宏觀水力模型和微觀水力模型在節(jié)能降漏領(lǐng)域的應(yīng)用與探討

一、引言

隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,供水系統(tǒng)的設(shè)備與技術(shù)更新很快。各類測量和監(jiān)測手段也漸趨完善與先進(jìn)，尤其是計(jì)算機(jī)及相應(yīng)技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，使供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度具有了可行性。城市供水管網(wǎng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、用水隨機(jī)性強(qiáng)、多目標(biāo)控制等特點(diǎn)，特別是對地下給水管網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)測試的難度很大，所以科學(xué)化管理十分困難，但在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動下，管網(wǎng)建模的出現(xiàn)為節(jié)能降漏提供了新的福音，特別是監(jiān)測手段的改革，智能水表的應(yīng)用，閥門的快速普及，能夠保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性，數(shù)據(jù)共享和數(shù)學(xué)分析應(yīng)用的提高更是進(jìn)一步促進(jìn)了節(jié)能降漏的實(shí)現(xiàn)。

管網(wǎng)水力模型利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對實(shí)際的地下管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化模擬，同時該模型能進(jìn)行管網(wǎng)水力學(xué)數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算，模型能反映實(shí)際管網(wǎng)的水力狀態(tài)，通過建?？梢灾贫ㄒ?guī)劃，調(diào)度的設(shè)計(jì)方案并優(yōu)化，制定水泵、管道的更新改造方案，實(shí)施管網(wǎng)系統(tǒng)的科學(xué)管理，達(dá)到節(jié)能檢降漏的目的。城市供水管網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜、漏失點(diǎn)不易探查修復(fù)，因此以宏觀水力模型和微觀水力模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)DMA分區(qū)壓力優(yōu)化運(yùn)行，建立DMA分區(qū)壓力優(yōu)化控制系統(tǒng)是降低當(dāng)前供水管道條件下漏損量的最佳辦法。

二、宏觀水力模型和微觀水力模型的優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前我國常用的節(jié)能降漏方法包括兩方面，一是從管理方面入手，加強(qiáng)供水管網(wǎng)使用期間的管理與維護(hù)，比如完善供水管網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，落實(shí)管理維護(hù)責(zé)任，加快供水體制的改革與人才培養(yǎng)，另一方面采用新的節(jié)能降漏技術(shù)，比如宏觀水力模型、微觀水力模型、分區(qū)計(jì)量、分級計(jì)量、人工撿漏等方法。不同的節(jié)能降漏方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用場合和應(yīng)用范圍各不相同。

（1）宏觀水力模型，是以水廠的供水壓力和供水流量以及水塔水位與管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)壓力的大量實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法建立經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而提高了計(jì)算速度。具有建模速度快、整體把握管網(wǎng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于指導(dǎo)實(shí)時調(diào)度，可快速建立管網(wǎng)壓力控制模型，提供控制策略，但是需要足夠多的測量點(diǎn)，并且要求有足夠的實(shí)測數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確度，未建立優(yōu)化子壓力模型，遠(yuǎn)端壓力控制精確度不高，節(jié)能效果不能令人滿意。此外，宏觀模型不能求得管段和節(jié)點(diǎn)的工況參數(shù)，多用于給水系統(tǒng)調(diào)度建模，不宜用于給水系統(tǒng)新建、改建和擴(kuò)建建模。

（2）微觀水力模型即按管網(wǎng)實(shí)際情況，包括管網(wǎng)所有元素（管段、閥門、水泵等），不做任何簡化所建立的模型，相對于宏觀模型和簡化模型來說，稱為詳細(xì)模型。具有詳觀管網(wǎng)各個要素及其水力狀況的優(yōu)勢，直接應(yīng)用完整詳細(xì)的管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫的資料，包括管網(wǎng)的全部信息建模，適于管網(wǎng)現(xiàn)狀分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)與預(yù)案制定，但是無法自動實(shí)現(xiàn)或者簡化計(jì)算目標(biāo)單一等問題，比如不能夠在節(jié)省管網(wǎng)水力平差計(jì)算時間的同時又很好的保存原始管網(wǎng)的拓?fù)湫畔?，在管網(wǎng)優(yōu)化改造、優(yōu)化調(diào)度等優(yōu)化計(jì)算方面力有不逮。

（3）分區(qū)計(jì)量是一種供水區(qū)域化管理的方法，是對管理區(qū)域內(nèi)流進(jìn)的自來水總量和貿(mào)易銷售實(shí)際的水量實(shí)施量值的一種管理方法?？梢粤私夂驼莆崭鲄^(qū)域內(nèi)需水量、供銷差、漏失量、未收費(fèi)水量等因素，降低供水企業(yè)供水運(yùn)營中的經(jīng)營管理風(fēng)險，缺點(diǎn)是不能有效控制生產(chǎn)銷差率。

（4）分級計(jì)量，當(dāng)前分級計(jì)量通常分為兩級，首級為出廠水量計(jì)量，計(jì)量點(diǎn)一般位于二級泵房后的出水管上；尾級為客戶用水計(jì)量，計(jì)量點(diǎn)一般位于客戶前的進(jìn)水管上。可以有效控制供水產(chǎn)銷差率、優(yōu)化供水管理系統(tǒng)。

（5）人工檢漏，通過人工方法，借助查漏工具檢查管道的暗漏情況，主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是效率低。

