بیشینه‌سازی کارایی هیدرولیکی شبکه توزیع آب شهر خمام با برنامه‌ریزی بهینه تعداد و سرعت پمپ‌ها

نوع مقاله : مطالعه موردی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

3 دکترای مدل‌سازی هیدرولیکی، شرکت مهندسی جاکوبز، تورنتو، اونتاریو، کانادا

چکیده

در دهه‌های اخیر، با توجه به محدودیت‌های منابع آب، پژوهش‌های زیادی در ارتباط با بهره‌برداری بهینه‌ از شبکه‌های توزیع آب انجام شده است. در این راستا، به‌کارگیری روش‌های مناسب برای کنترل و تنظیم عملکرد پمپ‌ها، شیرآلات، مخازن و تانک‌ها در این سیستم‌ها اهمیت زیادی دارد. در این پژوهش، هدف تنظیم بهینه تعداد و سرعت پمپ‌ها در ایستگاه‌های پمپاژ برای بیشینه‌سازی کارایی هیدرولیکی شبکه‌های توزیع آب است. برای این منظور، یک شاخص جدید مبتنی بر فرایند بهینه‌سازی سرعت پمپ‌ها برای تعیین تعداد پمپ‌های روشن ارائه شد که به‌عنوان نوآوری پژوهش به‌حساب می‌آید. همچنین برای ارزیابی عملکرد هیدرولیکی شبکه از شاخص قابلیت اطمینان فشار گره‌ای شبکه، برای تحلیل هیدرولیکی شبکه از نرم‌افزار EPANET و برای بهینه‌سازی از الگوریتم دسته ذرات‌ استاندارد اصلاح شده در محیط MATLAB استفاده شد. روش پیشنهادی در قالب چهار سناریو بر روی شبکه توزیع آب شهر خمام در استان گیلان پیاده شد. سناریوها شامل وضعیت موجود با پمپ‌های تک‌سرعته، تنظیم بهینه سرعت پمپ‌های دور متغیر، تعیین تعداد بهینه پمپ‌های روشن تک‌سرعته و تنظیم بهینه تعداد و سرعت پمپ‌های روشن دور متغیر است. مقایسه نتایج نشان داد که‌ سناریوهای تنظیم بهینه سرعت پمپ‌های دور متغیر و تنظیم بهینه تعداد و سرعت پمپ‌های روشن دور متغیر با اندکی اختلاف، بیشترین میزان قابلیت اطمینان و کمترین میزان نشت در شبکه را دارند به‌طوری که به‌ترتیب میزان قابلیت اطمینان شبکه را 20/66 و 06/66 درصد افزایش و میزان نشت شبکه را به‌ترتیب 53/23 و 48/23 درصد کاهش می‌دهند، این در حالی است که در سناریوی تنظیم بهینه تعداد و سرعت پمپ‌های روشن دور متغیر تعداد پمپ‌های روشن 16/13 درصد کمتر از سناریوی تنظیم بهینه سرعت پمپ‌های دور متغیر است. همچنین در سناریوی تعیین تعداد بهینه پمپ‌های روشن تک‌سرعته که تعداد پمپ‌های روشن آن کمتر از سناریوی پمپ‌های روشن تک‌سرعته است، میزان قابلیت اطمینان شبکه 35/21 درصد افزایش و میزان نشت 37/10 درصد کاهش یافته است که تأکیدی بر کارایی شاخص تعداد پمپ‌های روشن در بهبود عملکرد شبکه است. به‌طورکلی تعیین تعداد پمپ‌های روشن در ایستگاه‌های پمپاژ و تنظیم بهینه سرعت پمپ‌های دور متغیر در افزایش کارایی هیدرولیکی شبکه‌های توزیع آب تأثیر قابل‌توجهی دارد که می‌تواند در صرفه‌جویی در منابع آب و انرژی و افزایش عملکرد شبکه بسیار مؤثر باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Maximizing the Hydraulic Performance of Khomam Water Distribution Network with Optimal Planning of the Number and Speed of Pumps

نویسندگان [English]

  • Mehdi Dini 1
  • Mozhdeh Hemmati 2
  • Saeed Hashemi 3
1 Assist. Prof., Dept. of Civil Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 MSc Student, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
3 PhD. in Hydraulic Modelling Engineer, Jacobs Engineering Group, Toronto, Ontario, Canada
چکیده [English]

