بهره‌برداری چندهدفه از ایستگاه‌های پمپاژ متوالی در سامانه‌های انتقال آب (مطالعه موردی: سامانه‌ی خط انتقال آب از سد درودزن به شهر شیراز)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه سیستان و بلوچستان

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران.

3 دانشیار گروه عمران، دانشکده فنی، دانشگاه سیستان و بلوچستان

4 استادیار گروه مهندسی معماری، دانشکده هنر و معماری، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

امروزه با افزایش هزینه‌های انرژی، بررسی فرآیندهای پر مصرف انرژی در جهت بهینه‌سازی آنها بیش از هر زمان دیگر مورد توجه قرار گرفته است. بهره‌برداری از ایستگاه‌های پمپاژ متوالی در سامانه‌های انتقال آب، که از جمله زیر ساخت‌های اصلی شهری محسوب می شوند، هزینه‌ی زیادی جهت تأمین انرژی و نیز تعمیر و نگهداری به بهره برداران تحمیل می نماید. لذا توسعه روش‌های بهره‌برداری بهینه از این ایستگاه‌ها در راستای کاهش هزینه‌های مصرف انرژی و جلوگیری از استهلاک پمپ‌ها امری ضروری است. در این مطالعه، مسئله بهره‌برداری از ایستگاه‌های پمپاژ با توابع هدف کمینه کردن هزینه‌های انرژی و تعمیر و نگهداری به‌صورت یک مسئله بهینه‌سازی چندهدفه مورد توجه قرار گرفت. بدین منظور، یک مدل شبیه‌سازی- بهینه‌سازی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک چندهدفه با مرتب‌سازی نامغلوب (NSGA-II) در ارتباط با مدل هیدرولیکی EPANET توسعه داده شد و سپس برای تعیین برنامه بهره‌برداری روزانه از ایستگاه‌های پمپاژ متوالی سامانه‌ی انتقال آب از سد درودزن به شهر شیراز استفاده گردید. نتایج نشان داد ضمن رعایت قیود مسئله، هزینه‌ی انرژی مصرفی در حالت بهره‌برداری بهینه چندهدفه علاوه بر کاهش اثرات استهلاک پمپ‌ها ناشی از سوئیچ های تک ساعته، حدود 30 درصد نسبت به بهره‌برداری عادی و 5 درصد نسبت به بهره‌برداری تک هدفه با الگوریتم‌های ژنتیک (GA) و جامعه زنبورهای عسل مصنوعی (ABC) داشته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Multi-purpose optimal operation of serial pump stations in water conveyance systems (Case study: Shiraz water conveyance system from Doroudzan Dam)

نویسندگان [English]

  • Jafar Jafari-asl 1
  • Gholamreza Azizyan 2
  • Seyed Arman Hashemi Monfared 3
  • mohsen rashki 4
1 department of civil engineering, university of sistan and baluchestan
2 Associate Professor of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
3 University of Sistan and Baluchestan
4 Assistant Professor of Civil Engineering, Department of Architecture Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده [English]

