楊浩俊 侯金霞 劉蘊(yùn)哲 孫瑩瑩

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

1.前言

長(zhǎng)期以來(lái)，漏損管理方面存在一些難點(diǎn)，一方面，缺乏高效的漏損監(jiān)測(cè)手段和方法，如靠人力掃地毯式進(jìn)行夜間探測(cè)，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏損；另一方面，對(duì)漏損情況無(wú)法做到精準(zhǔn)掌握，在漏損治理的過(guò)程中，治理效果往往無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估、漏損治理的投入及產(chǎn)出比更是無(wú)從考核。

1.1 船廠(chǎng)概況

船廠(chǎng)供水為市政管網(wǎng)進(jìn)水后通過(guò)園區(qū)二次增壓泵站增壓后供水，用水類(lèi)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(mén)衛(wèi)和值班零星用水。船廠(chǎng)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(xiāo)差和漏損比較大；同時(shí)，船廠(chǎng)供水管道為塑料管道，埋深達(dá)4～5米；這些都為廠(chǎng)區(qū)的漏損管理帶來(lái)了較大困難，缺乏有效的手段和方法消減漏損。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

為了更好的監(jiān)測(cè)用水規(guī)律和壓力變化情況，首先對(duì)建筑用水計(jì)量水表做了改造，對(duì)典型和大用水單位做了流量計(jì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)布設(shè)了相應(yīng)的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.2 產(chǎn)銷(xiāo)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(jìn)水量比較大，使工業(yè)用水比例增加。綜合來(lái)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(xiāo)差達(dá)56%，產(chǎn)銷(xiāo)差相當(dāng)驚人。需要說(shuō)明的是，產(chǎn)銷(xiāo)差水量不一定全部是漏損水量[1]，通過(guò)曲線(xiàn)和模擬分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在一定未知實(shí)際使用的水量，后續(xù)分析時(shí)將產(chǎn)銷(xiāo)差水量分離成漏失量和其他水量，本文主要研究?jī)?nèi)容是節(jié)能降耗，其他水量分析和定位暫不做詳細(xì)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(chǎng)站出廠(chǎng)壓力優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗；目前，船廠(chǎng)供水系統(tǒng)內(nèi)還沒(méi)有很好的引入使用，借由此課題引入供水管網(wǎng)模型，通過(guò)管網(wǎng)模型建設(shè)和校核，進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)，不容易產(chǎn)生突發(fā)爆管和漏損，也能減少因?yàn)樘嵘?、處理等產(chǎn)生的能量和水資源浪費(fèi)。優(yōu)化到合適的服務(wù)壓力，可以降壓節(jié)能；同時(shí)，漏損和壓力相關(guān)度最大，服務(wù)壓力的降低，將會(huì)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(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)漏損很重要。

目前，國(guó)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(diǎn)自由水壓，不同材料的管道、漏點(diǎn)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(wú)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(shí)測(cè)夜間最小流量）和壓力數(shù)據(jù)，不斷實(shí)驗(yàn)k、N值，擬合管網(wǎng)壓力和漏失量的關(guān)系，將全天時(shí)段的漏失量從漏損水量中分離出來(lái)。壓力、流量和漏損水量曲線(xiàn)如下：

圖3 壓力和漏損水量曲線(xiàn)

3.供水模型構(gòu)建與壓力優(yōu)化

船廠(chǎng)供水為市政自來(lái)水引入后、存儲(chǔ)并二次加壓。通過(guò)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)、閥門(mén)狀態(tài)、計(jì)量分區(qū)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀表標(biāo)高、地圖數(shù)據(jù)等信息，該部分?jǐn)?shù)據(jù)作為拓?fù)浜蛯傩詫?dǎo)入或錄入模型系統(tǒng)中；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括需水量數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)運(yùn)行信息及相關(guān)報(bào)表信息，該部分?jǐn)?shù)據(jù)作為模型的控制數(shù)據(jù)或用于模型的校核。通過(guò)收集管網(wǎng)拓?fù)鋵?dǎo)入模型，供水區(qū)域雖然不大，但是園區(qū)建設(shè)時(shí)間較久，有些已經(jīng)做了改造，與收集到的資料不符，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)走訪(fǎng)、調(diào)研及閥門(mén)操作，摸清了管網(wǎng)的拓?fù)浜凸┧?lián)通關(guān)系。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋比較全面，導(dǎo)入模型中作為校驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)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(cè)點(diǎn)的誤差在0.2米以?xún)?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(chǎng)壓力（200～220kPa），進(jìn)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(guò)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(diǎn)為消防樓，其高峰期間所需供水服務(wù)壓力為140～160kPa，通過(guò)模型模擬分析，白天以此為基準(zhǔn)進(jìn)行降壓分析，低峰維持當(dāng)前壓力90kPa不變。

