、10、10 min。最优运行各级太园、莲湖、旗岭及金湖泵站加减机过渡过程示意如图2所示。

图2 最优运行各级泵站加减机时间及抽水量Fig.2 Optimum running time and pumping capacity for pump stations at all levels

(3)最优模型。①最优目标：各级泵站所耗抽水电费最低；②总约束条件：泵站设计最大抽水能力、机组设计最大抽水量、各级泵站设计水位和水库设计水位；③最优模型成果：建立供水系统流量平衡过渡过程模型，计算电网峰平谷电价各时段各级泵站机组启停时间和抽水流量，使各级泵站抽水流量与电网峰平谷电价时段搭配(谷期最大流量100 m3/s、峰期最小流量20 m3/s、每天峰平谷时段2次加机2次减机)，获得最优运行计算机模拟最优方案。④单站优化模型：每天分n个供水时段，在每个时段下的站流量为q(q={qi|i=1,2,3,|n})，所经历的时长为M(集合M={mi|i=1,2,3,|n})。在满足约束条件下，计算最优目标，使供水系统各级泵站抽水电费合计p最低。抽水电费p计算公式为：

(1)

式中：Hst(i)表示第i个时段下，水泵的静扬程；q(i)表示第i个时段下流量；M(i)表示第i个时段下时长；D(i)表示第i个时段下电价；γ表示水的重度；η(i)表示第i个时段下水泵的装置效率。泵站流量与泵站开机台数、单机流量有一定对应关系。

以单一泵站运行抽水电费最小作为目标函数，则相应表达式即：

(2)

单站优化模型计算过程约束条件：每日累计供水量等于实际需水量S； 任意时刻下，其最大流量不应超过泵站设计流量Q；太园泵站机组考虑高、低速运行选择；机组处于高效区运行；同一台机组连续启动时间间隔不小于4 h。

(3)

⑤系统优化模型：供水系统抽水电费P为：

(4)

式中：Hst(i|j)表示第i个泵站，在第j个时段下，该泵站的静扬程；D(i，j)表示第i个泵站，在第j个时段下电价； 表示水的重度，q(i，j)表示第i个泵站，在第j个时段下，泵站的抽水流量；M(i，j)表示第i个泵站，在第j个时段下，泵站运行时长；η(i|j)表示第i个泵站，在第j个时段下，水泵的装置效率。

各级泵站总抽水电费最小为目标函数，则相应表达式为：

(5)

式中：P(i，j)表示第j个时段，第i个泵站的电费。

系统优化模型计算过程约束条件：根据各泵站的实际情况，任一时刻下的单站流量，应不超过其设计最大站流量QmaxYjY。各泵站每日累计供水量S(i)，应等于每日实际需水量S。太园泵站机组考虑高、低速运行选择；莲湖、旗岭、金湖泵站同步机组、异步机组考虑匹配运行；按各级泵站水位控制要求及系统流量平衡原则，根据上级泵站来水流量及区间分水流量q′，确定下级泵站抽水流量；在电价谷期以允许的最大流量抽水，在电价峰期以满足沿线取水的最小流量抽水，余下需水量在平期完成；同一台机组连续启动时间间隔不小于4 h。

(6)

2.2.2 次优运行模型研究

(1)次优运行原则(图3)。峰谷平电价政策每日分6个时段，为避免各级泵站频繁开停机，系统运行每天分2个时段。在满足日抽水量与需水量平衡前提下，增加设备设施运行限制、水质安全限制和三防安全限制条件，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，使系统抽水电费较少。

图3 次优运行各级泵站加减机时间及抽水量Fig.3 Second Optimum running time and pumping capacity for pump stations at all levels

(2)关键因子。分别为太园泵站加减机时点及对应的抽水量、供水系统过渡过程。

(3)次优模型。①次优目标：各级泵站所耗抽水电费较低。②总约束条件：泵站设计最大抽水能力、机组设计最大抽水量、各级泵站设计水位和水库设计水位、各级泵站有效机组数量、系统水质安全需求和三防调度要求。③次优模型成果：在最优运行方案基础上，进一步结合供水系统生产实际，在设备设施运行限制、水质安全限制和三防安全限制条件下，计算电网峰平谷电价各时段各级泵站机组启停时间和抽水流量，使各级泵站抽水流量与电网峰平谷电价时段搭配(谷期最大流量100 m3/s、峰期最小流量20 m3/s、每天峰平谷时段1次加机1次减机)，获得次优运行计算机模拟次优方案。④单站及系统优化模型与最优模型类似。

2.3 实施方案及配套专项方案制定

2.3.1 固化典型水量最优和次优运行方案

在优化运行模型基础上，为使优化运行方案在实际供水系统中具有实用性和可操作性，保证实施过程中供水系统在正常和突发异常情况下的安全，确保优化运行方案有效，方便调度员执行，以典型水量(450、500、550、600、650、700 万m3)下系统运行数据为基础，固化典型水量的最优和次优运行方案。方案主要包括以下内容：①典型水量下太园、莲湖、旗岭、金湖泵站每天各时段加减机时点和抽水量。②太园、莲湖、旗岭、金湖泵站每天各时段机组组合选择方案及机组的角度选择方案，表3为600 万m3典型水量最优和次优运行方案表。

