前言：中長(zhǎng)距離輸水管線壓力管控智慧化是指利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段，對(duì)輸水管線的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和調(diào)整，以提高輸水管線的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。目前，中長(zhǎng)距離輸水管線壓力管控智慧化已經(jīng)成為水務(wù)行業(yè)的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。
實(shí)例：中長(zhǎng)距離輸水管線壓力管控智慧化改造。
導(dǎo) 讀
為提高中長(zhǎng)距離輸水管線的安全穩(wěn)定性，對(duì)修水縣第三水廠22.6 km原水管線進(jìn)行技術(shù)改造，改造分為管線安全設(shè)施改造與壓力管控平臺(tái)搭建兩部分。通過(guò)改造，管線壓力穩(wěn)定性得以進(jìn)一步提升，突然失電停泵時(shí)最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1.1倍以內(nèi)，局部高點(diǎn)處負(fù)壓也控制在合理范圍內(nèi)，有效降低了彌合水錘發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，滿足安全運(yùn)行的要求。同時(shí)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)壓力預(yù)警反饋、爆管定位溯源、設(shè)備故障診斷等功能，有效提升管線安全運(yùn)行能力及管理能效。
引用本文：李都望,黃有文,鄧慧萍，等. 中長(zhǎng)距離輸水管線壓力管控智慧化改造實(shí)踐與分析［J］. 給水排水，2023，49（3）：116-120.
中長(zhǎng)距離輸水管線發(fā)生水錘時(shí)，管道內(nèi)局部壓力可達(dá)到正常工作壓力的幾十倍，甚至更高，具有極大的破壞性，往往造成漏水、停水，淹沒(méi)附近建構(gòu)筑物，甚至引起更為嚴(yán)重的災(zāi)害及損失。安裝常規(guī)的水錘消除及排氣等裝置可在理想狀態(tài)下對(duì)管線起到一定保護(hù)作用，但實(shí)際應(yīng)用中爆管問(wèn)題依然頻發(fā)，且缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也無(wú)法預(yù)警及溯源。隨著人工智能/信息化數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基數(shù)智慧化手段對(duì)長(zhǎng)距離管線進(jìn)行監(jiān)控及溯源，對(duì)管線的安全運(yùn)行起到了很大的作用，進(jìn)一步降低了風(fēng)險(xiǎn)。
01
項(xiàng)目概況
項(xiàng)目位于修水縣第三水廠取水及原水管，水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m³/d，現(xiàn)狀一期5萬(wàn)m³/d。水源為東津水庫(kù)，采用浮船取水，取水泵參數(shù)如表1所示，于2010年建成通水。原水管采用DN1 000 PCCP管道，管道壁厚60mm，糙率為130，空氣閥安裝情況見(jiàn)表2所示，該原水管還兼顧了沿線3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)3.2萬(wàn)m³/d的原水輸水任務(wù)。根據(jù)2021年?yáng)|津水庫(kù)取水泵房取水量數(shù)據(jù)報(bào)表，最高日取水量達(dá)9.5萬(wàn)m³/d。
表1 水泵參數(shù)及數(shù)量
表2 原水管及空氣閥安裝位置
在丘陵地帶，由于管線地形起伏和局部高點(diǎn)的存在，在停泵過(guò)渡過(guò)程中管線局部會(huì)產(chǎn)生液體汽化或水柱分離，從而引起一系列急劇的壓力交替升降，對(duì)管線的正常運(yùn)行造成危害。修水原水管圖1為修水三水廠原水管線高程，該項(xiàng)目管線距離長(zhǎng)，線路翻山越嶺，高低起伏大，最大落差超過(guò)百米，原水管線除設(shè)置一些空氣閥，并未設(shè)置其他壓力防護(hù)及水錘消除設(shè)施，多年運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)的情況有：①爆管頻繁發(fā)生，從2018年至2020年，累計(jì)爆管次數(shù)達(dá)16次。②管線距離長(zhǎng)，線路偏遠(yuǎn)，巡線檢修效率低，導(dǎo)致沿線排氣閥因吹堵無(wú)法正常工作，積氣嚴(yán)重，影響輸水效率及安全。
02
改造方案
2.1 問(wèn)題分析
