A new approach for optimum operation of multi-stage water pump stations

Öz

It is important to make improvements for the optimum operation of water pumping stations in order to reduce energy costs while meeting water demand continuously. In this article, a new algorithm (OSDPA-optimal simplified dynamic programming algorithm) has been developed by optimizing the previously developed SDPA (simplified dynamic programming algorithm) approach. The SDPA approach works best for simple systems with one pump and one tank. The OSDPA approach, on the other hand, can be used to optimize single-stage pumping systems, as well as an entire complex pumping system by dividing (cascading) multi-stage pumping systems into subsystems and optimizing them separately. A water supply system with a multi-stage structure for Sakarya Water and Sewerage Administration (SASKİ) in Turkey has been used as a case study. By dividing the water supply system in the study area into subsystems, taking into account water demands and electricity unit prices, the entire system was optimized with the OSDPA approach proposed in this study. The results show that the OSDPA approach can be quite successful in shifting the loads in the time period (peak) where the unit price is expensive to the time periods (night and day) where the unit price is cheaper. When compared with the conventional water level control (CWLC) approach, while SDPA saves about 18% for pump C in the second stage, about 22% for pump B, and about 19% for pump A in the first stage; OSDPA saved 39% for C pump, 41% for B pump and 24% for A pump.

Anahtar Kelimeler

• Multistage pumping stations
• optimum operation of pumping stations
• load shifting
• energy efficiency
• dynamic programming
• optimization algorithm

Çok aşamalı su terfi istasyonlarının enerji maliyeti yönünden optimum işletimi için yeni bir yaklaşım

Öz

Su terfi istasyonlarının enerji maliyeti yönünden optimum işletimi için yapılacak iyileştirmelerin, enerji maliyetlerini düşürürken su talebinin de sürekli olarak karşılanabilmesi önemlidir. Bu makalede, daha önceden geliştirilmiş olan SDPA (sadeleştirilmiş dinamik programlama algoritması) yaklaşımı optimize edilerek, daha geniş bir kullanım alanı sağlayacak olan yeni bir algoritma (OSDPA-optimal sadeleştirilmiş dinamik programlama algoritması) geliştirilmiştir. SDPA yaklaşımı, tek pompa ve tek depoya sahip olan basit sistemler için en iyi sonucu elde edebilir. OSDPA yaklaşımı ise tek aşamalı pompalama sistemlerini optimize etmenin yanı sıra çok aşamalı (kaskad) pompalama sistemlerini alt sistemlere bölüp, ayrı ayrı optimize ederek, karmaşık bir pompalama sisteminin tümünü optimize etmek için de kullanılabilir bir yöntemdir. Türkiye'deki Sakarya Su ve Kanalizasyon İdaresi (SASKİ) bünyesindeki çok aşamalı yapıya sahip bir su temin sistemi vaka çalışması olarak incelenmiştir. Çalışma alanındaki su temin sistemi alt sistemlere bölünerek, su talepleri ve elektrik birim fiyatları göz önünde bulundurularak, bu çalışmada önerilen OSDPA yaklaşımıyla tüm sistemin optimize edilmesi sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, OSDPA yaklaşımının birim fiyatın pahalı olduğu zaman dilimindeki (puant) yüklerin birim fiyatın daha ucuz olduğu zaman periyodlarına (gece ve gündüz) ötelenmesinde oldukça başarılı olabildiğini göstermiştir. Konvansiyonel su seviyesi kontrolü (CWLC-conventional water level control) yaklaşımı ile kıyaslandığında; SDPA, pompalama maliyetlerinde ikinci aşamadaki C pompası için yaklaşık %18, B pompası için yaklaşık %22, birinci aşamadaki A pompası için yaklaşık %19 oranında tasarruf sağlarken; OSDPA C pompası için %39, B pompası için %41, A pompası için %24 oranında tasarruf sağlamıştır.

Anahtar Kelimeler

• Çok aşamalı pompalama istasyonları
• terfi istasyonlarının optimum işletimi
• yük öteleme
• enerji verimliliği
• dinamik programlama
• optimizasyon algoritması

Destekleyen Kurum

Sakarya Su ve Kanalizasyon İdaresi (SASKİ), Natura Otomasyon ve Yazılım Sistemleri

Teşekkür

Çalışma alanı belirleme ve ilgili çalışma alanına ait bilgi edinme konusunda, yardımlarını esirgemeyen Sakarya Büyükşehir Belediyesi Su ve Kanalizasyon İdaresi (SASKİ) SCADA Şube Müdürü İsa Çomaklı ve SCADA Şube Müdürlüğü çalışanlarına teşekkür ederiz. Ayrıca, Natura Otomasyon ve Yazılım Şirketi’ne ait kaynakların bu çalışma için kullanılmasına ve çalışmanın maddi-manevi desteklenmesine olanak sağlayan, şirket müdürü T. Bahadır Taşkıran’a teşekkür ederiz.

