Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

1. Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja Bene József Dr. Hős Csaba KLENEN 2012 – Klímaváltozás, energiatudatosság, energiahatékonyság Mátraháza, 2012. március 9.

2. Előadásom vázlata • Ivóvízhálózatok bemutatása, optimalitás fogalma • Különböző méretű problémák megoldása (kicsi nagy) • Egy szivattyú-egy medence • 4-5 szivattyú és medence • 8-10 szivattyú és medence • ~50 szivattyú • Összefoglalás Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

3. Problémafelvetés Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

4. Ivóvízhálózat Cél: fogyasztói igények maradéktalan kielégítése a lehető legkisebb villamos költség (energiafelhasználás) mellett Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

5. Ivóvízhálózat elemei • Víznyerőhelyek (egyenletes kitermelés) • Szivattyúk (munkapont?) • Medencék (tárolókapacitás) • Fogyasztási elvételi helyek (előrejelzés) • Villamos energia (tarifarendszer) Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

6. Optimalizálási feladat • Időben diszkrét (a túl gyakori szivattyú kapcsolások kedvezőtlenek) • Mellékfeltételekkel erősen terhelt, pl.: • Medence kapacitás határok • Kút kitermelés egyenletesség (kevés üá. változtatás) • Lekötött teljesítmények • Hálózati nyomások • Óriási keresési tér, kimerítő keresés lehetetlen (később részletesen) • Modellezési kérdések : • Ki/be kapcsolható és/vagy frekvenciaváltós szivattyúk (nemlineáris) • Diszkrét munkapontok vagy hálózatszámítás szükséges (nemlineáris) • Csúcs-völgy tarifarendszer vagy zsinórtarifa (költségopti = energiaopti) • Fogyasztások modellezése Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

7. 1 szivattyú – 1 medence,hidraulikával(pl.: Eger)Optimalitás megérthető Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

8. Gazdaságosság fogalma Cél: adott vízmennyiség betáplálása a hálózatba a lehető legkisebb energiaráfordítással. A szivattyú fordulatszáma változtatható. • Mérőszámok: • szivattyú hatásfok • szivattyú fajlagos energiafelhasználás Meghatározás méréssel Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

9. Hatásfokok n = 565, 795, 1025, 1255, 1550 1/min H Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

10. Kagylódiagram n = 565, 795, 1025, 1255, 1550 1/min H  = 0.33  = 0.32  = 0.30  = 0.24 Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

11. Fajlagosok n = 565, 795, 1025, 1255, 1550 1/min Hf Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

12. f = áll diagram n = 565, 795, 1025, 1255, 1550 1/min f = 5,7105 J/m3 Hf f = 3105 J/m3 f = 2105 J/m3 f = 1,6105 J/m3 Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

13. Hatásfok vs.Fajlagos energia felhasználás  = 0.32 f = 300 J/dm3  = 0.33 H’ H’ f = 200 J/dm3  = 0.30 Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

14. Napi üzemvitel Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja Medence ürítés Fenékszint „követése” Töltés 2 & 3.: optimális fajlagosú pontok sorozata

15. 4-5 szivattyú ésmedence,hidraulika nélkül(pl.: Duna Menti Regionális Vízművek)Globális optimum elérhető (?) Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

16. Megoldás dinamikus programozással t 0 1 k k+1 24  Vmax  medenceszint  Vmin • Bellmann-egyenlet: Vopt(x(k+1)) = minu(t) {V(x(k)) + a(u(k), k)} • Több medence esete! Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

17. Dinamikus programozás tulajdonságai • Előnyök: • A kimerítő kereséshez képest lényegesen kisebb keresési tér • Mellékfeltételek tovább csökkentik a csomópontok számát • Hátrányok: • Az állapottér diszkretizálása miatti információvesztés  globális optimum nem garantált • Még így is nagy a keresési tér • „Curse of dimensionality” • Jelen állapotban nem alkalmazható ipari problémánkra. Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

18. Ötlet: permutációs invariancia kihasználása (fix Q-k) {1 1 0} {1 0 1} {0 1 1} 2 bekapcsolás, 1 kikapcsolás t 0 1 2 3 medenceszint • Előny: • Automatikus és tökéletes diszkretizáció globális optimum • Ehhez a medencék diszkretizálását végtelen kis részekre kellene diszkretizálni. Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

19. Menetrend (CPU idő < 1s) Globális optimum! Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

20. 8-10 szivattyú ésmedence,hidraulika nélkül(pl.: Sopron)„Jó” megoldás determinisztikus módszerrel Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

21. Megoldás: közelítő dinamikus programozás • Előző módszer hátránya: nagyméretű hálózatokra még mindig túl nagy a keresési tér • Alap DP, de ne diszkretizáljuk az összes medencét! Hálózatfüggő megoldás • Csak 2 medence diszkretizált (A rácsot csak 2 medence határozza meg) állapottér mérete csak pl. 502 • Többi medencének csak ellenőrizzük a szintjét • Közelítő módszer • Medencepárosítás: intuíció vagy sok tesztfuttatás Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

22. Eredmények • Futási idő < 1 perc Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

23. 47 szivattyú és11 medence,hidraulikával(Budapest)„Jó” megoldás heurisztikus módszerrel Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

24. A budapesti hálózat • Az alapzónában (bal oldali kép) és a keletpesti zónában helyezkednek el a teljes energiafogyasztás 85%-át kitevő szivattyúk • Hidraulikai számítás szükséges • Az optimalizálás tárgya: • szivattyú menetrendek (47 db sziv.) • tolózár menetrendek (11 db tz.) • (medencék kizárása) (11 db tz.) Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

25. Sebesség • A hálózatszámítás kb. sok 100 vagy 1000 nemlineáris algebrai egyenlet megoldását igényli  • A hálózatszámítás drasztikusan lelassítja a futást (több százezer kiértékelés * 24 stacionárius hálózatszámítás) • Összehasonlításképpen: soproni hálózat esetén kb. 2 millió kiértékelés szükséges (a teljes keresési tér: 5*1074) • 1 mp / kiértékelés (24 stac. hálózatszámítás) esetén 23 nap MODELLEZÉS: hidraulikai modell egyszerűsítése HÁLÓZATSZÁMÍTÁS: hálózatszámító algoritmus gyorsítása OPTIMALIZÁLÁS: optimalizáló genetikus algoritmus hatékonyságának növelése ERŐFORRÁS: párhuzamosítás, jobb PC Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

26. Végleges modell Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

27. A megvalósult programról • C++ nyelven • Optimalizáló: Bene József, hálózatszámítás: Hős Csaba • 1020 kB programkód (> 1 000 000 karakter) • Kb 4 nagyságrendnyi gyorsítás a kezdethez képest • Megvalósítható üzemvitel kb. 2 óra alatt, teljes (?) optimalizálás 2 nap Kapcsoltszivattyúüzemviteloptimalizáláséshálózatszámítás

28. Összefoglalás Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

29. Összefoglalás Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

30. Köszönöm szépen a figyelmet! • Kérdések? • Észrevételek? bene@hds.bme.hu www.hds.bme.hu Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja