基于水力模型的節(jié)能降耗分析與應(yīng)用實踐

楊浩俊 侯金霞 劉蘊哲 孫瑩瑩

（1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海三高計算機中心股份有限公司，上海，200082）

1.前言

長期以來，漏損管理方面存在一些難點，一方面，缺乏高效的漏損監(jiān)測手段和方法，如靠人力掃地毯式進行夜間探測，導致無法及時發(fā)現(xiàn)漏損；另一方面，對漏損情況無法做到精準掌握，在漏損治理的過程中，治理效果往往無法準確評估、漏損治理的投入及產(chǎn)出比更是無從考核。

1.1 船廠概況

船廠供水為市政管網(wǎng)進水后通過園區(qū)二次增壓泵站增壓后供水，用水類型主要為員工生活用水，所以用水規(guī)律和員工作息相關(guān)性非常大，白天員工上班期間用水量大，夜間基本為保障門衛(wèi)和值班零星用水。船廠沿江建設(shè)，岸邊地質(zhì)較為松軟且地下水水位高，容易因地面沉降產(chǎn)生管道破損，發(fā)生漏損不容易發(fā)現(xiàn)，造成現(xiàn)狀產(chǎn)銷差和漏損比較大；同時，船廠供水管道為塑料管道，埋深達4～5米；這些都為廠區(qū)的漏損管理帶來了較大困難，缺乏有效的手段和方法消減漏損。

圖1 測點布置圖

為了更好的監(jiān)測用水規(guī)律和壓力變化情況，首先對建筑用水計量水表做了改造，對典型和大用水單位做了流量計量實時監(jiān)測，同時布設(shè)了相應(yīng)的壓力監(jiān)測點。

1.2 產(chǎn)銷差情況

3～7月份用水量占比數(shù)據(jù)如圖2所示，其中4月份船塢進水量比較大，使工業(yè)用水比例增加。綜合來看，主要為生活用水，平均占比36%，工業(yè)用水占比比較少，平均占比8%，平均產(chǎn)銷差達56%，產(chǎn)銷差相當驚人。需要說明的是，產(chǎn)銷差水量不一定全部是漏損水量[1]，通過曲線和模擬分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在一定未知實際使用的水量，后續(xù)分析時將產(chǎn)銷差水量分離成漏失量和其他水量，本文主要研究內(nèi)容是節(jié)能降耗，其他水量分析和定位暫不做詳細講述。

圖2 月度總用水量用水占比

1.3 模型應(yīng)用現(xiàn)狀

管網(wǎng)水力模型在城市供水行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，其中很重要的應(yīng)用為廠站出廠壓力優(yōu)化，進而實現(xiàn)節(jié)能降耗；目前，船廠供水系統(tǒng)內(nèi)還沒有很好的引入使用，借由此課題引入供水管網(wǎng)模型，通過管網(wǎng)模型建設(shè)和校核，進行管網(wǎng)最優(yōu)服務(wù)壓力分析和漏損降低水平分析[2]。

2.基礎(chǔ)原理

供水管網(wǎng)的能耗、漏損與管網(wǎng)壓力相關(guān)[4]，合適的壓力有助于保持管網(wǎng)的良好運行狀態(tài)，不容易產(chǎn)生突發(fā)爆管和漏損，也能減少因為提升、處理等產(chǎn)生的能量和水資源浪費。優(yōu)化到合適的服務(wù)壓力，可以降壓節(jié)能；同時，漏損和壓力相關(guān)度最大，服務(wù)壓力的降低，將會使漏損降低，節(jié)約優(yōu)質(zhì)的水資源；而管網(wǎng)也存在較大漏損，及時發(fā)現(xiàn)和修復漏損很重要。

目前，國際上通用的供水壓力與漏失量的關(guān)系模型[3]為：Qj=k（P）N

Qj為漏失流量，k為漏失系數(shù)，P為節(jié)點自由水壓，不同材料的管道、漏點的不同，k、N值是不同的。

本課題中，園區(qū)夜間（22：00至次日6：00）只有保安值班人員零星生活用水，無其他用水，所以夜間流量最接近漏失水量，結(jié)合夜間漏失水量（取實測夜間最小流量）和壓力數(shù)據(jù)，不斷實驗k、N值，擬合管網(wǎng)壓力和漏失量的關(guān)系，將全天時段的漏失量從漏損水量中分離出來。壓力、流量和漏損水量曲線如下：

