مجله آب و فاضلاب

مجله آب و فاضلاب

انتخاب و آرایش بهینه سامانه‌های پمپ به‌عنوان توربین برای بازیابی انرژی هیدرولیکی در شبکه‌های توزیع آب با رویکرد بهینه‌سازی هوشمند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی کامپیوتر، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران
2 استاد، دانشکده علوم و فناوری‌های میان‌رشته‌ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران،
3 دانشیار، دانشکده علوم و فناوری‌های میان‌رشته‌ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران،
10.22093/wwj.2026.598459.3575
چکیده
مقدمه : بازیابی انرژی از هد مازاد در شبکه‌های توزیع آب شهری با استفاده از پمپ‌های توربینی (PAT) می‌تواند بخشی از انرژی تلف‌شده در ایستگاه‌های کاهش فشار را به برق تبدیل کند؛ با این‌حال، تغییرات دبی و هد، همراه با الزامات شاخص اثربخشی عملیاتی و ملاحظات اقتصادی، تعیین آرایش و شرایط کاری مناسب را به مسئله‌ای پیچیده تبدیل می‌کند.

مواد و روش‌ها : در این پژوهش، یک چارچوب بهینه‌سازی چندهدفه با دو هدف مستقل شامل بیشینه‌سازی ارزش خالص فعلی (NPV) و بیشینه‌سازی میانگین شاخص اثربخشی عملیاتی روزانه (μ_ave )برای طراحی سامانه PAT در یک ایستگاه کاهش فشار واقعی در شمال تهران ارائه شده است. شاخص قابلیت بازیابی انرژی (η_P) به‌صورت یک قید صریح حداقل عملکرد اعمال گردید. برخلاف رویکردهای پیوسته‌ی رایج، متغیرهای تصمیم به‌صورت گسسته و مبتنی بر یک کاتالوگ واقعی پمپ تعریف شدند تا انتخاب نهایی به محصولات تجاری موجود نزدیک باشد. جبهه‌ی پارتو دقیق با جست‌وجوی کامل در فضای گسسته استخراج و انتخاب جواب نهایی با روش TOPSIS انجام گرفت. برای ارزیابی پایداری تصمیم، تحلیل مونت‌کارلو با ۱۰,۰۰۰ تکرار و تغییرات ±۲۰٪ در وزن اهداف، و همچنین تحلیل حساسیت به تغییرات پروفایل تقاضا (±۱۰٪ و ±۲۰٪) صورت پذیرفت.

نتایج و بحث آرایش سری در تمامی سناریوها عملکرد انرژی و اقتصادی بهتری نسبت به آرایش تکی داشت. در نقطه‌ی طراحی مرجع، شاخص η_P برای ساختار سری ۰.۶۷۶ و برای ساختار تکی ۰.۵۹۵ (حدود ۱۳.۶٪ بهبود)، NPV ساختار سری ۹۶,۲۸۰ یورو در مقابل ۸۷,۸۱۴ یورو (حدود ۹.۶٪ بهبود) و انرژی روزانه ۱۸۹.۳ در مقابل ۱۶۶.۶ کیلووات‌ساعت (حدود ۱۳.۶٪ بهبود) حاصل شد. تحلیل حساسیت وزن اهداف نشان داد که ساختار سری مبادله‌ی واقعی میان NPV و شاخص اثربخشی عملیاتی دارد و یک جهش گسسته در wNPV≈0.1 رخ می‌دهد که بازتاب گذار از یک پیکربندی محافظه‌کار به یک پیکربندی اقتصادی است. تحلیل مونت‌کارلو نشان داد ساختار سری در برابر عدم‌قطعیت وزن اهداف پایداری کامل دارد در حالی که ساختار تکی به مقدار دقیق وزن حساس است. تحلیل حساسیت تقاضا نیز برتری ساختار سری را در همه‌ی سناریوها حفظ کرد. مزیت ساختار سری عمدتاً از توانایی آن در حفظ بازیابی انرژی در ساعات کم‌دبی ناشی می‌شود.

نتیجه گیری : تفکیک اهداف و اعمال قید صریح حداقل عملکرد انرژی در چارچوب بهینه‌سازی چندهدفه، ضمن شفاف‌سازی مبادله میان انرژی، اقتصاد و شاخص اثربخشی عملیاتی، امکان انتخاب آگاهانه‌ی پیکربندی بهینه را فراهم می‌کند. تقسیم هد میان دو PAT می‌تواند ظرفیت بازیابی انرژی و توجیه اقتصادی سامانه‌های کاهش فشار را بهبود دهد
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Optimal Selection and Arrangement of Pump as Turbine Systems for Hydraulic Energy Recovery in Water Distribution Networks Using an Intelligent Optimization Approach

نویسندگان English

Sama Mir Mahdian 1
mehdi FARTASH 1
mojtaba tahani 2
hadi Veisi 3
1 Department of Computer Engineering, Ar.C., Islamic Azad University, Arak, Iran
2 Professor, College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Faculty Member, Faculty of New Sciences and Technologies (FNST), University of Tehran, Tehran, Islamic Republic of Iran
چکیده English

Introduction: Energy recovery from excess head in urban water distribution networks using pump-as-turbines (PATs) can convert a portion of the wasted energy at pressure reduction stations into electricity; however, flow and head variations, along with operational effectiveness index requirements and economic considerations, make determining suitable configuration and operating conditions a complex problem.

Materials and Methods: In this research, a multi-objective optimization framework with two independent objectives maximizing net present value and maximizing the daily average operational effectiveness index was developed for PAT system design at a real pressure reduction station in northern Tehran. The energy recovery capability index (η_P) was applied as an explicit minimum performance constraint. Unlike conventional continuous approaches, decision variables were defined discretely based on a real pump catalog to ensure the final selection is close to commercially available products. The Pareto front was extracted through an exhaustive search in the discrete space, and the final solution was selected using the TOPSIS method. To assess decision stability, a Monte Carlo analysis with 10,000 iterations and ±20% variations in objective weights, as well as a sensitivity analysis to demand profile changes (±10% and ±20%), was performed.

Results and Discussion: The series configuration exhibited better energy and economic performance than the single configuration in all scenarios. At the reference design point, the η_P index was 0.676 for the series structure and 0.595 for the single structure (approximately 13.6% improvement), the NPV was €96,280 versus €87,814 (approximately 9.6% improvement), and the daily energy was 189.3 versus 166.6 kWh (approximately 13.6% improvement). Objective weight sensitivity analysis showed the series structure has a real trade-off between NPV and the operational effectiveness index, and a discrete jump occurs at wNPV≈0.1, reflecting the transition from a conservative configuration to an economic one. Monte Carlo analysis showed that the series structure has complete stability against objective weight uncertainty, while the single structure is sensitive to the exact weight value. Demand sensitivity analysis also maintained the series structure in all scenarios. The advantage of the series structure mainly stems from its ability to maintain energy recovery during low-flow hours.

Conclusion: Separating the objectives and applying an explicit minimum energy performance constraint within a multi-objective optimization framework, while clarifying the trade-off among energy, economics, and the operational effectiveness index, enables informed selection of the optimal configuration. Distributing the head between two PATs can improve the energy recovery capacity and economic justification of pressure reduction systems.

کلیدواژه‌ها English

: Pump as Turbine (PAT)
Multi objective Optimization
MaOAHA Algorithm
Series Arrangement of PATs
Operational Reliability

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 23 آبان 1405