绍兴市自来水有限公司 (以下简称绍兴水司) 主要承担供水管道的投资建设、管网的运维管理及自来水的销售与服务职能。供水面积约500 km², 管网总长约3 900多km, 其中DN75以上管道1 880 km。服务人口110万人 (不含外来人口) , 供水用户约40万户, 年供水量近1亿m³, 管网漏损率长期稳定在5%以下。

　　 绍兴水司采用分区计量手段进行漏损管理, 将供水区域划分为5个一级计量大区、38个二级计量片区, 并安装1 095个小区总考核表和15 500个单元考核表, 已建立以“公司、分公司、片区、支线、户表”为计量节点的点、线、面三者互联互通的五层级计量管理体系和总分表分析管理机制。在分区计量管理模式下开展分区调度、分区控压, 利用压力控制手段实现快速节水效果, 减少冗余水头, 实现智能精细化区域压力管理, 科学调度、按需调压, 实现管网优化运行、管网压力平衡, 减少漏水事故、减少维修工单量, 提高供水安全可靠度。

　　 2017年绍兴水司联合水联网技术服务中心共同完成5个区域的压力管理试点项目, 分别是富盛镇区域、灵芝东片区域、嘉会区域、阳明路区域、迎宾路区域, 工程采用专用于漏损控制的新歌卷帘式隔膜水力减压阀。通过本次项目的实施探究适用于绍兴市压力管理体系的建设。

　　 通过压力管理的手段, 使区域供水服务压力平衡, 实现智能精细化管理, 为供水管网优化运行带来综合效益。压力控制能够平衡管网压力、优化管网运行、减少漏水事故、节约水资源。同时, 供水管网管理是一个长期的运维过程, 通过压力的优化运行可以延长供水管网的使用寿命, 提高管网资产使用的经济性。

　　 压力控制方案的准确性是影响压力控制效果的主要因素^[1,2]:

　　 (1) 确定区域是独立的, 否则压力管理将失效。对于在供水区域实施压力管理, 最重要的是清楚掌握管网的拓扑结构及阀门开关情况、阀门开启度情况, 确定管网压力最不利点、考虑管网对消防流量的需求。

　　 (2) 供水管网水力工况对压力效果的影响。供水管网水力工况越简单, 压力控制的效果越好, 阀后压力运行越稳定, 供水区域需是同水源同水质供水。在区域布置临时压力关键节点, 为制定方案提供数据依据。

　　 (3) 压力控制法的确定。调压的方式很多, 主要有:固定输出压力控制法、基于时间调节的压力控制法、基于流量调节的压力控制法等。根据管网资产情况、水力工况复杂程度、用户供水满意度的要求及资金投入等综合条件, 确定适用于绍兴市压力控制方法。

　　 (4) 减压阀选型的重要性。首先考虑的是减压阀在全开状态, 经济流速下阀体水头损失较小, 一般在2 m左右。不同口径的减压阀水头损失不一样, 在确定型号时需要认真对比技术参数, 尤其是在缩径的情况下。其次, 需要考虑在低流量下减压阀的稳定性。因此, 本项目选择一款专用于漏损控制的新歌卷帘式隔膜水力减压阀。

　　 本项目实施过程中, 先在富盛镇实施压力管理。利用该案例研究不同压力控制法、不同的压力策略对节水效果的影响程度。富盛镇地处山区, 镇域面积73.9 km², 总人口24万余人。供水区域有一个入水口, 管径为DN500球墨铸铁管道, 管网铺设时间为1999年, 管龄19年。该区域实施压力管理前入口压力为44 m, 管网末梢平均压力20 m。区域内基本无大用户用水, 以平房为主, 自建房最高楼层为4层, 均为市政管网直供水。日用水量1 600～1 800 m³, 日间用水量较平均, 用水高峰出现在5:00和16:00, 夜间最小用水量出现在1:00。