表3 600 万m3典型水量最优和次优运行方案表Tab.3 The optimal and suboptimal operation plan of supply 6 million m3 water

2.3.2 配套专项方案

(1)各梯级泵站和水库水位控制专项方案。在保证供水工程各类设施和水库运行水位安全前提下，通过运用六西格玛分析方法，对太园、莲湖、旗岭及金湖泵站抽水能耗和多年运行数据进行统计分析，结合优化运行方案，制定各梯级泵站最优水位运行控制专项方案。同时，结合三防调度要求，制定两水库水位运行控制专项方案。

(2)水质调度专项方案。在广东省水利厅的大力支持协调下，为减少太园泵站取水口石马河污水上溯影响，以及减少东江上游水质突发事件影响，保证工程供水水质，2011年7月公司联合广东省水利电力勘测设计研究院编制，由广东省供水工程管理总局发布实施了《东莞市石马河橡胶坝、惠州市潼湖排水涵闸、东深供水工程太园泵站联合调度运行规定》，促使相关单位协调一致，充分利用各自现有工程设施，进行水质联合调度，有效减少污水上溯影响，有效保障供水工程优化运行实施。

2.4 系统能力测试及工程技术措施改进

2.4.1 系统能力研究与测试

自东改工程投产以来，为不断优化运行方案，公司组织先后进行了多项系统供水能力研究和试验，通过研究和试验，为优化运行提供科学依据。主要研究和试验项目见表4。

2.4.2 工程技术措施改进与实施

公司大胆创新，与广东省水利电力勘测设计研究院等专业机构合作，针对供水系统设施设备，先后进行以下工程项目的技改，有效保障系统优化运行实施，详见表5。

表4 测试项目目的与成果表Tab.4 The table of test project purpose and results

表5 技术改造成果表Tab.5 The table of technical transformation results

2.5 优化运行管理机制建立

2.5.1 精细化管理制度

(1)每天根据供水需求、设备设施运行状况、水质指标和三防要求等条件，由调度管理人员制定当天的优化运行方式，调度员严格按运行方式执行。

(2)调度管理人员通过对运行数据进行分析和总结，编制各种抽水量优化运行方案库，并定期对优化运行方案库进行完善，持续改进。

(3)每天调度管理人员对系统运行情况进行总结，每月对系统输水管线关键断面进行过流能力监测，每年年中安排一次对司马有压箱涵螺仔清理，每年年底安排一次系统停水检修，对整个系统输水管线进行全面检修，确保系统安全可靠优化运行。

2.5.2 运行方式24小时跟踪调整制度

调度管理人员24小时跟踪运行方式的执行，供水系统和外界条件发生异常或变化时，适时调整当天运行方式，并随时投入进行系统应急处置。

3 项目实施历程

3.1 第一阶段：2003-2005年

供水系统最小流量受沿线分水点取水高程限制，为保证用户取水，系统最小流量按40 m3/s运行；为保证工程投产初期安全运行，不断测试，最大流量由最初的90 m3/s逐步增加至设计流量100 m3/s运行。

3.2 第二阶段：2006-2008年

通过对竹尾田检修闸进行技术改造和利用生化站上游调蓄库容满足龙口泵站取水等措施，保证分水点用户取水，通过研究技改试运行，不断完善总结，系统最小流量减至20 m3/s运行，最大流量保持100 m3/s运行，系统流量调整分4段，机组启停各两次。供水工程全线采用最优运行方案运行。

3.3 第三阶段：2009-2013年

结合供水工程取水口水质变化和各梯级泵站机组运行稳定性需求，系统保持最小流量20 m3/s，最大流量100 m3/s，系统流量调整分2段，机组启停各一次，较多采用次优运行方案运行。

4 项目效益

项目在国内大型梯级调水工程中首次成功应用，经过2003年至2012年十年的研究和实践，项目确保了港、深、莞沿线供水安全和工程安全，同时节约电费共计3.035 亿元，具体节约电费见表6，年均节约电费3 035 万元。取得显著社会效益和经济效益。2011年公司授予优化运行方案研究项目团队奖。

表6 2003-2012年供水系统优化运行节约抽水电费统计汇总表Tab.6 Optimized operational saving electricity summary table for 2003-2012

注：①节约电费=(电网加权平均电价-实际运行平均电价)×电量。②2003-2009年电量采用东莞供电局电费通知单数据；2010-2012年为避免供电局抄表时间影响，电量采用校核电表公司抄表数据。③十年来，平均每年节约电费3 035 万元。

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参考文献：

[1] 徐叶琴.广东省东江-深圳供水工程[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002:1-2.

[2] 桑国庆，曹升乐，郭 瑞，等.基于分时电价的梯级泵站输水系统日优化运行[J].排灌机械工程学报，2013,8(31):688-695.

[3] 曹 鸣，姚青云.梯级泵站优化调度研究进展[J].宁夏农学院学报，2003,24(4)：101-106.

[4] 袁 尧，刘 超.基于蚁群算法的泵站运行优化及投影寻踪选优策略[J].农业机械学报，2013,44(3)：38-44.

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[6] 梁 兴，刘梅清，刘志勇，等.基于混合粒子群算法的梯级泵站优化调度[J].武汉大学学报：工学版，2013,46(4)：536-539.