【热点导读】：环境污染的绿色化 环境污染与人体健康论文 环境保护论文:如何保护全球环境
注水系统泵配置运行优化
文章
来源
自
3
e
du
教育
网
注水系统的运行能耗占油田生产总能耗的40%左右.对注水系统泵站的运行方案进行优化,降低系统能耗具有重要意义.现有研究方法多是在各注水站内泵的型号和数量给定的情况下,对泵的开停状态及其流量进行优化(称为开泵方案优化).针对给定泵时简单系统的开泵方案优化,广泛采用非线性规划、动态规划[1]等传统优化方法,该类方法对问题进行了简化处理,仅适合小型系统[2-3];针对给定泵时复杂注水系统的开泵方案优化,有结合约束变尺度法和简约梯度法的两级优化方法[4],而复杂多源供注水系统的优化目标函数求导困难,只能近似数值微分,且函数本身又存在多峰性,不同初始解得到的优化结果存在较大差别,同时分级优化很容易丢失较好的解[5].随着现代优化方法的发展,神经网络[6]、遗传算法[7-8]、蚁群算法[2,9]等在复杂系统开泵方案优化中得到了应用.需要指出的是,以上方法均没有考虑泵的配置问题,节约能耗有限.当新建或改、扩建系统时均要涉及泵的配置问题,文献[10]对单站内的泵配置提出了一些经验选择方法,但没有建立具体的优化模型,也无法适用于复杂多源注水系统.文中在多源注水系统泵站运行方案优化中同时考虑泵的配置,对注水站内运行注水泵的型号、数量及运行参数同时进行优化,并对遗传算法的编码方式及交叉、变异方法进行改进设计,使其能够适应问题的求解.
1建立优化数学模型
考虑配置的多源注水系统泵站运行方案优化问题,是在系统管网给定并满足各类约束条件的情况下,对系统中各注水站内运行注水泵的型号、数量及运行参数进行优化设计,达到降低系统能耗的目的.以系统中各站内输入功率之和f'最小为优化目标,其数学模型为式中:γ为单位换算系数;Ns为注水站的数量;Ni为第i个注水站内运行注水泵的数量;Hij,Qij,ηpij,ηmij分别为第i个注水站内第j台运行注水泵的扬程、流量、效率及该泵驱动电动机的效率;N为不区分泵的所属注水站时系统运行泵的总数量;Hk,Qk,ηpk,ηmk分别为在总数量中第k台注水泵的扬程、流量、效率及该泵驱动电动机的效率.根据泵的特性可知,泵的扬程和效率是其流量的函数.对于驱动注水泵的电动机效率,因电动机在负荷大于60%时,可以认为电动机效率基本不变[11],因此在优化过程中,对于某一台电动机其效率按常数处理.上述模型中,可直接体现出运行注水泵的数量和运行参数,而注水泵的型号没有直接表达出.通过分析可知,当流量一定时,不同型号的注水泵其扬程和效率也不同,因此扬程和效率的取值应根据流量由泵的型号确定.需要考虑的约束条件如下:1)管网水力平衡条件.系统运行时的节点压力与流量需满足相应的平衡方程,该约束条件自动得到满足.根据平衡方程求出的节点压力值是相对参考点压力的相对值,各节点统一增减某一压力值后仍满足该平衡方程.2)水量平衡约束.运行注水泵的总流量应等于系统中注水井的注水量之和,即式中:Nw为注水井总数量;uj为第j口注水井的注水量,m3/h.因系统总注水量为一定值,因此运行注水泵的总流量也应为一定值.3)注水井压力约束.注水井的节点压力应不小于其最小注入压力,即式中:pimin为第i口注水井的最小注入压力,MPa.4)泵流量约束.各运行注水泵的流量需在一定范围内取值,即5)单站运行泵数量约束.如果一个站内运行注水泵数量过多,将使该站的出口流量、供水半径大大增大,从而使管线流速、损耗和末端压降增大.这种运行方案一定不是最优解.为了提高算法的搜索效率,需对单站内泵的最大运行数量加以限制,即式中:poij,peij分别为第i个注水站内第j台泵的出口、入口压力(泵的扬程为出口压力头与入口压力头之差),MPa;λ为单位换算系数;Δpij为第i个注水站内第j台注水泵出口到该站出口汇管之间管线的沿程损失(不包括阀门的节流损失),MPa;pi为注水泵j所在注水站i的节点压力值,即该注水站的出口压力,MPa.7)泵型号约束.所选泵的型号应在给定泵型号集合中,该约束通过泵型号的确定方法来保证.优化过程中,在给定一组泵的流量后,利用管网水力平衡方程进行求解,并根据注水井压力约束进行压力值的修正,可得到一组刚好满足注水井压力约束的系统运行压力值,而此时的泵正常运行压力约束不一定都得到满足,因此,利用惩罚函数法将此约束条件进行转化,可得最终目标函数。
2双重编码遗传算法主要操作步骤