　　 制定压力策略期间, 将管网拓扑结构进行摸排梳理, 确定供水边界范围, 并保证有唯一的入水口。将供水区域内的阀门开启度进行摸排, 结合模拟分析压力控制后管网的压力情况, 最终确认阀门的全开或开启度, 保证压力策略制定的准确性, 保障压力控制实施后不影响用户需求。

　　 考虑到资金投入问题, 该案例不采用按流量调节的压力控制法, 分别采用固定输出压力控制法和时间段压力控制法, 并对比两种压力控制的节水效果。将入口管道进行缩径, 安装DN200卷帘式隔膜水力减压阀。水力减压阀全开状态时, 阀体平均水头损失2.05 m。图1为富盛镇压力管理前后供水管网运行情况, 从10月11日起该项目开始实施压力控制。表1为压力管理实施前后两种控制方法成果对比, 表2为两种控制方法运营与运行对比。

　　 从图1、表1和表2可得, 实施压力管理后, 管网日用水量和夜间最小流量有明显的下降趋势。按时间段压力控制法节水20.95%, 按固定输出压力控制节水15.41%, 说明按时间段压力控制法节水效果更好;2种压力控制方法的阀后压力波动较为稳定, 尤其能够保证在高峰或低峰用水时段阀后压力得到稳定的控制, 与其他用水时段的阀后压力波动一致, 说明水力减压阀在任何时段调压都会运行稳定;采用时间段压力控制法的阀后平均压力波动率为0.27%, 按固定输出压力控制法的阀后平均压力波动率为1.04%, 说明配套使用控制器的压力控制效果更好。

　　 绍兴水司曾经使用过传统的减压阀, 主要采用固定输出压力控制模式, 但不利于管网漏损管理。选择两个管网信息和管网水力工况相似的压力控制区域作对比分析, 图2是皋埠区域安装传统减压阀的管网运行情况, 图3是灵芝镇东片区安装专用漏损控制水力减压阀的管网运行情况, 表3是根据图2与图3中的数据进行性能对比分析。

　　 从图2、图3和表3可得, 传统减压阀在低峰用水时段的阀后压力波动率要高于高峰用水时段的阀后压力波动, 说明传统减压阀在小流量下压力控制性波动幅度较大。对比传统减压阀和专用漏损控制减压阀在低峰时段的阀后压力波动率, 说明在小流量下, 专用漏损控制减压阀性能更具有优势, 压力控制精准度较高。

　　 专用漏损控制减压阀区别传统减压阀的优势是:①保证调控精度和稳定性。专用漏损控制减压阀采用卷帘式隔膜, 能够在阀门开度在20%以下和80%以上时不出现阀体抖动, 阀体抖动造成压力波动甚至是小规模的水锤, 这点传统减压阀很少能实现。②自身压损比较小。专用漏损控制减压阀自身压损小于10%, 传统减压阀在20%以上。所以有的区域使用传统减压阀后在高峰供水期间服务压力满足不了需求。综上所述, 专用漏损控制减压阀能够满足水司精细化调控的效果, 实现管网压力平衡。该案例的投入回收期为2.5个月。

　　 实施压力管理并不是消除漏失点或修复已存在的漏失点, 供水管网实施压力管理之前所有的漏失点在实施压力管理后仍然存在。压力管理的优势是通过较低的压力降低漏失点的漏水速度。

　　 灵芝镇东片供水区域有1个入水口, 将入水口管道进行缩径安装DN200水力减压阀。该入水口管道管材为水泥管道, 安装水力减压阀的管道管材为球墨铸铁。鉴于在富盛镇压力管理的实施经验, 在该区采取按时间段压力控制法, 压力控制策略如表4所示。

　　 该区域实施压力控制一段时间后, 阀后的水泥管道在5月9日突发一次漏水事故, 如图4所示。

　　 从图4可得, 图中黑色框标注的是发生漏水时管网水量突然上升, 入口水量由36 m³/h上升到132 m³/h。入水口管道于1:30关闭阀门, 开始管道维修工作, 4:15管道维修完成, 区域恢复供水。表5为压力管理下发生漏水时管网运行情况。

