乌鲁木齐供水中的压力管理应用

童成彪

乌鲁木齐城市供水的主管道以重力输水为主，由于乌鲁木齐高程差较大，管道压力较高，夜间可以达到12 bar^[1]。为消减多余的重力水头，从2006年起10年多的时间，乌鲁木齐水业集团分批次采购了大量套筒式减压阀，将每一级的出口压力设定在1.2～3.5 bar，有效地保证了供水安全。随着信息技术的应用，乌鲁木齐水业集团也选择了若干压力监控点，建立起了管网压力监控系统，能实时监控到主要网点的供水压力。

供水管网漏失率与管网服务压力密切相关，服务压力越高则漏失水量越大。由于大多数供水系统是以用水高峰时最不利点满足最小服务水头进行设计的，采用这种设计思想会导致在用水低峰时段管网产生过高的富余压力。绝大多数供水系统在夜间或凌晨由于管网水压过高发生爆管就充分说明以上设计方法的缺陷。总之，在绝大部分时段管网运行压力要高于最低需求值，且根据变化面积出流理论，漏失随着压力的升高而增加，显而易见，通过降低管网富余压力可以达到有效控制漏失的目的。周建华等对管网压力与漏水量的关系进行了理论分析，并通过漏失实验研究，分别得到了管道上的裂口或孔洞漏失和管道接口处的漏失与压力的指数关系，指出指数取值应在0.5～1.5。

20世纪80年代，Goodwin等学者发现给水管网供水压力与漏失量之间存在着正相关性，如果在保证用户用水需求的基础上，降低管网的服务压力，则可以降低漏失水量。由此引出了管网压力控制管网漏失的模型。Burn等分析减压阀优化控制技术对供水系统运行费用的影响，认为应用该技术可使运行费用降低20%～55% 。 Marunga等将压力控制方法应用到津巴布韦的管网中，结果显示管网水压由77 m降至50 m 能使总漏失量减少25%。

随着企业管理提质增效的需要，乌鲁木齐水业集团开始从事压力管理示范相关的工作，在北京路北延段选择一个点进行压力管理示范。该点主供水管道为DN700，旁路上安装有一台DN400的套筒式减压阀，负责供水至阳光恒昌万象天地、苗囤材，用水人数约为10000人。在控制器的选择方面，选择了中阀科技（长沙）阀门有限公司生产的CPRV-Ⅰ型控制器，该产品是依托国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题“供水管网漏损监控设备研制及产业化”研制出来的，与套筒式减压阀安装连接方便，可以在线安装和调试，不需要停水。通过安装控制器、执行器及软硬件，组建了智能压力管理系统（图12-1） 。

图12-1　智能压力管理系统模型

经过2天的安装调试，智能压力管理系统于2016年10月13日正式上线了，示范现场情况见图12-2（a）。该系统能实现压力、流量的远程监控，提取压力的监控数据见图12-2（b）。

图12-2　示范现场

图12-3　系统监控的压力数据

从图12-3可以看出，每天都会重复出现一个压力高峰，阀前峰值压力达到12 bar，但经过智能压力系统管理后，阀后压力能调控到一个很稳定的水平，由于没有峰值压力和压力波动的出现，能有效保证管网安全。

压力管理的控制算法有两种模型，一种是基于时间的压力控制方法，就是在供水低峰期自动调低供水压力；另一种是基于流量的压力模型，根据流量的变化自动调节供水压力，以保证最不利点的压力满足需求。本次示范采用基于时间的压力管理模型，自动在夜间调低供水压力。图12-4表示了将阀后压力从4.2 bar调到3.0 bar的过程。

图12-4　调压过程

图12-5和图12-6说明了安装智能压力管理系统前后的压力波动对比。从数据可以看出，智能压力管理系统将压力波动调控在非常好的水平。(www.xing528.com)

采用DCT1288i超声波流量计测量过阀流量，远程自动上传到服务器平台，结合前述结果及服务器上的数据，可得到以下结论：

图12-5　压力管理系统阀后波动

图12-6　未安装压力管理系统阀后波动

（1）采用智能压力管理系统有效地减少了管网的压力波动，由±10 m减少到±3 m，降低了70%；

（2）安装智能压力管理系统前，夜间的流量为380～463 m3/h，安装智能压力管理系统后，降低为308～378 m3/h，晚间的流量下降了19%左右；

（3）压力管理设备运行稳定，工作噪声小，运行噪声＜75 dB（A），符合环保要求。

根据运行效果综合评价，智能压力管理系统对稳定阀后出口压力、降低漏损起到了积极的作用。下一步应重视以下几个方面的工作：

（1）控制器的供电单元进行改进，以改进供电的可靠性。利用外置电源或清洁能源技术，确保电池供电周期大于五年。

（2）采用流量-压力（最不利点）的模式进行评估测试，与基于时间的压力模式进行对比，以验证对控制漏损和稳定压力的作用。

（3）研究人工神经网络等智能算法在压力预测中的应用，根据管网流量和压力波动最不利点的压力波动趋势，提前进行干预，以将最不利点的压力波动控制在阈值范围内。

通过智能压力管理系统的示范，看到压力管理工作对供水企业提质增效方面起到了积极的作用。国外从20世纪80年代开始实施DMA管理技术，如在澳大利亚黄金海岸、希腊雅典、津巴布韦管网取得了一定的效果。未来，可以在供水管网合理分区的基础上，以点为基础，建立起供水管网的智能压力管理系统和压力决策模型，通过水量平衡法、夜间最小流量法和管网的水力模拟等方法，实现供水管网压力的科学决策和合理调度。

（作者单位：湖南省特大口径阀门工程技术研究中心）

【注释】

[1]1 bar= 1 kgf/cm2。