بهینه‌سازی مصرف انرژی در شبکه‌های توزیع آب با استفاده از پمپ‌های با دور متغیر

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی

2 دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

در سال‌های اخیر، با گسترش شهرسازی و بزرگتر و پیچیده‌تر شدن شبکه‌های آبرسانی، نیاز به مصرف انرژی جهت انجام فرآیند تأمین و توزیع آب افزایش پیدا کرده است. پمپاژ آب به انرژی زیادی احتیاج دارد که هزینه تأمین این انرژی بخش قابل‌توجهی از هزینه‌های دوران بهره‌برداری از شبکه را در بر می‌گیرد. در این تحقیق، بهره‌برداری هوشمند از این زیرساخت‌ها با استفاده از ابزارهای بهینه‌سازی و مدل‌های ریاضی مورد توجه قرار گرفته است تا با افزایش راندمان ایستگاه‌های پمپاژ در مناطق شهری و کاهش هزینه‌ها مفید واقع شود. هدف اصلی این تحقیق دست‌یابی به بهترین بازده مصرف انرژی در شبکه‌های توزیع آب (کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های آن) در حین تأمین دیگر اهداف بهره‌برداری (تأمین فشار گرهی و غیره) است. مدل هیدرولیکی شبکه، ایستگاه پمپاژ و تجهیزات کنترلی توسط حل‌گر هیدرولیکی EPANET شبیه‌سازی شده است. کوپل حل‌گر هیدرولیکی با الگوریتم تکامل تفاضلی‌ (DE) به عنوان الگوریتم جستجوی تصادفی برای تنظیم بهینه دور موتور پمپ‌های شبکه توزیع آب بکار گرفته شده است. تنظیم بهینه دور موتور پمپ‌ها موضوعی است که در تحقیقات پیشین با در نظر گرفتن سری تاریخی داده‌های مصرف آب، مورد تحقیق قرار نگرفته است. شبکه توزیع آب شهر حسن‌آباد تهران برای مطالعه موردی انتخاب و الگوی بهینه دور پمپ‌ها بصورت یک سیاست بهره‌برداری استخراج شده است. نتایج نشان می‌‌دهد که این رویکرد مصرف انرژی را نسبت به وضعیت موجود شبکه 42/47284 کیلووات-ساعت معادل 6/9 درصد کاهش می‌دهد. همچنین در ساعت اوج مصرف آب، رویکرد ارائه شده توانسته است میزان انرژی مصرفی را 4/19914 کیلووات-ساعت معادل %3/74 کاهش دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Aghajanpour, A. & Monsef, H. (2017). Energy consumption management in operation of pumping stations of water supply networks - a case study of rezvanshahr, guilan, First national confrence on water loss and consumption management, Shahid Beheshti University, Tehran. (in Persian)
Alamatian, E., Eslaminia, H. & Haddadsarai, B. (2017). Presenting the operation schedule of the pumping station in order to reduce the energy consumption of water supply networks (mashhad i1 case study), The 10th Symposium on Advances in Science and Technology (10thSASTech), Mashhad, Iran. (in Persian)
Angebini, S., Rouhani, M., Ghosami, A. & Sadeghi, S. (2018). Optimization of water pumping stations energy consumption in dargahan using genetic algorithm, 12th International Energy Confrence, National Energy Committee of the Islamic Republic of Iran and Secretariat of the International Energy Conference, Tehran. (in Persian)
Babu, B. & Angira, R. (2003). Optimization of water pumping system using differential evolution strategies, Proceedings of The Second International Conference on Computational Intelligence, Robotics, and Autonomous Systems, Singapore.
Baradaran, V. & Abdolvesal, C. (2018). Presenting a fuzzy linear programming model to improve electrical energy efficiency in drinking water supply facilities (case study: Sistan water supply project), Water and Wastewater, 29(1), 27-36.  (in Persian)
Brentan, B.M., Luvizotto, E., Montalvo, I., Izquierdo, J. & Pérez-García, R. (2017). Near real time pump optimization and pressure management. Procedia Engineering, 186, 666-675.
Bunn, S. (2008). Pump scheduling optimization in four us cities: Case studies,  Eighth Annual Water Distribution Systems Analysis Symposium (WDSA) Cincinnati, Ohio, United States.
Castro Gama, M., Pan, Q., Lanfranchi, E., Jonoski, A. & Solomatine, D. (2017). Pump scheduling for a large water distribution network. Milan, Italy, Procedia Engineering, 186, 436-443.
Coelho, B. & Andrade-Campos, A. (2014). Efficiency achievement in water supply systems—a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 59–84.
Dini, M., Hemmati, M. & Hashemi, S. (2022). Optimal operational scheduling of pumps to improve the performance of water distribution networks, Water Resources Management, 36(1), 417-432.
Dini, M., Hemmati, M. & Hashemi, S. (2022). Maximizing the hydraulic performance of khomam water distribution network with optimal planning of the number and speed of pumps, Journal of Water & Wastewater, 32(137), 36-47. (in Persian)
Europump and Hydraulic Institute of America. (2004). Variable Speed Pumping: A guide to successful application.