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及瞬態(tài)分析軟件模擬不同取水工況下的水力波動(dòng)，結(jié)果表明：整條原水管線由于多處空氣閥失效，管線無(wú)法正常進(jìn)排氣，對(duì)于多起伏管線，停泵易出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，管路中大量存氣，在事故停泵過(guò)程中或再次啟動(dòng)水泵時(shí)，由于管線中存在多處高點(diǎn)，管中易發(fā)生斷流彌合，有可能產(chǎn)生大的壓力升高，引發(fā)爆管事故。同時(shí)原水管材質(zhì)也是影響因素之一，有多種原因會(huì)導(dǎo)致PCCP鋼絲受損或腐蝕，達(dá)到一定程度后就會(huì)出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而發(fā)生爆管事故。
水力模型分析軟件采用了由Deltares開(kāi)發(fā)的主要用于管線的瞬態(tài)分析研究的WANDA軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)一體化水力分析和管道系統(tǒng)壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)水力建模及仿真分析可提供快速可靠的水管道系統(tǒng)的壓力分析。利用該軟件設(shè)定模擬工況為：兩臺(tái)小泵一臺(tái)大泵穩(wěn)定運(yùn)行，突然斷電的停泵過(guò)渡過(guò)程計(jì)算水錘分析，設(shè)定計(jì)算工況水泵為：出口端設(shè)置有DN400多功能水泵控制閥（配小泵）和DN600液控止回閥（配大泵），設(shè)定止回閥為一階段零流速快關(guān)和二階段緩閉的關(guān)閥方式，2臺(tái)小泵后止回閥7s快關(guān)閥門面積的90%，緩閉時(shí)間為10s時(shí)，關(guān)閉剩余的10%，總關(guān)閥時(shí)間為17s。1臺(tái)大泵后止回閥7.5s快關(guān)閥門面積的90%，緩閉時(shí)間為10s時(shí)，關(guān)閉剩余的10%，總關(guān)閥時(shí)間為17.5s。
經(jīng)過(guò)分析，如圖1和圖2所示，正常高峰期兩臺(tái)小泵和一臺(tái)大泵（總?cè)∷繛? 600m³/h）突然失電停啟時(shí)，原水管線SS000FM處和SSJING803高點(diǎn)附近管段出現(xiàn)負(fù)壓，其中SS000FM處最大負(fù)壓為-10m H2O，低于飽和蒸汽壓，存在斷流彌合風(fēng)險(xiǎn)。郭家灘處位于管線最低點(diǎn)，壓力波動(dòng)較大，最大壓力水錘增壓為穩(wěn)態(tài)壓力的1.4倍（該點(diǎn)正常工作壓力為65m H2O，增壓后達(dá)到91.8m H2O），接近PCCP管公稱壓力1.0MPa，同時(shí)，整條原水管線也缺少科學(xué)的水錘防護(hù)及減輕措施，管線的整體安全性較低。
圖1 仿真原水管線絕對(duì)水頭壓力包絡(luò)線（改造前）
圖2 仿真原水管線自由水頭壓力包絡(luò)線（改造前）
2.2 技術(shù)方案
2.2.1 優(yōu)化管道進(jìn)排氣及水錘泄放設(shè)備
在長(zhǎng)距離輸水管道上應(yīng)合理的布置空氣閥，一方面可以削減管道中的負(fù)壓現(xiàn)象，防止管路中產(chǎn)生水柱分離及再?gòu)浐纤N；另一方面，空氣閥還使空管初次充水階段大量排氣、管道正常運(yùn)行階段排除管內(nèi)少量空氣，是管道檢修或事故停泵階段大量補(bǔ)氣的必要設(shè)備，以確保進(jìn)排氣過(guò)程平穩(wěn)，泄水通暢，減少系統(tǒng)的壓力波動(dòng)。
2.2.2 新增管道水力監(jiān)控及平臺(tái)建設(shè)
在空氣閥位置安裝水錘監(jiān)測(cè)儀及壓力監(jiān)測(cè)儀，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。建立軟件平臺(tái)，并對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行3D建模，對(duì)水錘、壓力波動(dòng)及空氣閥的動(dòng)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)異常狀態(tài)報(bào)警、預(yù)防以及問(wèn)題的溯源分析。
03
改造效果
項(xiàng)目技術(shù)改造于2021年6月完成。通過(guò)更換及新增等方式共安裝17個(gè)防水錘空氣閥、5個(gè)角型空氣閥、1個(gè)水擊泄放閥、3個(gè)流量計(jì)及配套水錘檢測(cè)智慧盒子和壓力表等。防水錘空氣閥采用DN200,1.0MPa,具有信號(hào)遠(yuǎn)程功能，根據(jù)吸排氣量自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速排氣、節(jié)流排氣、微量排氣、負(fù)壓吸氣等功能,節(jié)流塞起跳壓差：5～35 kPa，浮球耐壓5.2MPa。水擊泄放閥采用DN200,1.6MPa,超工作壓力20%開(kāi)啟�？諝忾y設(shè)置如圖3所示。
圖3 防水錘空氣閥改造布置示意