2.1双重编码设计该优化问题需同时对系统中各注水站内运行注水泵的型号、数量及运行参数进行优化设计.针对该特点,设计了双重编码方式:第1行采用实数编码直接表示泵的流量,第2行采用整数编码表示该泵所属注水站的编号,编码长度为运行泵的总数量.通过编码,各站内运行注水泵的数量和泵运行参数中的流量可以直接表示出,而泵的扬程、效率与流量之间的关系须符合泵的水力性能特性曲线.因此只要一旦确定泵的型号,则该流量下泵的扬程和效率也随之确定.为了提高算法的搜索效率,避免无用搜索,注水泵的型号根据流量确定,如果某流量值仅在某一种泵的流量约束范围内,则该泵的型号就随之确定;如果某流量值同属于某几种泵的流量约束范围(各种泵的流量约束范围可能部分重叠),则根据泵的特性曲线,选择能满足泵正常运
2.2初始解的产生产生初始解时,首先产生代表泵流量的实数编码,同时使其满足泵流量约束和水量平衡约束.具体方法为:随机选择一种泵,并在其流量约束范围内产生一个随机实数;循环操作,当产生的各泵流量之和与系统总注水量接近时,在各自流量约束范围内适当增减各泵流量值,使泵流量之和与总注水量相等.通过实数编码的生成方法说明,在该问题优化过程中,每个解对应的运行泵总台数可能不同,因此求解过程中解的编码为变长度编码,即不同解的编码长度可能不同.实数编码产生后生成第2行的整数编码,需同时满足单站运行泵数量约束.对应每个实数产生一个在[1,Ns]范围内的随机整数,表示该泵所属的注水站,同时判断该整数的出现次数是否大于该站最大运行注水泵数量,如果大于则重新产生另一个随机整数.根据流量及泵型号的确定方法,通过判断和计算确定每台泵对应的型号,并记录下来.
2.3交叉操作针对变长度双重编码,设计了与其相适应的交叉方法.为了增加种群的多样性,可随机选择以下方法中的一种:1)整体交换交叉.随机选择两个长度相等的双重编码,交换其对应的整数编码,这样操作实际上改变了各站内运行注水泵的型号、数量和流量,同时泵流量约束、水量平衡约束和单站运行泵数量约束自动得到满足.2)实数编码算术交叉.随机选择两个长度相等的双重编码,对实数编码采用算术交叉,交叉后水量平衡约束仍能得到满足,因出现不同型号泵流量之间的交叉,所以应重新确定各泵的型号.3)部分整数编码交叉.随机选择两个双重编码,采用单点或双点交叉方法,仅对整数编码实施交叉操作,为了保证交叉的整数编码长度相等,单点交叉时交换交叉点之前的整数编码,双点交叉时交换两个交叉点之间的整数编码,交叉后需对单站运行泵数量约束进行判断和处理,如果某站超过该约束,则将该整数编码替换为其他整数编码.4)相同型号泵流量交叉.随机选择两个双重编码,在两个实数编码中随机选择个数相等的同一型号泵对应的流量,直接交换或采用算术交叉,交叉后需重新对水量平衡约束进行处理.2.4变异操作随机选择一个双重编码和以下变异方法中的一种实施变异.1)改变泵的所属注水站.在整数编码中随机选择两个不同的整数,进行交换操作.2)改变运行注水站数量.在整数编码中随机选择一个整数,把其值变为其他已有的整数,同时需保证单站运行泵数量约束,这样操作即减少了一个运行注水站;或选择一个出现次数大于1的整数,把其中一个变为目前所有整数编码中没有出现的其他整数(如果在[1,Ns]范围内存在没有出现的整数才可实现),这样即增加了一个运行注水站.3)改变泵的流量.在实数编码中随机选择两个实数,在满足两个实数对应的泵流量约束基础上,一个实数增大或减小某一较小值,而另一个实数减小或增大该较小值,这样使水量平衡约束同时得到满足.
3优化实例
利用文中算法对大庆油田某采油厂的深度注水系统进行了试算.该注水系统有注水站7座,总注水量为2440m3/h,现状运行时系统输入总功率为14107kW.对系统中运行注水泵的型号、数量及运行参数进行优化,优化前后各站内运行注水泵数量相同,均为1台,其他运行状况对比见表1,表中Q为泵的流量,H为泵的扬程,ηp为泵效,P为注水站的输入功率.优化后系统输入总功率为13765kW,比现状降低了2.42%,依此计算每天可节电8208kW?h,优化效果明显.
4结论
为了适应系统新建或改、扩建的需要,在多源注水系统泵站运行方案优化中同时考虑了泵的配置问题,实现了对系统中各注水站内运行注水泵的型号、数量及运行参数的同时优化,最大限度地降低了系统能耗.针对优化问题的特点,对遗传算法的操作过程进行了改进,设计了与问题相适应的双重编码方式及多种交叉、变异方法,并通过操作过程的设计使部分约束条件得到满足,减少了优化过程中不可行解的产生,提高了算法的优化性能.该项研究内容虽然针对注水系统,但其理论同样适用供水系统.