三、宏觀水力模型的建立和優(yōu)化

基于宏觀水力模型可以建立管網(wǎng)壓力控制模型，提供了多水廠優(yōu)化流量方法，但是未建立優(yōu)化子壓力模型，宏觀水力模型和DMA技術(shù)結(jié)合，不但可以優(yōu)化壓力計(jì)算模型，確定各水廠供水范圍，提供管線壓力曲線，而且可以為管網(wǎng)狀態(tài)評估、管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行及制定應(yīng)急預(yù)案等提供科學(xué)的依據(jù)，最終達(dá)到節(jié)能降漏的作用。宏觀水力模型建立優(yōu)化包括以下步驟：（1）建立宏觀水力模型；（2）基于宏觀水力模型建立壓力曲線；（3）修正宏觀模型調(diào)度預(yù)案壓力；（4）優(yōu)化水泵實(shí)現(xiàn)節(jié)能；（5）與DMA分區(qū)法門聯(lián)合減漏。

宏觀水力模型以水廠的供水壓力和供水流量以及水塔水位與管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)壓力的大量實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法所建立的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)表達(dá)式，如下式：

其中，Q為各水廠流量，hk為各測點(diǎn)壓力，Ci，Ajm，Bjp可以通過月流量計(jì)算得出，但是以上模型僅僅提供了供水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀的描述，需要對其優(yōu)化，建立管網(wǎng)壓力控制曲線模型，管網(wǎng)壓力控制曲線模型需要滿足管線流量、出廠流量和壓力最優(yōu)關(guān)系和遠(yuǎn)端測量點(diǎn)壓力精度（通常絕對數(shù)小余等于0.001MPa）。根據(jù)優(yōu)化的宏觀模型調(diào)度預(yù)案壓力方案設(shè)計(jì)水廠流量壓力控制系統(tǒng)，優(yōu)化水泵節(jié)能方案，結(jié)合DMA分區(qū)閥門進(jìn)行聯(lián)合減漏，具體流程如下圖：

四、微觀水力模型的建立和優(yōu)化

微觀水力模型以實(shí)際完整詳細(xì)的管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)信息建立模型，能夠精確計(jì)算出全部關(guān)于供水管網(wǎng)的全部信息，可以概括為：（1）微觀水力模型建立；（2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化；（3）供水系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入和節(jié)點(diǎn)流量分配；（4）管網(wǎng)水力計(jì)算與平差；（5）水力模型校核；（6）模型評估、更新和維護(hù)。其整體流程圖如下：

微觀模型對系統(tǒng)拓?fù)涞淖兓凸?jié)點(diǎn)用水量模式的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以獲取所有管段、節(jié)點(diǎn)、水源的工況參數(shù)以及各小時的靜態(tài)模擬工況和動態(tài)實(shí)時工況，以管網(wǎng)信息為基礎(chǔ)建立微觀模型，導(dǎo)入管段數(shù)據(jù)包括管長、標(biāo)準(zhǔn)管徑、管材類型和粗糙度和供水方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包括節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)標(biāo)高等數(shù)據(jù)。

按照管網(wǎng)服務(wù)主功能不變和誤差在允許范圍兩條原則，對管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，其后導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、分配節(jié)點(diǎn)流量，節(jié)點(diǎn)流量可分為四類：大用戶用水量、普通用戶、漏失水量、未計(jì)量水量，管網(wǎng)水力計(jì)算與平差過程通過節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程、管段壓降方程和回路能量方程結(jié)合導(dǎo)入的管網(wǎng)信息進(jìn)行。模型校核是一個不斷完善、反復(fù)調(diào)整的過程。評價建立的管網(wǎng)水力模型是否滿足建模要求，要考慮監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的壓力實(shí)際值與模型壓力計(jì)算值之差和監(jiān)測管段的流量實(shí)際值與模型流量計(jì)算值誤差小。

由于給水管網(wǎng)的運(yùn)行工況不斷變化，要保證建立的模型實(shí)時有效，能夠?yàn)楣┧畣挝惶峁┛煽康募夹g(shù)參考，必須定期對建立的模型更新維護(hù)。管網(wǎng)添加新建的管線，刪除廢棄的管線，并導(dǎo)入變化管線的屬性信息。節(jié)點(diǎn)水量重新分配時及時更新大用戶月度用水信息，重新對各節(jié)點(diǎn)水量進(jìn)行分配，模型校核定期進(jìn)行。

五、宏觀水力模型和微觀水力模型結(jié)合的優(yōu)勢

概括來說，宏觀水力模型以供水廠的供水壓力和供水流量作為輸入量，壓力監(jiān)測點(diǎn)作為輸出量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法建立了經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)表達(dá)式，微觀水力模型直接應(yīng)用完整詳細(xì)的管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫的資料，不進(jìn)行任何簡化，可求解節(jié)點(diǎn)和管段的全部信息。兩者相互結(jié)合，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以將尋求“最優(yōu)解”轉(zhuǎn)化為尋求“滿意解”，把優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)驗(yàn)調(diào)度相結(jié)合，對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了實(shí)時對比，預(yù)測結(jié)果可動態(tài)顯示，實(shí)時刷新，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。（2）結(jié)合分時電價和實(shí)時調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)基于宏觀模型的變頻調(diào)速策略，即使調(diào)整管網(wǎng)壓力，對給水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和管段進(jìn)行分區(qū)、分類型處理，使模型達(dá)到了較高的建模精度，可以滿足工況分析和管網(wǎng)規(guī)劃的要求。

六、總結(jié)

宏觀水力模型和微觀水力模型是兩種在節(jié)能降漏領(lǐng)域常用的模型，兩種模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用不同的范圍領(lǐng)域， 兩者相互結(jié)合，可以尋求城市供水調(diào)度的“滿意解”，有效控制供水產(chǎn)銷差率、優(yōu)化供水管理系統(tǒng)，最終達(dá)到節(jié)能降漏的目的。