In recent decades, due to the limitations of water resources, much research has been done in relation to the optimal operation of water distribution networks. In this regard, the use of appropriate methods to control and set the performance of pumps, valves, reservoirs and tanks in these systems are of considerable importance. In this paper, the aim is to regulate the optimal number and speed of pumps in pumping stations to maximize the hydraulic performance of water distribution networks. For this purpose, a new index is presented based on the pump speed optimization process to determine the number of turn-on pumps. In addition, the Nodal Pressure Reliability Index (NPRI) is used to evaluate the hydraulic performance of the network. The hydraulic analysis of the network is performed using EPANET and the optimization process is performed using the Modified Standard Particle Swarm Optimization algorithm (MSPSO), both of which are done in MATLAB code. The proposed method has been implemented in the form of four scenarios on the Khomam water distribution network, Gilan province. Scenarios include current status with Single Speed Pumps (SSP), Best Setting of Rotational Speed Pumps (BSRSP), Best Number of Turn on Single Speed Pumps (BNTSSP) and Best Number and Speed of Turn on Rotational Speed Pumps (BNSTRSP). Comparison of the results shows that the BSRSP and BNSTRSP scenarios with the slightest difference have the highest reliability and the lowest leakage. So that they increase the reliability of the network by 66.10 and 66.06 percent, respectively, and reduce the leakage by 23.53 and 23.48 percent, respectively. However, in the BNSTRSP scenario, the number of turn-on pumps is 13.16 percent less than the BSRSP scenario. Also, in the BNTSSP scenario where the number of turn-on pumps is less than the SSP scenario, the reliability of the network increases 21.36 percent and the leakage rate decreases by 10.36 percent, which emphasizes the efficiency of the NTPI index in improving network performance. In general, determining the number of turn-on pumps in pumping stations and optimizing the speed of variable speed pumps has a significant effect on increasing the hydraulic performance of water distribution networks, which can be very effective in saving energy and water resources and increasing network performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • Single and Rotational Speed Pumps
  • Khomam Water Distribution Network
  • Number of Turn-on Pumps Index
  • Nodal Pressure Reliability
  • Leakage
Araujo, L., Ramos, H. & Coeho, S. 2006. Pressure control for leakage minimisation in water distribution systems management. Water Resources Management, 20, 133-149.
Babaei, N., Tabesh, M. & Nazif, S. 2015. Optimum reliable operation of water distribution networks by minimising energy cost and chlorine dosage. African Journals Online (AJOL), African Research, 41(1),
149-156.
 Coelhoa, B., Tavaresa, A. & Andrade-Camposa, A. 2012. Analysis of diverse optimisation algorithms for pump scheduling in water supply systems. 3rd International Conference on Engineering Optimization, July 1-5, Rio de Janeiro, Brazil.
Dai, P. 2017. Optimal pump scheduling to pressure management for large-scale water distribution systems. Recent Advances in Electrical Engineering and Related Sciences: Theory and Application, 465(5), 532-541.
De Marchis, M. & Freni, G. 2015. Pump as turbine implementation in a dynamic numerical model: cost analysis for energy recovery in water distribution network. Journal of Hydroinformatics, 17(3), 347-360.
Dini, M. 2019. Hybrid modified particle swarm optimization algorithm for adjustment of water distribution network coefficients. Journal of Water and Wastewater, 30(5), 44-60. (In Persian)
Dini, M. & Asadi, A. 2019. Pressure management of large-scale water distribution network using optimal location and valve setting. Water Resources Management, 33(14), 4701-4713.
Dini, M. & Asadi, A. 2020. Optimal operational scheduling of available partially closed valves for pressure management in water distribution networks. Water Resources Management, 34(8), 2571-2583.
Dini, M. & Tabesh, M. 2019. Optimal renovation planning of water distribution networks considering hydraulic and quality reliability indices. Urban Water Journal, 16(4), 249-258.
Eberhard, R. C. & Kennedy, J. 1995. A new optimizer using particle swarm theory. Proceedings of the 6th International Symposium on Micro Machine and Human Science, IEEE, Oct 4-6, Nagoya, Japan.
Güngör, M., Yarar U., Cantürk Ü. & Fırat M, 2019. Increasing performance of water distribution network by using pressure management and database integration. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 10(2), 1-8.
Gupta, A., Bokde, N., Kulat, K. & Yaseen, Z. M. 2020. Nodal matrix analysis for optimal pressure-reducing valve localization in a water distribution system. Energies, 13(8), 2-17.
Hashemi, S. S., Tabesh, M. & Ataeekia, B. 2013. Scheduling and operating costs in water distribution networks. Proceedings of the Institution of Civil Engineers Water Management, 166(8), 432-442.
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.
Hemmati, M., Dini, M. & Hashemi, S. S. 2021. Evaluation of the effect of size and number of pumps on the hydraulic efficiency of Khomam water distribution network. 19th Iranian Hydraulic Conference. Feb 16-18, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran. (In Persian)
Jafari, J. A. 2016. Optimal control pressure for leakage minimization in water distribution systems management using meta heuristic techniques. MSc Thesis, Civil Engineering Water Resources Management and Engineering. Yasouj University, Iran. (In Persian)
Mehzad, N., Asghari, K. & Chamani, M. 2020. Application of clustered-NA-ACO in three-objective optimization of water distribution networks. Urban Water Journal, 17(1), 1-13.
Mehzad, N., Tabesh, M., Ataeekia, B. & Hashemi, S. S. 2019. Optimum reliable operation of water distribution network considering pumping station and tank. Iranian Journal of Science and Technology, 43, 413-427. 
Mehzad, N., Tabesh, M., Hashemi, S. S. & Ataeekia, B. 2012. Reliability of water distribution networks due to pumps failure: comparison of VSP and SSP application. Drinking Water Engineering and Science, 5, 351-373.
Ormsbee, L. E. 1989. Implicit network calibration. Journal of Water Resources Planning and Management, 115(2), 243-257.
Page, P., Abu-Mahfouz, A. & Mothetha, M. 2017. Pressure management of water distribution systems via the remote real-time control of variable speed pumps. Journal of Water Resources Planning and Management, 143(8), 2143-2154.
Page, P., Zulu, S. & Mothetha, M. 2019. Remote real-time pressure control via a variable speed pump in a specific water distribution system. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 68(1), 20-28.
Tabesh, M. & Vaseti, M. M. 2006. Leakage reduction in water distribution network by minimizing the excess pressure. Iran-Water Resources Research, 2(2), 53-66. (In Persian)
Taebi, A. & Chamani, M. R. 2014. Water distribution network. Isfahan University of Technology, Publishing Center, Iran. (In Persian)