对局部供水管网实施压力控制是降低城市供水漏失率的一个重要途径。目前市场在售的减压阀在设定完成后会一直按照设定值运行, 无法适应不同时段的供水压力需求。虽然阀门生产厂家可以提供电动活塞阀用于管网减压, 且其控制精度、灵活性、可靠性都可以很好地满足使用要求, 但活塞阀阀体和电动执行器价格较高, 同时需要提供动力电源, 只能在个别的关键部位使用。

　　 针对以上问题, 武汉市自来水公司在现有自力式减压阀的基础上加以改进, 研制出一种可按照需要自动进入全开和减压两种工作模式的新型“分时减压阀”。该减压阀于2015年10月首次安装投运, 截至2017年8月已在供水管网正常运行22个月。运行情况表明该阀门控制精度、可靠性均可满足使用要求, 且造价相对较低, 对电源等外部条件要求低, 具备进一步推广使用的条件。

　　 在城市供水的实践中, 供水企业通常会将满足最不利点的用户需求作为水厂出厂泵房或转压泵站的压力控制目标。在保证最不利点供水压力的同时, 管网中会产生大量的压力富余区域, 降低这些区域的富余压力, 对于控制供水管网漏失率是十分必要的。虽然从总体上说这些压力富余区域需要控制压力, 但在某些特殊时段却不能减压, 例如高位水箱进水时段、用水高峰时段等。基于以上情况, 在城市供水的某些区域, 需要分时段对压力进行控制:在部分时段减压, 降低管网漏损;而在另外一些时段, 则尽可能地利用管网压力。

　　 为了方便对这种分时段减压的供水方式进行叙述, 本文引入分时减压的概念, 在供水管网中局部区域的分时段减压行为称为分时减压。可实现分时减压目的的自力式减压阀称为分时减压阀。

　　 分时减压阀包括阀体、控制电磁阀、先导阀、控制器。其中控制器内包含开关电源、时间继电器、延时继电器等, 可根据设定的时间 (或其他触发条件) 接通或断开电磁阀的电源, 使减压阀在减压和全开两种工作状态下转换。分时减压阀克服了普通减压阀不能根据需求全开阀门的弊端, 实现了减压和全开状态的灵活转换, 其系统原理见图1。

　　 根据控制方式不同, 控制器可以是时间继电器、PLC控制器或其他可提供控制电流的装置。

　　 分时减压阀研制初始, 我们将减压阀的目标控制精度设定为±10kPa、状态转换在10 min内完成。为此, 我们选取了一个拥有居民1 100户的居民小区进行试验, 该小区有9层楼房26栋, 分时减压阀口径为DN300。

　　 为取得数据, 我们在减压阀阀前和阀后安装了压力远传装置, 进行了连续的压力监测。压力远传装置在安装前使用0~0.6MPa精密压力表 (0.4级) 对压力传感器进行了校准, 在100~400kPa测量误差±2kPa以内, 10min采集一次数据。

　　 分时减压阀是在自力式减压阀的基础上改造完成, 工作于减压状态时, 分时减压阀可视作一台普通的自力式减压阀, 阀后压力控制精度取决于原阀体。

　　 在表1中, 阀后最低压力值188kPa、最高压力值197 kPa、平均192 kPa, 最大偏差距平均值在±5kPa以内。

　　 分时减压阀由减压状态向全开状态的转换时间取决于减压阀口径和控制管路节流阀的开度, 转换时间随减压阀口径的增大而变长。

　　 表2数据说明, 试验中的DN300分时减压阀从减压状态向全开状态转变时, 可在10min内完成。

　　 分时减压阀由全开状态向减压状态的转换时间取决于减压阀口径和达到设定压力时的减压阀前后压力差。分时减压阀口径越大, 转换时间越长;分时减压阀的减压幅度越大, 转换时间越长。

　　 表3数据说明, 试验中的DN300分时减压阀从全开状态向减压状态转变时, 可在20 min内完成, 并达到稳定。

　　 分时减压阀是以现有的自力式减压阀为基础进行改造完成的, 它的工作压力、局部阻力系数、适用温度等技术参数取决于原阀体。

　　 图2a中夜间管网压力较高, 可以在夜间高压时段减压阀全开, 其它时段减压至保证1~3层用水。

　　 图2b这种供水模式下, 如果管道泵工作时减压, 管道泵的泵前压力将偏离原来的设计条件, 造成管道泵无法正常工作或转压电量明显升高, 因此无法使用普通减压阀减压。

　　 如果使用分时减压阀, 在管道泵启动前让减压阀进入全开模式;当管道泵停止工作时, 进入减压模式, 同时兼顾了加压时段的泵前压力和水量需求及非加压时段的压力控制要求。供水模式见图2c。