數(shù)據(jù)平臺(tái)基于管道GIS信息平臺(tái)，收集壓力、流量及空氣閥動(dòng)作等數(shù)據(jù)。共有壓力監(jiān)測(cè)站點(diǎn)8個(gè)，流量檢測(cè)站點(diǎn)3個(gè)，水錘監(jiān)測(cè)站點(diǎn)11個(gè)。
3.1 水力瞬態(tài)變化效果
根據(jù)改造后正常高峰期2臺(tái)小泵和1臺(tái)大泵突然失電停啟時(shí)的仿真分析，如圖4和圖5所示，管線全線水擊增壓波動(dòng)范圍明顯減小，停泵時(shí)最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1. 1倍以內(nèi)。更換防水錘空氣閥后，在兩處局部高點(diǎn)有負(fù)壓，SS000FM處最大負(fù)壓為-2.2m，SSJING803處附近最大負(fù)壓為-5.5m H2O，未達(dá)到汽化壓力。
圖4 改造后仿真原水管線絕對(duì)水頭壓力包絡(luò)線
圖5 改造后仿真原水管線自由水頭壓力包絡(luò)線
通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，SS000FM點(diǎn)處負(fù)壓最大為-2.5m H2O，與該點(diǎn)仿真分析值相近；SSJING803點(diǎn)處最大負(fù)壓為-1.4m H2O，比理論值偏小，可能原因一：該點(diǎn)周邊空氣閥安裝相對(duì)較為密集，周邊空氣閥起到協(xié)助作用，可能原因二：該點(diǎn)附近管道存在漏點(diǎn)，導(dǎo)致負(fù)壓值得到控制�？傊ㄟ^(guò)改造，兩處負(fù)壓薄弱點(diǎn)均未達(dá)到氣化壓力，更換防水錘空氣閥后滿足一般原水管線安全運(yùn)行要求。
3.2 管線壓力波動(dòng)穩(wěn)定效果
統(tǒng)計(jì)分析2021年5月10至2021年12月31日時(shí)間段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí)的壓力波動(dòng)如圖6所示。
圖6 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)壓力波動(dòng)
由于管線最不利點(diǎn)為取水水庫(kù)壩頂，因此原水管線各檢測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)主要受取水量變化影響，通過(guò)日常運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取水泵站正常運(yùn)行時(shí)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在±5m H2O之間波動(dòng)，通過(guò)改造，壓力波動(dòng)小，也提高了管道的安全性。
3.3 智慧化平臺(tái)功能
平臺(tái)構(gòu)建理念按照“整體設(shè)計(jì)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、資源整合、系統(tǒng)集成、共建共享、分級(jí)維護(hù)”等原則，采用B/S架構(gòu)，構(gòu)建管控“一張圖”，提升水務(wù)核心數(shù)據(jù)庫(kù)的利用率及操作的便捷性，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的壓力、流量等供水設(shè)施的一張圖再現(xiàn)，一體化全過(guò)程決策分析和實(shí)時(shí)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)以信息化帶動(dòng)管理精細(xì)化，全面提升管理效能，如圖7所示�；竟δ馨ǎ簲�(shù)據(jù)的查詢功能、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、壓力異常報(bào)警功能。
圖7 壓力管控智慧化平臺(tái)界面
3.3.1 數(shù)據(jù)查詢功能
智慧化平臺(tái)基于管道GIS系統(tǒng)，包括設(shè)備型號(hào)、安裝定位、管道材質(zhì)、埋深標(biāo)高等靜態(tài)數(shù)據(jù)均可在平臺(tái)進(jìn)行部位點(diǎn)擊查詢，可通過(guò)整體、局部等多種視角進(jìn)行查看，便于工作人員第一時(shí)間掌握全局及細(xì)部信息。另外對(duì)于各檢測(cè)點(diǎn)的壓力、流量以及異常統(tǒng)計(jì)等，均可進(jìn)行查詢。
3.3.2 設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能
當(dāng)設(shè)備異常時(shí)，例如空氣閥微量排氣故障，其閥內(nèi)水位會(huì)逐漸下降，同時(shí)在有空氣存在的情況下，壓力波動(dòng)會(huì)更急劇，因此系統(tǒng)捕捉數(shù)據(jù)后根據(jù)設(shè)定捕捉閾值進(jìn)行判定，并在平臺(tái)界面上進(jìn)行告警，便于及時(shí)查看和追蹤告警信息，可及時(shí)進(jìn)行維修，保障安全運(yùn)行，極大提高巡線檢修的效率，有針對(duì)性處理長(zhǎng)距離管線上各種設(shè)備問(wèn)題。
