کاربرد روش‌های مدل‌سازی هوش مصنوعی و تحلیل‌های اقتصادی انرژی برای ارزیابی و بهینه‌سازی سامانه‌های پمپاژ آب شرب

قولی, عبدالرزاق; ظهیری, عبدالرضا; پیری, جمشید

کاربرد روش‌های مدل‌سازی هوش مصنوعی و تحلیل‌های اقتصادی انرژی برای ارزیابی و بهینه‌سازی سامانه‌های پمپاژ آب شرب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

عبدالرزاق قولی ¹

عبدالرضا ظهیری ²

جمشید پیری ³

¹ گروه آموزشی مهندسی آب، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

² عضو هیئت علمی گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

³ گروه آموزشی مهندسی آب، دانشگاه زابل، ایران

چکیده

با توجه به رشد روزافزون جمعیت و نیز تشدید پدیده تغییر اقلیم و افزایش خشک‌سالی‌ها در مناطق خشک دنیا، تلاش برای افزایش راندمان سامانه‌های آبی می‌تواند راهکاری مناسب برای کاهش مصرف آب و انرژی باشد. در این تحقیق، ابتدا به کمک شبکه‌های عصبی مصنوعی، رفتار (دور پمپ) سامانه پمپاژ آب شرب بندر ترکمن واقع در استان گلستان در طی یک دوره زمانی 4ساله (1401-1398) و بر اساس مشخصات ساده این سامانه (شامل تراز سطح ایستابی در چاه، دبی ماهانه پمپاژ و عمق نصب پمپ) مدل‌سازی شد. نتایج نشان داد که مقادیر محاسباتی دور پمپ در تمامی محدوده تغییرات این متغیر دارای دقت مناسبی است، اگرچه با افزایش دور پمپ، کارایی و دقت مدل‌سازی شبکه عصبی تا حدودی کاهش می‌یابد. تحلیل اقتصادی سامانه‌های پمپاژ مورد مطالعه نشان داد که میانگین راندمان کلی پمپ‌ها حدود 10 درصد می‌باشد که بسیار پایین‌تر از استاندارهای صنعتی (70 درصد) بوده و نشان‌دهنده وجود مشکلات جدی در عملکرد سامانه‌های پمپاژ مورد مطالعه در این تحقیق است. همچنین مشخص شد که مصرف انرژی این سامانه‌ها را می‌توان تا حدود زیادی کاهش داد. میانگین صرفه‌جویی مصرف ماهانه انرژی در این سامانه معادل 44 درصد هزینه مصرف سالانه می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

ارزیابی اقتصادی

بهینه سازی

سامانه پمپاژ

مدلهای یادگیری ماشین

مصرف انرژی

عنوان مقاله English

Application of artificial intelligence modeling and energy economic analyses to evaluate and optimize drinking water pumping systems

نویسندگان English

Abdolrazagh Ghooli ¹

Abdolreza Zahiri ²

Jamshid Piri ³

¹ Water Engineering Dep., Faculty of Water and Soil Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran

² Department of Water Science and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.

³ Water Engineering Dep., University of Zabol, Iran

چکیده English

Given the increasing population growth, as well as the intensification of the effects of climate change, and the increase in droughts in arid regions of the world, finding efficiency enhancement initiatives for water systems are considered to be the key solution in reducing the water and energy utilization. In this study, first, with the help of artificial neural networks, the behavior (pump spped) of the drinking water pumping system of Bandar Turkman located in Golestan Province was modeled over a 4-year period (1401-1398) and based on simple characteristics of this system (including the water level in the well, monthly pumping flow rate, and pump installation depth). The results showed that the calculated values of the pump speed have appropriate accuracy over the entire range of changes of this variable, although with increasing pump speed, the efficiency and accuracy of modeling decreases somewhat. Economic analysis of the pumping systems under consideration showed that the mean overall efficiency of the pumps was about 10 percent, which is much lower than industry standards (70 percent) and indicates the existence of serious challenges in the performance of the pumping systems studied in this research. It was also found that the energy consumption of these systems can be reduced to a large extent. The average monthly potential energy consumption savings in this system is equivalent to 44% of the annual consumption cost.

کلیدواژه‌ها English

Economic analysis

Optimization

Pumping systems

Machine learning models

Energy consumption

زارع‌زاده، م.، و خوارزمی، س. 1392. تأثیر اجباری‌شدن استانداردهای تعیین معیار مصرف انرژی در کاهش مصرف سوخت و انرژی در صنایع و کارخانجات استان هرمزگان. فصلنامه پژوهشهای سیاستگذاری و برنامهریزی انرژی، دوره 0، شماره 2، ص. ۴۵-۵۸.

ذولفقاری، پ.، ذاکرینیا، م.، و کاظمی، ح. 1398. امکان‌سنجی استفاده از آب‌های نامتعارف (پساب شهری) در کشاورزی با استفاده از فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP). نشریه آبیاری و زهکشی، دوره 13، شماره 6 - شماره پیاپی 78، ص. 1857-1844.

مظاهری، ا.، و عابدی کوپایی، ج. 1396. کاهش تبخیر از مخازن ذخیره آب با استفاده از پوشش های شناور در اصفهان. نشریه تحقیقات آب و خاک، دوره 49، شماره 3، ص. 605-597.

وزارت نیرو، 1401. گزارش نهایی تدوین برنامه عملیاتی سازگاری با کمآبی استان گلستان، شرکت آب منطقهای گلستان.

Assouline, S. and Narkis, K. 2021. Reducing evaporation from water reservoirs using floating lattice structures. Water Resources Research. 57(6): https://doi.org/10.1029/2021WR029670.

