前言：中長距離輸水管線壓力管控智慧化是指利用現(xiàn)代化的信息技術手段，對輸水管線的壓力進行實時監(jiān)測、控制和調整，以提高輸水管線的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。目前，中長距離輸水管線壓力管控智慧化已經(jīng)成為水務行業(yè)的熱點和趨勢。
實例：中長距離輸水管線壓力管控智慧化改造。
導 讀
為提高中長距離輸水管線的安全穩(wěn)定性，對修水縣第三水廠22.6 km原水管線進行技術改造，改造分為管線安全設施改造與壓力管控平臺搭建兩部分。通過改造，管線壓力穩(wěn)定性得以進一步提升，突然失電停泵時最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1.1倍以內(nèi)，局部高點處負壓也控制在合理范圍內(nèi)，有效降低了彌合水錘發(fā)生的風險，滿足安全運行的要求。同時平臺可實現(xiàn)壓力預警反饋、爆管定位溯源、設備故障診斷等功能，有效提升管線安全運行能力及管理能效。
引用本文：李都望,黃有文,鄧慧萍，等. 中長距離輸水管線壓力管控智慧化改造實踐與分析［J］. 給水排水，2023，49（3）：116-120.
中長距離輸水管線發(fā)生水錘時，管道內(nèi)局部壓力可達到正常工作壓力的幾十倍，甚至更高，具有極大的破壞性，往往造成漏水、停水，淹沒附近建構筑物，甚至引起更為嚴重的災害及損失。安裝常規(guī)的水錘消除及排氣等裝置可在理想狀態(tài)下對管線起到一定保護作用，但實際應用中爆管問題依然頻發(fā)，且缺少實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，也無法預警及溯源。隨著人工智能/信息化數(shù)字技術的蓬勃發(fā)展，基數(shù)智慧化手段對長距離管線進行監(jiān)控及溯源，對管線的安全運行起到了很大的作用，進一步降低了風險。
01
項目概況
項目位于修水縣第三水廠取水及原水管，水廠設計規(guī)模為10萬m³/d，現(xiàn)狀一期5萬m³/d。水源為東津水庫，采用浮船取水，取水泵參數(shù)如表1所示，于2010年建成通水。原水管采用DN1 000 PCCP管道，管道壁厚60mm，糙率為130，空氣閥安裝情況見表2所示，該原水管還兼顧了沿線3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)3.2萬m³/d的原水輸水任務。根據(jù)2021年東津水庫取水泵房取水量數(shù)據(jù)報表，最高日取水量達9.5萬m³/d。
表1 水泵參數(shù)及數(shù)量
表2 原水管及空氣閥安裝位置
在丘陵地帶，由于管線地形起伏和局部高點的存在，在停泵過渡過程中管線局部會產(chǎn)生液體汽化或水柱分離，從而引起一系列急劇的壓力交替升降，對管線的正常運行造成危害。修水原水管圖1為修水三水廠原水管線高程，該項目管線距離長，線路翻山越嶺，高低起伏大，最大落差超過百米，原水管線除設置一些空氣閥，并未設置其他壓力防護及水錘消除設施，多年運行過程中常出現(xiàn)的情況有：①爆管頻繁發(fā)生，從2018年至2020年，累計爆管次數(shù)達16次。②管線距離長，線路偏遠，巡線檢修效率低，導致沿線排氣閥因吹堵無法正常工作，積氣嚴重，影響輸水效率及安全。
02
改造方案
2.1 問題分析
通過現(xiàn)場踏勘及瞬態(tài)分析軟件模擬不同取水工況下的水力波動，結果表明：整條原水管線由于多處空氣閥失效，管線無法正常進排氣，對于多起伏管線，停泵易出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，管路中大量存氣，在事故停泵過程中或再次啟動水泵時，由于管線中存在多處高點，管中易發(fā)生斷流彌合，有可能產(chǎn)生大的壓力升高，引發(fā)爆管事故。同時原水管材質也是影響因素之一，有多種原因會導致PCCP鋼絲受損或腐蝕，達到一定程度后就會出現(xiàn)斷裂，進而發(fā)生爆管事故。