系統(tǒng)不僅能夠?qū)諝忾y的吸排氣動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷空氣閥是否起作用，同時(shí)可以對(duì)空氣閥監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的管道壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，捕捉對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不利的壓力波動(dòng)，幫助用戶了解系統(tǒng)的調(diào)度過(guò)程是否安全。
3.3.3 壓力異常報(bào)警功能
當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力下降的速度和范圍超過(guò)正常壓力波動(dòng)范圍并且符合爆管設(shè)定的規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)判斷為疑似爆管或泄水事件，在判斷為爆管或泄水事件的瞬間，在平臺(tái)界面上彈出告警通知，及時(shí)通知平臺(tái)使用者，并在右下方設(shè)置告警列表，對(duì)歷史告警事件進(jìn)行展并查詢。同時(shí)根據(jù)爆管時(shí)各壓力點(diǎn)的壓力變化進(jìn)行識(shí)別，平臺(tái)自動(dòng)識(shí)別出爆管發(fā)生在哪個(gè)點(diǎn)位附近，并將結(jié)果推送至平臺(tái)及使用者移動(dòng)端。
圖8 爆管時(shí)附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)
2022年1月10日，郭家灘附近發(fā)生爆管事件，位于郭家灘大橋處的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋壓力異常，平臺(tái)自動(dòng)識(shí)別疑為爆管，并發(fā)出爆管警報(bào)，并在平臺(tái)系統(tǒng)圖上監(jiān)測(cè)點(diǎn)位持續(xù)高亮閃爍，工作人員及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查，整個(gè)爆管事件的響應(yīng)時(shí)間大大縮減，及時(shí)控制住了爆管事故。
通過(guò)爆管事件發(fā)生前檢測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)進(jìn)行反推，根據(jù)高程換算，爆管點(diǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力為79m H2O左右，爆管前壓力波峰值為86.9m H2O，而該段管材承壓能力為1.0MPa，基本可排除壓力過(guò)高造成爆管事故可能性，考慮管材質(zhì)量及人為可能為爆管主要原因。
04
結(jié)論
通過(guò)對(duì)原水管線進(jìn)行壓力管控硬件設(shè)施改造及智慧化平臺(tái)建設(shè)，加強(qiáng)了管線輸水壓力的穩(wěn)定性及管控能力，智慧化平臺(tái)具有的的查詢功能、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、壓力異常報(bào)警功能，可有效提高管理效能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并針對(duì)性提出解決方案，提高輸水安全性。
（1）通過(guò)改造，管線全線壓力波動(dòng)平穩(wěn)，停泵時(shí)最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1.1倍以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范安全運(yùn)行的要求。實(shí)際監(jiān)測(cè)中，局部高點(diǎn)處負(fù)壓也控制在合理范圍內(nèi)，未低至氣化壓力，有效降低了彌合水錘發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
（2）通過(guò)平臺(tái)在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)壓力異常預(yù)警及反饋，對(duì)于爆管等突發(fā)情況可及時(shí)進(jìn)行定位，有效解決丘陵地帶中長(zhǎng)距離管線漏點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間滯后的問(wèn)題，同時(shí)為事后溯源，提供有力依據(jù)。
（3）設(shè)備故障診斷功能，極大提高巡線檢修的效率，有針對(duì)性處理中長(zhǎng)距離管線上各種設(shè)備問(wèn)題，保障輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行。
