厦门市供水系统按照营业管理辖区分为6个区域,分别为本岛、海沧、杏林、集美、同安和翔安。本岛共有高殿水厂、莲坂水厂和安兜水厂3座水厂,总供水能力为101.5万m³/d,本岛有11个给水加压泵站,DN100及以上管道总长约1 700 km,供水管网已形成较为完善的环状管网系统,现状主干管南北向沿湖滨西路、嘉禾路、金尚路、金山路和环岛干道布置,东西向沿枋钟路、湖里大道、仙岳路、吕岭路、莲前西路、厦禾路和环岛路布置,本岛通过环岛干道DN1 200、翔安隧道DN1 000供水管道与翔安互联互通,向翔安供水约3万m³/d。

高殿水厂位于本岛的北部,有4个二级泵站,其中,1#泵站设计能力6万m³/d;2#泵站设计能力为24万m³/d;3#泵站30万m³/d;4#泵站30万m³/d,共计90万m³/d。高殿水厂现状出厂管主要有往东部的1条DN2 000管、往西部的2条DN1 000和1条DN1 400管及创新路DN2 000管,这几条出厂管形成了环状供水格局。

2017年应用WaterCAD管网建模软件建立了本岛管网水力模型。模型共包含48 077条管段,47 279个节点,103个大用户、21个在线压力监测点及9个东西部控制的全关阀门,模拟了2016年8月18日厦门管网供水运行情况,校核之后各在线压力监测点平均误差为±1.84 mH₂O,达到了较理想的模拟精度,可以准确地掌握管网的运行状况。

公司2016年全面启动全市老旧管道改造工程,随着老旧管道改造的实施,本岛供水管网得到不断的优化,供水格局也随之改变。本岛地势主要呈西南低、东北高的形式,管网改造全部实施后,西部压力提升较东部提升更明显,东西部压力不平衡的现象逐渐显现,2017年底创新路DN2 000高殿水厂出厂管(供西部区域)竣工通水后,东西部压力不平衡的局势更为突显。为平衡东西部压力,优化供水格局,应用管网水力模型对不同的压力调控方案进行模拟研究,为制定合理的管网压力平衡方案提供理论依据。

供水边界条件为:嘉禾路DN1 000、DN1 400出厂管与新修建的创新路DN2 000出厂管同时运行,最高时出厂压力维持现状,不进行调整。

模拟结果显示,如果不对调度方式进行调整,管网运行压力与现状相比西部片区的压力会升高2～3 mH₂O,同时,东部片区的压力会下降3 mH₂O左右,如图1所示。

分析其产生的原因如下:高殿水厂各泵站之间管道直接连接,没有经过阀门或大阻力的管道隔离,所以整个高殿出厂的出厂压力较为均匀,可等同为同一个压力源。由于新建DN2 000管道后的西部管网的水力条件更好,西部水力条件的改善,降低了西部对东部的水力顶托作用,使得3#、4#泵房以原有出厂压力更容易出到原有水量,各泵站的原有水力平衡被打破。如果需要恢复到以往的管网服务压力,就要重新对各泵站的出厂压力进行再平衡。

先以保障用户用水为第一要素,进行管网的压力优化调控。调控方案为提高高殿水厂各泵房的压力3 mH₂O,莲坂水厂压力根据4万m³/d的供水规模自动平衡。相当于整体提高管网的背景压力3 mH₂O,使整个管网的压力提高3 mH₂O,优化后,管网的压力与现状相比如图2所示。

从图2中可以看出,由于管网背景压力被均匀提升,相当于每个节点的压力在管网改造后压力提升的基础上增加了3 mH₂O,使得东部的压力基本与现状一致,西部的压力在管网改造后压力提升的基础上进一步提升3 mH₂O,相对现状有了更高的压力提升,提升幅度约为4～5 mH₂O。

由于整体提升了管网的压力,使得东西部压力均有提升。东部压力基本与现状持平,用户用水体验是无感的;西部压力较现状升高了3～5 mH₂O,从服务用户角度而言,压力升高意味着更好的服务不会引起投诉,但是从管网运行安全的角度而言,会加大爆管的风险,尤其是西部人口密集的中心城区地势较低,现状压力已经过高,同时也会加大产销差。为了降低产销差和爆管风险,有必要对西部片区进行压力管理。

为降低产销差和爆管风险,在创新路新建DN2 000管道上添加调流阀,并通过调节阀门使下游的压力较调节前降低4 mH₂O(见图3)。

模拟结果显示,通过阀门调节,使得西部片区的压力整体降低了4 mH₂O,与现状压力相当。同时由于阀门的微顶托作用,东部的压力较现状提升了1 mH₂O。上述操作完成后的压力变化如图4所示。从图4中可以看出。调流阀消耗掉西部富余的4 mH₂O水头后,整个管网的压力变化较现状提升了1 mH₂O,这种变化不会影响到用户的用水,其变化服务对于用户用水体验也是“无感”的。

殿前街道片区压力降低3 mH₂O是由于存在管道瓶颈的原因,与现状压力相比仍然偏低。该区域以多层建筑居多。首先需要所有水厂的出厂压力都要提升,然后通过调节阀门消耗掉西部片区的富余压力。

为降低能耗,对水厂二级泵房出厂管路和阀门进行调整。将4#泵房DN2 000出厂跨接管打断,改为与DN2 000出厂总联络管联通。将3#泵房西侧管道与创新路DN2 000管道连接。在3#泵房出厂加装2个阀门,并将这2个阀门设置为常闭状态。同时,配合管网中已关闭的阀门,整个管网被完全分割为西部分区和东部分区。西部分区由1#、2#、3#西侧供水,东部分区由3#东侧、4#泵站供水。由于中间有阀门隔离,2个分区的压力彼此互不影响,可进行分区调度。改造好的高殿水厂二级泵站的管道及阀门如图5所示(粗线条绘出的管道和阀门为涉及改造的内容)。

通过上述改造, 1#泵站、2#泵站和3#泵站西半边的机组可联合向西部供水,3#泵站东半边的机组与4#泵站可联合向东部供水。各泵站可通过阀门进行调度操作,实现在事故时较为方便及快速地阀门切换调水。同时根据中远期蓄水量的变化,供给不同片区时水泵也有更灵活的搭配方式。

此方案将管网完全分割为东西2个独立片区,2个片区能够通过开关阀随时进行联通,以保障供水安全。分区压力不用再考虑平衡问题,简化了调度规则和压力可控性,并为低能耗的管网压力提供了前提。在此方案的基础上,进一步降低往西部供水的各泵房出厂压力3 mH₂O,往东部供水的各泵站压力保持与现状一致。模拟优化后与现状管网的压力对比如图6所示。

压力分区管理的方案较调节阀门的方案,能够在降低西部压力的同时节约能耗,在实现同等服务压力的情况下,每年节电约214万kW·h,减少二氧化碳排放量5 716 t。

应用管网水力模型模拟技术指导和制定合理的管网压力平衡调度方案,东西部分区之后,降低了2个片区的耦合性,东西部压力更容易控制。在降低调度复杂度的同时,增强了调度的灵活性和可控性。通过搭配开停机组和变频,能够精确控制管网压力,实现“用户无感”的大型管道的改造和切换。