Fotuhi, M. & Tabesh, M. (2016). Optimization of energy costs considering hydraulic and quality reliability using ant colony algorithm. Ferdowsi Civil Engineering (Faculty of Engineering), 27(2), 111-126.  (in Persian)
Geem, Z.W. (2009). Harmony search optimisation to the pump-included water distribution network design. Civil Engineering and Environmental Systems - CIV ENG ENVIRON SYST, 26, 211-221.
Giacomello, C., Kapelan, Z. & Nicolini, M. (2013). Fast hybrid optimization method for effective pump scheduling, Journal of Water Resources Planning and Management, 139, 175-183.
Hashemi, S.S., Tabesh, M. & Ataeekia, B. (2014). Ant-colony optimization of pumping schedule to minimize the energy cost using variable-speed pumps in water distribution networks, Urban Water Journal, 11(5), 335-347.
Khatavkar, P. & Mays, L. (2019). Optimization-simulation model for real-time pump and valve operation of water distribution systems under critical conditions. Urban Water Journal, 16, 1-11.
Makaremi, Y., Haghighati, A. & Ranginkaman, M. (2013). Evaluation of different methods of simulating the operation schedule of pumps in water supply systems with the aim of optimizing energy consumption, 12th Iranian Hydraulic Conference, Karaj, Iran. (in Persian)
Mansouri, R. & Torabi, H. (2015). Application of differential evolution (de) algorithm for optimizing water distribution networks (case study: Ismail abad pressurized irrigation network), Water and soil knowledge (agricultural knowledge), 25(4/2), 81-95. (in Persian)
Paola, F., Fontana, N., Giugni, M., Marini, G. & Pugliese, F. (2017). Optimal solving of the pump scheduling problem by using a harmony search optimization algorithm, Journal of Hydroinformatics, 19(6), 879-889.
Pasha, F. & Lansey, K. (2011). Strategies for real time pump operation for water distribution systems., American Society of Civil Engineers, 12/21; 2015/11 2011, 1456-1469.
Patel, V.K. & Raja, B.D. (2021). Comparative Performance of Recent Advanced Optimization Algorithms for Minimum Energy Requirement Solutions in Water Pump Switching Network, Archives of Computational Methods in Engineering, 28, 1545-1559, https://doi.org/10. 1007/s11831-020-09429-x.
Pezeshk, S. & Helweg, O.J. (1996). Adaptive search optimization in reducing pump operating costs, Journal of Water Resources Planning and Management, 122(1), 57-63.
Rasoulzadeh Gharibdousti, S. & Bozorg Haddad, O. (2012). Development and application of nlp-ga hybrid algorithm in optimal design and operation of pumping stations, Soil and Water Research of Iran (Iran Agricultural Sciences), 43(2), 129-137. (in Persian)
Rossman, L. (2000). Epanet 2 users manual.
Salvino, L., Gomes, H. & de Tarso, S. (2022). Design of a Control System Using an Artificial Neural Network to Optimize the Energy Efficiency of Water Distribution Systems, Water Resources Management, 36(8), 2779–2793. https://doi.org/10. 1007/s11269-022-03175-4.
Sami Kashkouli, B., Bahrami, M. & Ansari Jaberi, M. (2016). Using bee algorithm in optimal operation of pumping stations of water supply systems, Journal of Soil and Water Conservation Research, 23(5), 175-189.  (in Persian)
Storn, R. & Price, K. (1997). Differential Evolution
– A Simple and Efficient Heuristic for global Optimization over Continuous Spaces. Journal of Global Optimization, 11, 341–359, https://doi.org/ 10.1023/A:1008202821328.
Todini, E. (2000). Looped water distribution networks design using a resilience index based heuristic approach, Urban Water, 2, 115-122.
Wu, P., Lai, Z., Wu, D. & Wang, L. (2015). Optimization research of parallel pump system for improving energy efficiency, Journal of Water Resources Planning and Management, 141(8), https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.000 0 493.
Wu, Z. (2007). A benchmark study for minimizing energy cost of constant and variable speed pump operation, World Environmental and Water Resources Congress 2007, Tampa, Florida, United States.
Yazdi, J. (2015). Development of decomposition-based multi-objective optimization algorithm using genetic algorithm operators to optimally design water distribution networks, Journal of Hydraulics, 10(3), 27-40.  (in Persian)
Zhu, G., Chiang, W. & Paredes, C. (2004). Dynamic simulation of pump station operation using a real-time control hydraulic model, Proceedings of the Water Environment Federation, 2004, 112-128.