Blischke, W.R. and Murthy, D.P. 2011. Reliability: modeling, prediction, and optimization. John Wiley & Sons.

Bui, T.T., Nguyen, D.C., Han, M., Kim, M., and Park, H. 2021. Rainwater as a source of drinking water: A resource recovery case study from Vietnam. The Journal of Water Process Engineerin. 39: https://doi.org/10.1016/j.jwpe. 2020.101740.

Dhakal, N., Salinas-Rodriguez, S.G., Hamdani, J., Abushaban, A., Sawalha, H., Schippers, J.C. and Kennedy, M.D. 2022. Is Desalination a Solution to Freshwater Scarcity in Developing Countries? Membranes. 12(4): 381, DOI:10.3390/membranes12040381.

Ertöz, A.Ö. 2003. Energy efficiency in pumps. 6^th National Installations Engineering and Congress, Istanbul, Turkey.

Ghahramani Jajin, R., Feizi, A. and Ghorbanpour, M. 2021. Reduction of water evaporation from dam reservoirs using hydrophobic silver-doped titanium dioxide nanoparticles coating. Water Resources Research. 57(5): https://doi.org/10.1029/2020WR029231.

Hieninger, T., Goppelt, F., Schmidt-Vollus, R. and Schlücker, E. 2021. Energy-saving potential for centrifugal pump storage operation using optimized control schemes. Energy Efficiency. 14(23): https://doi.org/10.1007/s12053-021-09932-5.

Hofman-Caris, R., Bertelkamp, C., de Waal, L., van den Brand, T., Hofman, J., van der Aa, R. and van der Hoek, J.P. 2019. Rainwater Harvesting for Drinking Water Production: A Sustainable and Cost-Effective Solution in the Netherlands? Water. 11(3): 511. https://doi.org/10.3390/w11030511.

Kalaiselvan, A.S.V., Subramaniam, U., Shanmugam, P. and Hanigovszki, N. 2016. A comprehensive review on energy efficiency enhancement initiatives in centrifugal pumping system. Applied Energy. 181: 495-513, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.08.070.

Karassik, I.J., Messina, J.P., Cooper, P. and Heald, C.C. 2001. Pump Handbook. Third Edition, McGraw-Hill, USA.

Karimidastenaei, Z., Avellán, T., Sadegh, M., Kløve, B. and Torabi Haghighi, A. 2022. Unconventional water resources: Global opportunities and challenges. Science of the Total Environment. 827: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154429.

Kaya, D. 2003. Experimental study on regaining the tangential velocity energy of axial flow pump. Energy Conversion and Management. 44(11), 1817-1829, https://doi.org/10.1016/S0196-8904(02)00187-5.

Kaya, D.E., Yagmur, A., Yigit, K.S., Kilic, F.C., Eren, A.S. and Celik, C. 2008. Energy efficiency in pumps. Energy Conversion and Management. 49(6): 1662-1673, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2007.11.010.

Mazaheri, E. and Abdei Koupai, J. 2017. Reduction of Evaporation from Water Reservoirs Using Floating Covers in Isfahan. Iranian Journal of Water and Soil Research. 49(3): 597-605. 10.22059/IJSWR.2017.233481.667681.

Ministry of Energy. 2022. Final report on the development of an operational plan for adapting to water scarcity in Golestan Province. Golestan Water Regional Company.

Piri, J., Pirzadeh, B., Keshtegar, B. and Givehchi, M. 2021. Reliability analysis of pumping station for sewage network using hybrid neural networks-genetic algorithm and method of moment. Process Safety and Environmental Protection. 145: 39-51.

Quon, H. and Jiang, S. 2023. Decision making for implementing non-traditional water sources: a review of challenges and potential solutions. Npj Clean Water 6: 56. https://doi.org/10.1038/s41545-023-00273-7.

Salimi, S., Mawlana, M. and Hammad, A. 2018. Performance analysis of simulation-based optimization of construction projects using high performance computing. Automation in Construction. 87: 158-172.

Saraç, H.İ., Güven, R., Sözbir, N. and Yiğit, K.S. 1995. New method for simulation of centrifugal pump plants. Modeling, Measurement and Control. 47(3): 1-8.

Sarbu, L. and Valea, E.S. 2015. Energy savings potential for pumping water in district heating stations. Sustainability, 7(5), 5705-5719; https://doi.org/10.3390/su7055705.

Shalaby, M.M., Nassar, I, N., and Abdallah, A.M. 2021. Evaporation suppression from open water surface using various floating covers with consideration of water ecology. Journal of Hydrology. 598: 126482. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126482.

Tran, S.H., Dang, H.T., Dao, D.A., Nguyen, V.A., Nguyen, L.T., V.A. Nguyen. and Han, M. 2021. On-site rainwater harvesting and treatment for drinking water supply: assessment of cost and technical issues. Environmental Science and Pollution Research. 28: 11928–11941. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07977-0.

Yigit, K.S., Arik, M. and Bar-Cohen, A. 2001. New CHF Enhancement Techniques: Passive Impeller Micropump and Gravity Driven Fluid Flow. Edizioni ETS. 1: 259-264.

Zarzadeh, M. and Kharazmi, S. 2013. Influence of compulsion specific energy consumption standards in decreasing the rate of consumption fuel and energy in Hormozgan industries and factories. Energy Policy and Planning Research. (2): 45-58.

Zolfaghary, P., Zakerinia, M. and Kazemi, H. 2019. Feasibility of unconventional water (municipal wastewater) consumption in agriculture using Analytical Hierarchy Process (AHP). Iranian Jourbal of Irrigation and Drainage. 13(6): Serial Number. 78: 1844-1857. 20.1001.1.20087942.1398.13.6.26.2.