　　 我们对分时减压阀进行试验的小区就属于这种供水模式, 阀前和阀后的24h压力监测曲线见图3。

　　 图2d供水平峰时段减压, 减小管网漏损;供水高峰时段分时减压阀全开, 提供充足服务压力。

　　 管网漏失量与破口处的压力直接相关, 英国、日本等国家有关研究人员进行的一系列试验表明漏水量与节点自由水压之间存在如下的经验关系式^[1], 见式 (1) :

　　 式中Q_j———漏水量, m³/s;

　　 λ———漏失系数, m^1.9/s;

　　 H_j———第j个节点的自由水压, m。

　　 由式 (1) 可知, 漏水量与H^1.18成正比。

　　 为验证分时减压阀对减低管网漏损的实际效果, 我们在试验小区的分时减压阀阀前约3m处安装了远传考核水表, 分别于2017年6月1~14日、2017年6月16~30日分别将分时减压阀置于分时减压状态和不减压状态, 记录考核水表止码, 记录间隔1次/h。

　　 为了解试验期间天气变化对用水量可能造成的影响, 我们记录了试验期间的天气状况 (2017年6 月, 武汉市) 加以对比, 对比情况见表4。

　　 从表4数据对比可知, 分时减压期间和不减压期间的天气状况比较接近, 天气的差异不会对用户用水量产生较大影响。在此基础上, 对分时减压期间和不减压期间的小区供水量进行了对比, 见表5和表6。

　　 在这个案例中, 月供水量降低了32.34%。虽然分时减压期间的1~3层在减压时段供水压力下降, 但用水最不利点的龙头压力也有100kPa左右, 且减压时段为用户用水平峰时段, 不会对用户实际用水量造成较大影响。因此, 在本例中分时减压的运行方式对降低小区漏损率具有非常明显的作用。

　　 评价一个区域的漏耗水平, 夜间最小流量通常是考察的一个重要指标^[2], 其本质也是考察全天最小流量。本次试验中, 分时减压期间在夜间存在减压和不减压两种状态, 因此我们比较了小区的全天最小流量, 见表7。

　　 表7中, 分时减压运行期间的全天最小流量为13 m³/h, 不减压运行期间的全天最小流量为28m³/h。由此可见在本例中分时减压的运行方式有效降低了全天最小流量, 区域的漏损控制水平得到较大提高。

　　 管网减压是控制漏损的重要手段, 分时减压阀提供了一种灵活的减压方式。对于不同的减压区域, 在降低管网漏损的效果方面将会存在较大差异。

　　 分时减压阀的阀体是自力式减压阀, 只需向其控制系统提供低压直流电源供应即可, 整体功耗低, 待机功率≤2 W, 最大功率≤30W, 系统功耗与减压阀的口径无关, 为使用太阳能供电提供了可能。

　　 加入PLC控制的电动活塞式减压阀等阀门可提供更为强大的减压功能, 但其使用的电动执行器需要动力电源。在城市供水的场合, 就地提供控制电源的方式比市政供电具有更大的灵活性。此外, 城市供水的阀门多为埋地安装, 近距离的低压供电系统具有更好的安全性。

　　 为进一步降低功耗, 可将现有分时减压阀上使用的电磁阀更换为电动球阀, 仅在状态转换的短时间内向电动球阀供电, 这意味着可以使用更小面积的太阳能电池板、容量更小的蓄电池或者提供更长的连续阴雨天工作时间^[3]。

　　 分时减压阀的状态转换是依靠电磁阀实现的, 相比现阶段使用的电动闸阀、电动蝶阀等自动化阀门, 具有体积小、功耗低、活动部件少可靠性高的优势。在分时减压阀的基础上稍加改动, 在保留分时减压功能的前提下还可实现阀门的关断操作。

　　 结合太阳能供电技术、PLC技术、网络技术, 分时减压阀可以发展成为智慧水务自动控制体系^[4]的一个节点, 与现有的智慧水务平台对接, 为智慧水务的建设提供基础设施。

　　 在分时减压阀上并联安装多个先导阀, 根据需要设置不同的阀后压力, 并配备相应的控制管路, 可实现基于时间或网络控制的多种阀后压力切换, 满足供水区域不同时段的压力需求, 实施更为灵活和精准的压力控制。

　　 分时减压阀是对传统自力式减压阀的升级改造, 它继承了自力式减压阀无需外力驱动的优点, 增加了状态自动转换的功能。通过分时减压阀的使用实例可以看到, 分时减压阀在控制管网漏损方面具有非常显著的作用。分时减压阀还可进一步发展成为远程控制减压阀或起关断作用的阀门, 具有体积相对较小、驱动电源要求低的优点, 有望在智慧水务的建设中发挥作用。