Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

Az előadások a következő témára: "Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja"— Előadás másolata:

1 Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja
Bene József Dr. Hős Csaba KLENEN 2012 – Klímaváltozás, energiatudatosság, energiahatékonyság Mátraháza, 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 Stentek modellezése kitöltés modellezése Peremfeltétel: A vizsgált érszakasz csatlakozó felületein előírt feltételek 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 Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

5 Ivóvízhálózat elemei Víznyerőhelyek (egyenletes kitermelés)
Szivattyúk (munkapont?) Medencék (tárolókapacitás) Fogyasztási elvételi helyek (előrejelzés) Villamos energia (tarifarendszer) Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

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 Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

7 1 szivattyú – 1 medence, hidraulikával (pl
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 Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

9 Hatásfokok n = 565, 795, 1025, 1255, /min H  Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

10 Kagylódiagram H  n = 565, 795, 1025, 1255, 1550 1/min  = 0.33
 = 0.32  = 0.30  = 0.24 Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

11 Fajlagosok n = 565, 795, 1025, 1255, /min H f Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

12 f = áll diagram H f n = 565, 795, 1025, 1255, 1550 1/min
f = 5,7105 J/m3 H f f = 3105 J/m3 f = 2105 J/m3 f = 1,6105 J/m3 Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

13 Hatásfok vs. Fajlagos energia felhasználás
 = 0.32 f = 300 J/dm3  = 0.33 H’ H’ f = 200 J/dm3  = 0.30 Cél: 10 dm3 Víz szállítása @ legjobb hatásfokú pont @ legkisebb fajl. pont Munka 2,5 kJ 2 kJ Töltési idő 3,84 s 6,06 s different pipe losses med. alapt. nagy computations for the ex. Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

14 Napi üzemvitel Medence ürítés Fenékszint „követése” Töltés
2 & 3.: optimális fajlagosú pontok sorozata nem magyarázott részeket kitakarni -> animálás, a végén összenergia-megtakarításról beszélni, NEOS-sal összehasonlítani, miért vesztettük el a teljes optimalitást Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

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

16 Megoldás dinamikus programozással
t 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 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 és medence, hidraulika nélkül (pl
8-10 szivattyú és medence, 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 és 11 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.) Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

25 Sebesség MODELLEZÉS: hidraulikai modell egyszerűsítése
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 Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

26 Végleges modell Kapcsolt szivattyú üzemvitel optimalizálás és hálózatszámítás

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

28 Összefoglalás Vízműhálózat üzemvitel optimalizálás dinamikus programozással

29 Összefoglalás Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja Méret
Hidraulikai számítás Gyakorlati példa Megoldó Eredmény Folyóiratcikk 1 medence- 1 szivattyú kapcsolt (Eger) „fizika” Optimalitás megérthető Bene J G, Hős Cs Finding Least‐Cost Pump Schedules for Reservoir Filling with a Variable Speed Pump JOURNAL OF WATER RESOURCES PLANNING AND MANAGEMENT-ASCE, elfogadva, doi: /(ASCE)WR 4-5 medence és szivattyú a priori Dunamenti Regionális vízművek dinamikus progra-mozás Globális optimum J.G. Bene, I. Selek Water Network Operational Optimization: Utilizing Symmetries in Combinatorial Problems by Dynamic Programming PERIODICA POLYTECHNICA CIVIL ENGINEERING, elfogadva 8-10 medence és szivattyú Sopron „Jó” eredmény Folyamatban: WATER RESOURCES AND RESEARCH 12 medence, 47 szivattyú Fővíz genetikus algoritmus Bene J G, Selek I, Hős Cs Neutral Search Technique for Short-Term Pump Schedule Optimization. JOURNAL OF WATER RESOURCES PLANNING AND MANAGEMENT-ASCE 136:(1) pp (2010) + folyamatban: APPLIED SOFT COMPUTING Stentek modellezése kitöltés modellezése Peremfeltétel: A vizsgált érszakasz csatlakozó felületein előírt feltételek Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja

30 Köszönöm szépen a figyelmet!
Kérdések? Észrevételek? Stentek modellezése kitöltés modellezése Peremfeltétel: A vizsgált érszakasz csatlakozó felületein előírt feltételek Vízműhálózatok szivattyú-üzemvitel optimalizációja