水力模型分析軟件采用了由Deltares開發(fā)的主要用于管線的瞬態(tài)分析研究的WANDA軟件，該軟件可實現(xiàn)一體化水力分析和管道系統(tǒng)壓力優(yōu)化設計，通過水力建模及仿真分析可提供快速可靠的水管道系統(tǒng)的壓力分析。利用該軟件設定模擬工況為：兩臺小泵一臺大泵穩(wěn)定運行，突然斷電的停泵過渡過程計算水錘分析，設定計算工況水泵為：出口端設置有DN400多功能水泵控制閥（配小泵）和DN600液控止回閥（配大泵），設定止回閥為一階段零流速快關和二階段緩閉的關閥方式，2臺小泵后止回閥7s快關閥門面積的90%，緩閉時間為10s時，關閉剩余的10%，總關閥時間為17s。1臺大泵后止回閥7.5s快關閥門面積的90%，緩閉時間為10s時，關閉剩余的10%，總關閥時間為17.5s。
經(jīng)過分析，如圖1和圖2所示，正常高峰期兩臺小泵和一臺大泵（總取水量為4 600m³/h）突然失電停啟時，原水管線SS000FM處和SSJING803高點附近管段出現(xiàn)負壓，其中SS000FM處最大負壓為-10m H2O，低于飽和蒸汽壓，存在斷流彌合風險。郭家灘處位于管線最低點，壓力波動較大，最大壓力水錘增壓為穩(wěn)態(tài)壓力的1.4倍（該點正常工作壓力為65m H2O，增壓后達到91.8m H2O），接近PCCP管公稱壓力1.0MPa，同時，整條原水管線也缺少科學的水錘防護及減輕措施，管線的整體安全性較低。
圖1 仿真原水管線絕對水頭壓力包絡線（改造前）
圖2 仿真原水管線自由水頭壓力包絡線（改造前）
2.2 技術方案
2.2.1 優(yōu)化管道進排氣及水錘泄放設備
在長距離輸水管道上應合理的布置空氣閥，一方面可以削減管道中的負壓現(xiàn)象，防止管路中產(chǎn)生水柱分離及再彌合水錘；另一方面，空氣閥還使空管初次充水階段大量排氣、管道正常運行階段排除管內(nèi)少量空氣，是管道檢修或事故停泵階段大量補氣的必要設備，以確保進排氣過程平穩(wěn)，泄水通暢，減少系統(tǒng)的壓力波動。
2.2.2 新增管道水力監(jiān)控及平臺建設
在空氣閥位置安裝水錘監(jiān)測儀及壓力監(jiān)測儀，進行實時監(jiān)測。建立軟件平臺，并對供水管網(wǎng)進行3D建模，對水錘、壓力波動及空氣閥的動作實時監(jiān)測，對異常狀態(tài)報警、預防以及問題的溯源分析。
03
改造效果
項目技術改造于2021年6月完成。通過更換及新增等方式共安裝17個防水錘空氣閥、5個角型空氣閥、1個水擊泄放閥、3個流量計及配套水錘檢測智慧盒子和壓力表等。防水錘空氣閥采用DN200,1.0MPa,具有信號遠程功能，根據(jù)吸排氣量自動實現(xiàn)高速排氣、節(jié)流排氣、微量排氣、負壓吸氣等功能,節(jié)流塞起跳壓差：5～35 kPa，浮球耐壓5.2MPa。水擊泄放閥采用DN200,1.6MPa,超工作壓力20%開啟�？諝忾y設置如圖3所示。
圖3 防水錘空氣閥改造布置示意
數(shù)據(jù)平臺基于管道GIS信息平臺，收集壓力、流量及空氣閥動作等數(shù)據(jù)。共有壓力監(jiān)測站點8個，流量檢測站點3個，水錘監(jiān)測站點11個。
3.1 水力瞬態(tài)變化效果
根據(jù)改造后正常高峰期2臺小泵和1臺大泵突然失電停啟時的仿真分析，如圖4和圖5所示，管線全線水擊增壓波動范圍明顯減小，停泵時最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1. 1倍以內(nèi)。更換防水錘空氣閥后，在兩處局部高點有負壓，SS000FM處最大負壓為-2.2m，SSJING803處附近最大負壓為-5.5m H2O，未達到汽化壓力。
圖4 改造后仿真原水管線絕對水頭壓力包絡線
圖5 改造后仿真原水管線自由水頭壓力包絡線
通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，SS000FM點處負壓最大為-2.5m H2O，與該點仿真分析值相近；SSJING803點處最大負壓為-1.4m H2O，比理論值偏小，可能原因一：該點周邊空氣閥安裝相對較為密集，周邊空氣閥起到協(xié)助作用，可能原因二：該點附近管道存在漏點，導致負壓值得到控制�？傊ㄟ^改造，兩處負壓薄弱點均未達到氣化壓力，更換防水錘空氣閥后滿足一般原水管線安全運行要求。
3.2 管線壓力波動穩(wěn)定效果
統(tǒng)計分析2021年5月10至2021年12月31日時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)，各監(jiān)測點正常運行時的壓力波動如圖6所示。
圖6 部分監(jiān)測點穩(wěn)態(tài)壓力波動