圖3 壓力和漏損水量曲線

3.供水模型構(gòu)建與壓力優(yōu)化

船廠供水為市政自來水引入后、存儲并二次加壓。通過模型模擬分析，模擬管網(wǎng)所需最適壓力。

3.1 模型構(gòu)建

模型建設(shè)所需數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)、閥門狀態(tài)、計量分區(qū)、監(jiān)測點儀表標高、地圖數(shù)據(jù)等信息，該部分數(shù)據(jù)作為拓撲和屬性導入或錄入模型系統(tǒng)中；動態(tài)數(shù)據(jù)包括需水量數(shù)據(jù)、監(jiān)測運行信息及相關(guān)報表信息，該部分數(shù)據(jù)作為模型的控制數(shù)據(jù)或用于模型的校核。通過收集管網(wǎng)拓撲導入模型，供水區(qū)域雖然不大，但是園區(qū)建設(shè)時間較久，有些已經(jīng)做了改造，與收集到的資料不符，經(jīng)過現(xiàn)場走訪、調(diào)研及閥門操作，摸清了管網(wǎng)的拓撲和供水聯(lián)通關(guān)系。監(jiān)測數(shù)據(jù)覆蓋比較全面，導入模型中作為校驗和計算數(shù)據(jù)，經(jīng)過對其他水量和漏失水量的定位和校核，最終建成的模型精度極高，壓力監(jiān)測點的誤差在0.2米以內(nèi)，這為壓力優(yōu)化和漏損定位提供了很好的支撐。模型情況如下：

圖4 管網(wǎng)模型圖

3.2 服務(wù)壓力確定

現(xiàn)有管網(wǎng)壓力分為高峰（6：00～22：00）和低峰（22：00～次日 6：00）， 為了降低漏損，園區(qū)將原本全天同一出廠壓力（200～220kPa），進行了分段壓力供水，將低峰用水期間大幅降壓，保障夜間一樓保安和值班用水，壓力降低至（90～100kPa）。通過調(diào)研建筑樓層和供水方式（部分樓宇有屋頂水箱），分析最不利點為消防樓，其高峰期間所需供水服務(wù)壓力為140～160kPa，通過模型模擬分析，白天以此為基準進行降壓分析，低峰維持當前壓力90kPa不變。

圖5 出廠壓力

3.3 運行壓力優(yōu)化

因為監(jiān)測累計時間較長，數(shù)據(jù)樣本比較多，但整體趨勢和原理一致，故選擇具有典型工況的4月份，該月份船廠主要分為兩種用水模式：船塢不進水時（4月1日～22日）模式，船塢進水時（4月23～30日，船塢用水量較大）。根據(jù)兩種情況分析總表流量及壓力的關(guān)系可得：

在船塢不進水時，船廠上午6點之前壓力一般為90kPa，6點之后升壓至220kPa左右以滿足生產(chǎn)生活所需，22點后降壓至90kPa。而通過流量圖表可知用水量從20點就開始逐漸降低，而壓力220kPa一直持續(xù)到晚上22點；因此，在晚上20點或21點過后可以開始降低壓力，以節(jié)約能量。

船塢進水時，為保障船塢用水，全天總表壓力維持至220kPa左右，而此時船塢的用水量在20點后也未見降低，壓力維持原樣，不進行壓力調(diào)整。船塢進水和不進水時壓力和流量圖如下：

圖6 船塢各時段壓力和流量

3.4 基于大數(shù)據(jù)和模型的管網(wǎng)漏失分析

通過系統(tǒng)的對漏損水量的分析，管道中可能存在較大的漏失水量，不斷改變K、N值使漏失水量接近夜間最小流量的值。清明節(jié)期間全廠放假，實際用水最小，此時管網(wǎng)漏損水量尤其是夜間最小流量最接近漏失量，取該時間段進行分析擬合，使漏失水量和夜間最小流量最接近，得出指數(shù)k=14.5、N=0.5，然后使用該公式進行了漏失量和壓力關(guān)系擬合，部分天數(shù)的曲線見下圖：

