基于改进引力搜索算法的并联泵组能效优化策略研究

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并联泵组具有更宽的流量范围和更高的可靠性,被广泛应用于火力发电、城市供水、农田灌溉等重要行业。我国泵机组耗能占全国总耗电量的20%以上,提高泵组的运行能效对推进国家“双碳”战略目标的实现有着重要意义。并联泵组在设计时常因扩大产能、安全余量、需求波动等因素,使得泵组供给量比实际需求偏大,其能耗浪费主要在于泵组的运行工况与管路系统需求不匹配。因此,优化泵组运行工况使其匹配管路端的需求负荷,对提高泵组运行能效、避免能源浪费至关重要。为解决泵组供给与需求负荷匹配问题,采用基于智能算法的优化策略,不仅能够使泵组供给满足管路端需求负荷,还可给出泵组的最佳调节方案。开发高效的智能算法,研究并联泵组系统的优化策略,分析复杂调节方式在系统优化中的相关性,对降低泵组能耗、提高泵的运行可靠性有极大的意义。本文基于三种调节方式(变速驱动、节流调节和旁通调节),设计了三泵并联试验系统。通过试验获取了泵特性及系统阻力特性,制定了五种目标策略和三种转速分配策略,以改进引力搜索算法作为优化器,通过Python编程实现系统优化程序。对不同负载下的泵组系统进行优化,并量化分析了各种策略对系统优化的影响,得出最小化功耗是评价系统优化最可靠的目标策略,随机选择的转速分配策略具有较好的适用性和节能效果。论文主要内容包括以下几个方面:(1)系统介绍了离心泵及其并联泵组的调节原理,设计了具有三种调节方式的并联泵组试验台。通过试验测量了不同转速下各泵的运行工况点,并提出一种三次多项表达式对工况点进行拟合,得到各泵特性公式。(2)从引力搜索算法基本原理出发,总结了引力搜索算法的改进策略,并提出了一种改进引力搜索算法(Modified Gravitational Search Algorithm,MGSA)。其特点在于提出了一种吸引度来均衡质量和距离两个要素对粒子的作用,以及为保持种群多样性对其进行混合变异的操作。通过23个测试函数对MGSA和其他三种算法进行测试,采用多种评价指标对测试结果进行评估。结果表明,相比于其他三种算法,MGSA具有良好的全局寻优能力和较快的收敛速度,将其作为优化器去求解泵组优化问题具有重要的实际意义和应用价值。(3)对三泵并联系统以五种目标策略(最小化功耗、最大化效率、最小化比能量、最小化流量偏差和最小化扬程偏差)作为优化目标,以MGSA作为优化器,在5个给定负荷下对并联泵组进行工况优化。得出最小化功耗的目标策略最具可靠性,最大化效率和最小化比能量策略会产生较多的过余流量,对负荷敏感性较低。最小化流量偏差和最小化扬程偏差策略则表现出较多的旁通流量,其优化方案也表现出较大的差异化,不利于稳定的系统调节。(4)结合实际工程应用中常用的泵组分配方式,制定了三种转速分配策略(随机选择、相同转速、一定一动),以最小化功耗为目标函数,在7个负载下对并联泵组系统进行能量优化。得出随机选择的转速分配策略在所有负载下表现出最好的节能效果和较好的灵活性,不受泵特性之间的差异而影响优化性能,具有良好的行业推广价值。
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