　　 从表5可知, 从发现漏水事件到关闭阀门, 管网用水量为551 m³, 该区域正常用水量为102 m³ (含漏失水量) , 因漏水事件产生新增漏失水量为449 m³。发生漏水期间, 区域已实施压力控制, 对比不同时间段的压力策略产生的新增漏失水量是不同的。压力策略为22 m时的新增漏失水量低于压力策略为25 m时。

　　 利用公式模拟计算出未实施压力管理时漏水产生新增漏失水量, 见式 (1) 。表6为是否实施压力管理对漏水产生新增漏失水量的对比情况^[3,4]。

　　 $\frac{Q{}_1}{Q{}_2}=\left(\frac{{\rm H}{}_1}{{\rm H}{}_2}\right){}^{{\rm N}{}_1}(1)$

　　 式中 Q₁——未实施压力管理的漏失量, m³;

　　 Q₂ ——实施压力管理的漏失量, m³;

　　 H₁ ——未实施压力管理的管网平均压力, m;

　　 H₂ ——实施压力管理的管网平均压力, m;

　　 N₁ ——漏失系数, 本项目取1。

　　 由表6可知, 在未实施压力管理时, 发生漏水产生新增漏失水量644 m³, 较实施压力管理多产生195 m³。因此, 压力控制减少新增漏失水量。同时, 在实施压力管理时发生漏水事件不影响管网用户的用水量及满意度。该案例的投入回收期为2月。

　　 为了实现压力管理的精细化, 需建立压力管理体系, 增强对压力管理的运维工作。

　　 (1) 建立压力管理系统, 为压力管理提供管理工具。将实施压力管理的供水区域阀门位置信息、阀门开关状态、水力减压阀位置信息、水力减压阀基本参数、施工图纸等固化在系统中;在线对阀前、阀后和不利点压力进行监测, 根据压力异常数据, 初步判断发生问题的主要原因, 为到现场解决问题和准备工具提供数据支持。

　　 (2) 定期对实施压力管理的供水区域边界阀门开关状态进行确认, 并将巡检记录固化在系统中。

　　 (3) 每半年对水力减压阀设备进行检查维护工作。如对上腔进行排气、对导管进行清洗、控制器电池耗电情况检查等。

　　 (4) 在压力管理系统中, 设定报警机制, 如阀后压力报警、阀后压力波动率报警、设备状态报警等, 以及GPRS信号和GPS信息上报等。

　　 (5) 根据供水区域的运行情况, 做好应急措施工作, 如对水力减压阀设定锁止命令, 设定上、下限值及全开安全运行值等。不仅保障阀后用户的用水需求, 而且保护设备的使用寿命。

　　 (6) 制定压力管理绩效考核指标, 如维修及时率等。

　　 (1) 定期确认供水管网边界阀门的开关状态。如果管网边界阀门的开关状态失控, 压力管理不可能正常运行。压力管理能够实现巨大的节水效果, 需要清楚掌握供水区域的管网拓扑结构、阀门的开关状态、管网运行的最不利点位置等, 在实施压力管理前需要对控压区域进行梳理以确保压力保持稳定运行工作。

　　 (2) 综合年节水量、阀后压力波动、管网压力幅度变化、投入回收期指标来看, 选择按时间段压力控制法更适用于绍兴市压力管理控制手段。同时, 验证新歌卷帘式隔膜水力减压阀在调节过程平稳, 阀后压力运行稳定, 调压精确, 平衡管网压力。

　　 (3) 低压供水管网会降低新增漏失点的速度, 漏失事件的发生概率会显著减少, 并减少发生漏水时发生的新增漏失水量, 延长资产的使用寿命。在压力管理中使用专为漏损控制设计的水力减压阀, 该类型减压阀适用在基于分区计量技术的非开挖漏损控制应用中。