圖7 漏損和漏失水量曲線

該公式擬合良好，說明該園區(qū)有較大且達到明漏漏量的漏點。此時，根據(jù)擬合公式，將漏失量和漏損量進一步分離成漏失量和其他水。

圖8 漏損和其他水量占比

通過分析數(shù)據(jù)，建立船廠給水管網(wǎng)模型，定位漏失點，控制漏失，降低水電的浪費和損耗。

4.基于模型的節(jié)能案例分析

船廠的用水量變化規(guī)律直接關(guān)系到供水系統(tǒng)的配置以及運行方案的選擇，而供水系統(tǒng)的配置和運行方案的選擇直接關(guān)系到建筑能耗的大小[5]。由于本廠區(qū)與其他廠區(qū)共用二次供水泵站，因此供水設(shè)備和方案的選擇沒有再做具體分析，供水所需揚程和水量處于理論分析階段，具體需要結(jié)合整個廠區(qū)進行綜合分析確定選型。

電能的大小受到輸水量、供水高差以及水壓損失等影響，合適的降壓即是節(jié)能；給水系統(tǒng)關(guān)系到用水量的多少，因此減少船廠的用水量是降低船廠水方面能耗的重要途徑。又由于船廠漏損嚴重，通過減少管網(wǎng)漏損來降低船廠每日用水量，達到節(jié)水節(jié)能降耗的目的。此外給水系統(tǒng)的壓力傳輸也需消耗能量，通過降低壓力，可以達到降低能耗的目的。

因此，本船廠節(jié)能主要分為兩個途徑：減少管網(wǎng)漏失降低能耗、通過壓力管理降低管網(wǎng)壓力與用水量下降降低能耗，下面對兩種途徑能節(jié)約的能量進行大致估算以了解節(jié)能的具體情況。

通過優(yōu)化后，高峰時間段為：6點～20點，低峰時間段為20點～次日6點。根據(jù)上海市現(xiàn)行電費0.7元/kW·h電計算電耗，水費因為船廠用水類型為工業(yè)用水，每噸5元。

以4月為例，船塢每月不進水天數(shù)為25天，取4月份日漏失平均值1308立方米作為基礎(chǔ)計算值。

4.1 節(jié)能分析

壓力從220kPa降低至160kPa，每日用水量為3789.1立方米，水泵效率取55%。

根據(jù)公式W=mgh/η，得出每日降壓后可節(jié)省能量：

W=1.97×108J=54.70kW ·h

取4月份日漏失平均值作為基礎(chǔ)計算值，根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的兩處漏點，船廠管網(wǎng)高峰所需壓力約為160kPa，低峰90kPa，水泵效率取55%。

根據(jù)公式W=mgh/η，得出降壓后漏失減少而節(jié)省的提升所需能量：

W=3.05×108J =84.72kW ·h

表1 船廠每年節(jié)約能源一覽表

說明：因管理歸屬權(quán)限受限，未收集到泵房的用電能耗信息，文中能耗為計算值。不過，仍有很好的參考意義，為其他廠區(qū)的節(jié)能降耗帶來很好的方向指導。

4.2 降低漏失分析

船廠通過降低漏失節(jié)約的能源如下表所示：

表2 船廠每年節(jié)約能源一覽表

綜上，通過降低管網(wǎng)壓力，船廠每年大概可避免2萬度電的浪費，每年可大概節(jié)約1.4萬元的電費支出；同時，節(jié)約86233.2m3水，43.1萬元的水費支出，合計節(jié)約44.5萬元的費用。通過降低管網(wǎng)漏失，船廠每年大概可避免50萬噸水以及3萬度電的浪費，每年可大概節(jié)約240.9萬的水費、電費支出費用。合計為船廠節(jié)約285.4萬水、電費的支出，經(jīng)濟效益顯著。

5.總結(jié)

通過模型建設(shè)和分析，有效的改善了管網(wǎng)的壓力，降低不必要的能源消耗，提高了管網(wǎng)管理水平；同時，結(jié)合夜間最小流量和模型模擬分析，定位漏損，實現(xiàn)了實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效。通過以上分析和計算的結(jié)果估計，船廠每年大概可避免58.6萬噸水以及5萬度電的浪費，每年可大概節(jié)約285.4萬的水電支出費用。

目前隨著全球性水資源及其他能源危機的凸現(xiàn)，節(jié)水節(jié)能的重要價值已無需多言，希望本文的能耗節(jié)約分析和節(jié)約途徑能為其他船廠乃至供水行業(yè)的節(jié)能降耗提供一種參考方式。