Kaynakça

1. [1] Yang Z., Borsting H., Optimal scheduling and control of a multi-pump boosting system, IEEE International Conference on Control Applications, 24 (4), 2071–2076, 2010.
2. [2] Bunn S. M., Reynolds L., The energy-efficiency benefits of pump-scheduling optimization for potable water supplies, IBM J. Res. Dev., 53 (3), 5:1-5:13, 2009.
3. [3] Grundfos, Section 5.1 Life cycle costs equation, Pump Handbook, Grundfos Management A/S, 126-130, 2004.
4. [4] Takahashi S., Koibuchi H., Adachi S., Water Supply Operation and Scheduling System with Electric Power Demand Response Function, XVIII International Conference on Water Distribution Systems-WDSA2016, Cartage-Colombia ,327-332, 24-28 July, 2016.
5. [5] Shu S., Zhang D., Liu S., Zhao M., Yuan Y., Zhao H., Power Saving in Water Supply System with Pump Operation Optimization, 2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, Chengdu-China, 1-4, 28-31 March, 2010.
6. [6] Savic, D.A., Walters, G.A., Schwab, M., Multiobjective genetic algorithms for pump scheduling in water supply, Lecture Notes in Computer Science (Including Subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), 1305, 227-235, 1997.
7. [7] Zheng G., Huang Q., Energy Optimization Study of Rural Deep Well Two-Stage Water Supply Pumping Station, IEEE Trans. Control Syst. Technol., c. 24, sayı 4, 1308-1316, 2016.
8. [8] Zhang H., Xia X., Zhang J., Optimal sizing and operation of pumping systems to achieve energy efficiency and load shifting, Electr. Power Syst. Res., 86, 41–50, 2012.

9. [9] Zhuan X., Li W., Yang F., Optimal Operation Scheduling of a Pumping Station in East Route of South-to-north Water Diversion Project, The 8th International Conference on Applied Energy-ICAE2016, Beijing- China, 3031-3037, 8-10 October, 2016.
10. [10] Küçük H., Turan M., Yaralı K., Alsanabani H., İskefiyeli M., Su terfi istasyonlarının yük kaydırmalı işletimi için yeni bir algoritma, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 36(4), 2081-2093, 2021.
11. [11] Barry J. A., Technical And Managerial Approaches To Watergy, Cost-Effective Savings of Water and Energy, WATERGY, 6-17, 2007.
12. [12] Bagirov A. M., Barton A. F., Mala-Jetmarova H., Al Nuaimat A., Ahmed S. T., Sultanova N., Yearwood J., An algorithm for minimization of pumping costs in water distribution systems using a novel approach to pump scheduling, Math. Comput. Model., 57 (3-4), 873-886, 2013.
13. [13] Gong Y., Cheng J., Optimization of Cascade Pumping Stations’ Operations Based on Head Decomposition–Dynamic Programming Aggregation Method Considering Water Level Requirements, J. Water Resour. Plan. Manag., 144 (7), 04018034, 2018.
14. [14] Gong Y., Cheng J., Combinatorial Optimization Method for Operation of Pumping Station with Adjustable Blade and Variable Speed Based on Experimental Optimization of Subsystem, Adv. Mech. Eng., 2014, 1-7, 2014.
15. [15] Cheng H., Chen Y., Cheng J., Wang W., Gong Y., Wang L., Wang Y., Optimization of Pressurized Tree-Type Water Distribution Network Using the Improved Decomposition–Dynamic Programming Aggregation Algorithm, Water, 11 (7), 1391, 2019.
16. [16] Zhang Z., Lei X., Tian Y., Wang L., Wang H., Su K., Optimized Scheduling of Cascade Pumping Stations in Open-Channel Water Transfer Systems Based on Station Skipping, J. Water Resour. Plan. Manag., 145 (7), 05019011, 2019.
17. [17] Zhuan X., Zhang L., Guo J., Optimal operation scheduling of a pump station, 2011 Chinese Control and Decision Conference-CCDC, Mianyang-China, 3797-3802, 23-25 May, 2011.