圖5 出廠(chǎng)壓力

3.3 運(yùn)行壓力優(yōu)化

因?yàn)楸O(jiān)測(cè)累計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)樣本比較多，但整體趨勢(shì)和原理一致，故選擇具有典型工況的4月份，該月份船廠(chǎng)主要分為兩種用水模式：船塢不進(jìn)水時(shí)（4月1日～22日）模式，船塢進(jìn)水時(shí)（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(jìn)水時(shí)，船廠(chǎng)上午6點(diǎn)之前壓力一般為90kPa，6點(diǎn)之后升壓至220kPa左右以滿(mǎn)足生產(chǎn)生活所需，22點(diǎn)后降壓至90kPa。而通過(guò)流量圖表可知用水量從20點(diǎn)就開(kāi)始逐漸降低，而壓力220kPa一直持續(xù)到晚上22點(diǎn)；因此，在晚上20點(diǎn)或21點(diǎn)過(guò)后可以開(kāi)始降低壓力，以節(jié)約能量。

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

圖6 船塢各時(shí)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(guò)系統(tǒng)的對(duì)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(chǎng)放假，實(shí)際用水最小，此時(shí)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(shí)間段進(jìn)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(jìn)行了漏失量和壓力關(guān)系擬合，部分天數(shù)的曲線(xiàn)見(jiàn)下圖：

圖7 漏損和漏失水量曲線(xiàn)

該公式擬合良好，說(shuō)明該園區(qū)有較大且達(dá)到明漏漏量的漏點(diǎn)。此時(shí)，根據(jù)擬合公式，將漏失量和漏損量進(jìn)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(guò)分析數(shù)據(jù)，建立船廠(chǎng)給水管網(wǎng)模型，定位漏失點(diǎn)，控制漏失，降低水電的浪費(fèi)和損耗。

4.基于模型的節(jié)能案例分析

船廠(chǎng)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(yùn)行方案的選擇，而供水系統(tǒng)的配置和運(yùn)行方案的選擇直接關(guān)系到建筑能耗的大小[5]。由于本廠(chǎng)區(qū)與其他廠(chǎng)區(qū)共用二次供水泵站，因此供水設(shè)備和方案的選擇沒(méi)有再做具體分析，供水所需揚(yáng)程和水量處于理論分析階段，具體需要結(jié)合整個(gè)廠(chǎng)區(qū)進(jìn)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(chǎng)的用水量是降低船廠(chǎng)水方面能耗的重要途徑。又由于船廠(chǎng)漏損嚴(yán)重，通過(guò)減少管網(wǎng)漏損來(lái)降低船廠(chǎng)每日用水量，達(dá)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(guò)降低壓力，可以達(dá)到降低能耗的目的。

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

通過(guò)優(yōu)化后，高峰時(shí)間段為：6點(diǎn)～20點(diǎn)，低峰時(shí)間段為20點(diǎn)～次日6點(diǎn)。根據(jù)上海市現(xiàn)行電費(fèi)0.7元/kW·h電計(jì)算電耗，水費(fèi)因?yàn)榇瑥S(chǎng)用水類(lèi)型為工業(yè)用水，每噸5元。

以4月為例，船塢每月不進(jìn)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(jì)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(jì)算值，根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的兩處漏點(diǎn)，船廠(chǎng)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(chǎng)每年節(jié)約能源一覽表

說(shuō)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(jì)算值。不過(guò)，仍有很好的參考意義，為其他廠(chǎng)區(qū)的節(jié)能降耗帶來(lái)很好的方向指導(dǎo)。

4.2 降低漏失分析

船廠(chǎng)通過(guò)降低漏失節(jié)約的能源如下表所示：

表2 船廠(chǎng)每年節(jié)約能源一覽表

綜上，通過(guò)降低管網(wǎng)壓力，船廠(chǎng)每年大概可避免2萬(wàn)度電的浪費(fèi)，每年可大概節(jié)約1.4萬(wàn)元的電費(fèi)支出；同時(shí)，節(jié)約86233.2m3水，43.1萬(wàn)元的水費(fèi)支出，合計(jì)節(jié)約44.5萬(wàn)元的費(fèi)用。通過(guò)降低管網(wǎng)漏失，船廠(chǎng)每年大概可避免50萬(wàn)噸水以及3萬(wàn)度電的浪費(fèi)，每年可大概節(jié)約240.9萬(wàn)的水費(fèi)、電費(fèi)支出費(fèi)用。合計(jì)為船廠(chǎng)節(jié)約285.4萬(wàn)水、電費(fèi)的支出，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.總結(jié)

通過(guò)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(shí)，結(jié)合夜間最小流量和模型模擬分析，定位漏損，實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效。通過(guò)以上分析和計(jì)算的結(jié)果估計(jì)，船廠(chǎng)每年大概可避免58.6萬(wàn)噸水以及5萬(wàn)度電的浪費(fèi)，每年可大概節(jié)約285.4萬(wàn)的水電支出費(fèi)用。

目前隨著全球性水資源及其他能源危機(jī)的凸現(xiàn)，節(jié)水節(jié)能的重要價(jià)值已無(wú)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(chǎng)乃至供水行業(yè)的節(jié)能降耗提供一種參考方式。