基于水力模型的节能降耗分析与应用实践

杨浩俊 侯金霞 刘蕴哲 孙莹莹

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海三高计算机中心股份有限公司，上海，200082）

1.前言

长期以来，漏损管理方面存在一些难点，一方面，缺乏高效的漏损监测手段和方法，如靠人力扫地毯式进行夜间探测，导致无法及时发现漏损；另一方面，对漏损情况无法做到精准掌握，在漏损治理的过程中，治理效果往往无法准确评估、漏损治理的投入及产出比更是无从考核。

1.1 船厂概况

船厂供水为市政管网进水后通过园区二次增压泵站增压后供水，用水类型主要为员工生活用水，所以用水规律和员工作息相关性非常大，白天员工上班期间用水量大，夜间基本为保障门卫和值班零星用水。船厂沿江建设，岸边地质较为松软且地下水水位高，容易因地面沉降产生管道破损，发生漏损不容易发现，造成现状产销差和漏损比较大；同时，船厂供水管道为塑料管道，埋深达4～5米；这些都为厂区的漏损管理带来了较大困难，缺乏有效的手段和方法消减漏损。

图1 测点布置图

为了更好的监测用水规律和压力变化情况，首先对建筑用水计量水表做了改造，对典型和大用水单位做了流量计量实时监测，同时布设了相应的压力监测点。

1.2 产销差情况

3～7月份用水量占比数据如图2所示，其中4月份船坞进水量比较大，使工业用水比例增加。综合来看，主要为生活用水，平均占比36%，工业用水占比比较少，平均占比8%，平均产销差达56%，产销差相当惊人。需要说明的是，产销差水量不一定全部是漏损水量[1]，通过曲线和模拟分析，发现系统中存在一定未知实际使用的水量，后续分析时将产销差水量分离成漏失量和其他水量，本文主要研究内容是节能降耗，其他水量分析和定位暂不做详细讲述。

图2 月度总用水量用水占比

1.3 模型应用现状

管网水力模型在城市供水行业应用较为广泛，其中很重要的应用为厂站出厂压力优化，进而实现节能降耗；目前，船厂供水系统内还没有很好的引入使用，借由此课题引入供水管网模型，通过管网模型建设和校核，进行管网最优服务压力分析和漏损降低水平分析[2]。

2.基础原理

供水管网的能耗、漏损与管网压力相关[4]，合适的压力有助于保持管网的良好运行状态，不容易产生突发爆管和漏损，也能减少因为提升、处理等产生的能量和水资源浪费。优化到合适的服务压力，可以降压节能；同时，漏损和压力相关度最大，服务压力的降低，将会使漏损降低，节约优质的水资源；而管网也存在较大漏损，及时发现和修复漏损很重要。

目前，国际上通用的供水压力与漏失量的关系模型[3]为：Qj=k（P）N

Qj为漏失流量，k为漏失系数，P为节点自由水压，不同材料的管道、漏点的不同，k、N值是不同的。

本课题中，园区夜间（22：00至次日6：00）只有保安值班人员零星生活用水，无其他用水，所以夜间流量最接近漏失水量，结合夜间漏失水量（取实测夜间最小流量）和压力数据，不断实验k、N值，拟合管网压力和漏失量的关系，将全天时段的漏失量从漏损水量中分离出来。压力、流量和漏损水量曲线如下：

图3 压力和漏损水量曲线

3.供水模型构建与压力优化

船厂供水为市政自来水引入后、存储并二次加压。通过模型模拟分析，模拟管网所需最适压力。

3.1 模型构建

模型建设所需数据包括静态数据和动态数据。静态数据包括管网拓扑数据、阀门状态、计量分区、监测点仪表标高、地图数据等信息，该部分数据作为拓扑和属性导入或录入模型系统中；动态数据包括需水量数据、监测运行信息及相关报表信息，该部分数据作为模型的控制数据或用于模型的校核。通过收集管网拓扑导入模型，供水区域虽然不大，但是园区建设时间较久，有些已经做了改造，与收集到的资料不符，经过现场走访、调研及阀门操作，摸清了管网的拓扑和供水联通关系。监测数据覆盖比较全面，导入模型中作为校验和计算数据，经过对其他水量和漏失水量的定位和校核，最终建成的模型精度极高，压力监测点的误差在0.2米以内，这为压力优化和漏损定位提供了很好的支撑。模型情况如下：

图4 管网模型图

3.2 服务压力确定

现有管网压力分为高峰（6：00～22：00）和低峰（22：00～次日 6：00）， 为了降低漏损，园区将原本全天同一出厂压力（200～220kPa），进行了分段压力供水，将低峰用水期间大幅降压，保障夜间一楼保安和值班用水，压力降低至（90～100kPa）。通过调研建筑楼层和供水方式（部分楼宇有屋顶水箱），分析最不利点为消防楼，其高峰期间所需供水服务压力为140～160kPa，通过模型模拟分析，白天以此为基准进行降压分析，低峰维持当前压力90kPa不变。