由于管線最不利點為取水水庫壩頂，因此原水管線各檢測點壓力波動主要受取水量變化影響，通過日常運行時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，取水泵站正常運行時12個監(jiān)測點壓力在±5m H2O之間波動，通過改造，壓力波動小，也提高了管道的安全性。
3.3 智慧化平臺功能
平臺構建理念按照“整體設計、統(tǒng)一標準、資源整合、系統(tǒng)集成、共建共享、分級維護”等原則，采用B/S架構，構建管控“一張圖”，提升水務核心數(shù)據(jù)庫的利用率及操作的便捷性，實現(xiàn)對管網(wǎng)的壓力、流量等供水設施的一張圖再現(xiàn)，一體化全過程決策分析和實時監(jiān)管，實現(xiàn)以信息化帶動管理精細化，全面提升管理效能，如圖7所示�；竟δ馨ǎ簲�(shù)據(jù)的查詢功能、設備實時監(jiān)控功能、壓力異常報警功能。
圖7 壓力管控智慧化平臺界面
3.3.1 數(shù)據(jù)查詢功能
智慧化平臺基于管道GIS系統(tǒng)，包括設備型號、安裝定位、管道材質、埋深標高等靜態(tài)數(shù)據(jù)均可在平臺進行部位點擊查詢，可通過整體、局部等多種視角進行查看，便于工作人員第一時間掌握全局及細部信息。另外對于各檢測點的壓力、流量以及異常統(tǒng)計等，均可進行查詢。
3.3.2 設備實時監(jiān)測功能
當設備異常時，例如空氣閥微量排氣故障，其閥內(nèi)水位會逐漸下降，同時在有空氣存在的情況下，壓力波動會更急劇，因此系統(tǒng)捕捉數(shù)據(jù)后根據(jù)設定捕捉閾值進行判定，并在平臺界面上進行告警，便于及時查看和追蹤告警信息，可及時進行維修，保障安全運行，極大提高巡線檢修的效率，有針對性處理長距離管線上各種設備問題。
系統(tǒng)不僅能夠對空氣閥的吸排氣動作進行監(jiān)測，判斷空氣閥是否起作用，同時可以對空氣閥監(jiān)測點處的管道壓力進行監(jiān)測，捕捉對系統(tǒng)運行不利的壓力波動，幫助用戶了解系統(tǒng)的調度過程是否安全。
3.3.3 壓力異常報警功能
當監(jiān)測點壓力下降的速度和范圍超過正常壓力波動范圍并且符合爆管設定的規(guī)則時，系統(tǒng)判斷為疑似爆管或泄水事件，在判斷為爆管或泄水事件的瞬間，在平臺界面上彈出告警通知，及時通知平臺使用者，并在右下方設置告警列表，對歷史告警事件進行展并查詢。同時根據(jù)爆管時各壓力點的壓力變化進行識別，平臺自動識別出爆管發(fā)生在哪個點位附近，并將結果推送至平臺及使用者移動端。
圖8 爆管時附近監(jiān)測點壓力波動
2022年1月10日，郭家灘附近發(fā)生爆管事件，位于郭家灘大橋處的壓力監(jiān)測點反饋壓力異常，平臺自動識別疑為爆管，并發(fā)出爆管警報，并在平臺系統(tǒng)圖上監(jiān)測點位持續(xù)高亮閃爍，工作人員及時到現(xiàn)場進行排查，整個爆管事件的響應時間大大縮減，及時控制住了爆管事故。
通過爆管事件發(fā)生前檢測點壓力波動進行反推，根據(jù)高程換算，爆管點穩(wěn)態(tài)運行壓力為79m H2O左右，爆管前壓力波峰值為86.9m H2O，而該段管材承壓能力為1.0MPa，基本可排除壓力過高造成爆管事故可能性，考慮管材質量及人為可能為爆管主要原因。
04
結論
通過對原水管線進行壓力管控硬件設施改造及智慧化平臺建設，加強了管線輸水壓力的穩(wěn)定性及管控能力，智慧化平臺具有的的查詢功能、設備實時監(jiān)控功能、壓力異常報警功能，可有效提高管理效能，實現(xiàn)實時診斷，及時發(fā)現(xiàn)問題，并針對性提出解決方案，提高輸水安全性。
（1）通過改造，管線全線壓力波動平穩(wěn)，停泵時最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1.1倍以內(nèi)，滿足相關規(guī)范安全運行的要求。實際監(jiān)測中，局部高點處負壓也控制在合理范圍內(nèi)，未低至氣化壓力，有效降低了彌合水錘發(fā)生的風險。
（2）通過平臺在線監(jiān)測，可實現(xiàn)壓力異常預警及反饋，對于爆管等突發(fā)情況可及時進行定位，有效解決丘陵地帶中長距離管線漏點發(fā)現(xiàn)時間滯后的問題，同時為事后溯源，提供有力依據(jù)。
（3）設備故障診斷功能，極大提高巡線檢修的效率，有針對性處理中長距離管線上各種設備問題，保障輸水系統(tǒng)安全運行。