Nowadays, with increasing energy consumption costs, the optimization of energy efficient processes is being more considered than before. The essential part of the operational cost of water conveyance systems is energy consumption and maintenance costs of pumping stations. Therefore, it is necessary to develop an efficient method for optimal operation of these stations in order to reduce energy consumption and pumps maintenance costs. In this study, the optimal operation of pumping stations is considered as a multi-purpose optimization problem with the objective functions: 1- energy costs 2- maintenance costs. In order to resolve this problem, an optimization— simulation model based on Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) is coupled to the EPANET hydraulic simulation model. The proposed model is applied to find the optimal pump scheduling program of Shiraz water conveyance system from Doroudzan Dam. Results revealed that by considering all different limitations of the problem, the energy costs were 30% and 5% less than the current state of operation and previous studies respectively. Also, the proposed model can decrease the cost of pumps maintenance by controlling the number of pump switches.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pump scheduling program
  • water conveyance systems
  • Multi-Objective Optimization
  • Energy costs
  • Droudzan dam
 اکبری، م. بنازاده، ا. 1396. برنامه ریزی بهینۀ زمان بندی پمپاژ به مخازن شبکه های توزیع آب با کنترل هزینۀ استهلاک پمپ ها، نشریه علمی پژوهشی مهندسی و مدیریت انرژی، سال هفتم، شماره4، صفحات 42 تا 51.
رجب‌پور، ر. بیدختی، ط. رخشنده‌رو، غ. 1394. ارائه یک الگوریتم جدید G-JPSO و توسعه آن در کنترل پمپ‌ها در شبکه توزیع آب، مجله مهندسی آب و فاضلاب، شماره 6، صفحات 1 تا 14.
سامی کشکولی، ب. بهرامی، م. 1395. بهره‌برداری بهینه از ایستگاه‌های پمپاژ سیستم‌های تامین آب با استفاده از الگوریتم جامعه زنبورهای عسل مصنوعی (ABC)، نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک گرگان، جلد 23، شماره 5، صفحات 175 تا 189.
سامی کشکولی، ب. بهرامی، م. 1395. بهره‌برداری بهینه از سامانه‌ی آبکشی متوالی سامانه‌ی انتقال آب شیراز با استفاده از الگوریتم ژنتیک، مجله مهندسی منابع آب، سال دهم، شماره 1، صفحات 1 تا 12.
Barán, B., Von Lücken, C. and Sotelo, A., 2005. Multi-objective pump scheduling optimisation using evolutionary strategies. Advances in Engineering Software, 36(1), pp.39- 47.doi.org/10.1016/j.advengsoft.2004.03.012.
Bonvin, G., Demassey, S. and Lodi, A., 2019. Pump scheduling in drinking water distribution networks with an LP/NLP-based branch and bound.
Boulos, P.F., Wu, Z., Orr, C.H., Moore, M., Hsiung, P. and Thomas, D., 2001. Optimal pump operation of water distribution systems using genetic algorithms. In Distribution system symposium.
 Castro-Gama, M., Pan, Q., Lanfranchi, E.A., Jonoski, A. and Solomatine, D.P., 2017. Pump scheduling for a large water distribution network. Milan, Italy. Procedia Engineering, 186, pp.436-443. doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.249.
Chase, D.V. and Ormsbee, L.E., 1993. Computer‐Generated Pumping Schedules for Satisfying Operational Objectives. Journal‐American Water Works Association, 85(7), pp.54-61. doi.org/10.1002/j.1551-8833.1993.tb06024.x.
Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S. and Meyarivan, T.A.M.T., 2002. A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE transactions on evolutionary computation, 6(2), pp.182-197.
Fatemi, S.A., Kuh, A. and Gupta, V., 2016. Energy efficient scheduling algorithms for pumping water in radial networks. In 2016 Information Theory and Applications Workshop (ITA) (pp. 1-6). IEEE.
Goldman, F.E. and Mays, L.W., 1999. The application of simulated annealing to the optimal operation of water systems. In WRPMD'99: Preparing for the 21st Century (pp. 1-16).
Kurek, W. and Ostfeld, A., 2013. Multi-Objective Water Distribution Systems Control of Pumping Cost, Water Quality, and Storage-Reliability Constraints. Journal of Environmental Management, 115, pp.189-197. doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.11.030.
Lansey, K.E. and Awumah, K., 1994. Optimal pump operations considering pump switches. Journal of Water Resources Planning and Management, 120(1), pp.17-35. doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(1994)120:1(17).
López-Ibáñez, M., Prasad, T.D. and Paechter, B., 2008. Ant colony optimization for optimal control of pumps in water distribution networks. Journal of water resources planning and management, 134(4), pp.337-346.
Mackle, G., Savic, G.A. and Walters, G.A., 1995, September. Application of genetic algorithms to pump scheduling for water supply. In First international conference on genetic algorithms in engineering systems: innovations and applications (pp. 400-405). IET.
Menke, R., Abraham, E., Parpas, P. and Stoianov, I., 2016. Demonstrating demand response from water distribution system through pump scheduling. Applied Energy, 170, pp.377-387.
Rodin, S.I. 1998. Use of genetic algorithm for optimal control of bulk water supply. [Online]. http://stullia.t-k.ru/waterpump/ waterpump.htm. [May 5, 2001].
Rodin, S.I., and M. Moradi-Jalal. 2002 Use of genetic algorithm in optimization of irrigation pumping stations. WAPIRRA program. [Online]. http://stullia.tk. ru/waterpump/waterpump.htm. [June 10, 2002].
 Savic, D.A., Walters, G.A. and Schwab, M., 1997, April. Multiobjective genetic algorithms for pump scheduling in water supply. In AISB international workshop on evolutionary computing (pp. 227-235). Springer, Berlin, Heidelberg. doi.org/10.1007/BFb0027177.
Van Zyl, J.E., Savic, D.A. and Walters, G.A., 2004. Operational optimization of water distribution systems using a hybrid genetic algorithm. Journal of water resources planning and management, 130(2), pp.160-170.