图5 出厂压力

3.3 运行压力优化

因为监测累计时间较长，数据样本比较多，但整体趋势和原理一致，故选择具有典型工况的4月份，该月份船厂主要分为两种用水模式：船坞不进水时（4月1日～22日）模式，船坞进水时（4月23～30日，船坞用水量较大）。根据两种情况分析总表流量及压力的关系可得：

在船坞不进水时，船厂上午6点之前压力一般为90kPa，6点之后升压至220kPa左右以满足生产生活所需，22点后降压至90kPa。而通过流量图表可知用水量从20点就开始逐渐降低，而压力220kPa一直持续到晚上22点；因此，在晚上20点或21点过后可以开始降低压力，以节约能量。

船坞进水时，为保障船坞用水，全天总表压力维持至220kPa左右，而此时船坞的用水量在20点后也未见降低，压力维持原样，不进行压力调整。船坞进水和不进水时压力和流量图如下：

图6 船坞各时段压力和流量

3.4 基于大数据和模型的管网漏失分析

通过系统的对漏损水量的分析，管道中可能存在较大的漏失水量，不断改变K、N值使漏失水量接近夜间最小流量的值。清明节期间全厂放假，实际用水最小，此时管网漏损水量尤其是夜间最小流量最接近漏失量，取该时间段进行分析拟合，使漏失水量和夜间最小流量最接近，得出指数k=14.5、N=0.5，然后使用该公式进行了漏失量和压力关系拟合，部分天数的曲线见下图：

图7 漏损和漏失水量曲线

该公式拟合良好，说明该园区有较大且达到明漏漏量的漏点。此时，根据拟合公式，将漏失量和漏损量进一步分离成漏失量和其他水。

图8 漏损和其他水量占比

通过分析数据，建立船厂给水管网模型，定位漏失点，控制漏失，降低水电的浪费和损耗。

4.基于模型的节能案例分析

船厂的用水量变化规律直接关系到供水系统的配置以及运行方案的选择，而供水系统的配置和运行方案的选择直接关系到建筑能耗的大小[5]。由于本厂区与其他厂区共用二次供水泵站，因此供水设备和方案的选择没有再做具体分析，供水所需扬程和水量处于理论分析阶段，具体需要结合整个厂区进行综合分析确定选型。

电能的大小受到输水量、供水高差以及水压损失等影响，合适的降压即是节能；给水系统关系到用水量的多少，因此减少船厂的用水量是降低船厂水方面能耗的重要途径。又由于船厂漏损严重，通过减少管网漏损来降低船厂每日用水量，达到节水节能降耗的目的。此外给水系统的压力传输也需消耗能量，通过降低压力，可以达到降低能耗的目的。

因此，本船厂节能主要分为两个途径：减少管网漏失降低能耗、通过压力管理降低管网压力与用水量下降降低能耗，下面对两种途径能节约的能量进行大致估算以了解节能的具体情况。

通过优化后，高峰时间段为：6点～20点，低峰时间段为20点～次日6点。根据上海市现行电费0.7元/kW·h电计算电耗，水费因为船厂用水类型为工业用水，每吨5元。

以4月为例，船坞每月不进水天数为25天，取4月份日漏失平均值1308立方米作为基础计算值。

4.1 节能分析

压力从220kPa降低至160kPa，每日用水量为3789.1立方米，水泵效率取55%。

根据公式W=mgh/η，得出每日降压后可节省能量：

W=1.97×108J=54.70kW ·h

取4月份日漏失平均值作为基础计算值，根据已经发现的两处漏点，船厂管网高峰所需压力约为160kPa，低峰90kPa，水泵效率取55%。

根据公式W=mgh/η，得出降压后漏失减少而节省的提升所需能量：

W=3.05×108J =84.72kW ·h

表1 船厂每年节约能源一览表

说明：因管理归属权限受限，未收集到泵房的用电能耗信息，文中能耗为计算值。不过，仍有很好的参考意义，为其他厂区的节能降耗带来很好的方向指导。

4.2 降低漏失分析

船厂通过降低漏失节约的能源如下表所示：

表2 船厂每年节约能源一览表

综上，通过降低管网压力，船厂每年大概可避免2万度电的浪费，每年可大概节约1.4万元的电费支出；同时，节约86233.2m³水，43.1万元的水费支出，合计节约44.5万元的费用。通过降低管网漏失，船厂每年大概可避免50万吨水以及3万度电的浪费，每年可大概节约240.9万的水费、电费支出费用。合计为船厂节约285.4万水、电费的支出，经济效益显著。

5.总结

通过模型建设和分析，有效的改善了管网的压力，降低不必要的能源消耗，提高了管网管理水平；同时，结合夜间最小流量和模型模拟分析，定位漏损，实现了实现节能减排、降本增效。通过以上分析和计算的结果估计，船厂每年大概可避免58.6万吨水以及5万度电的浪费，每年可大概节约285.4万的水电支出费用。

目前随着全球性水资源及其他能源危机的凸现，节水节能的重要价值已无需多言，希望本文的能耗节约分析和节约途径能为其他船厂乃至供水行业的节能降耗提供一种参考方式。