實例：中長距離輸水管線壓力管控智慧化改造。 給水排水 16 小時前 2人認為好看 國內案例 早報 供水管網管理 摘要:為提高中長距離輸水管線的安全穩定性，對修水縣第三水廠22.6 km原水管線進

中長距離輸水管線發生水錘時，管道內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。安裝常規的水錘消除及排氣等裝置可在理想狀態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，且缺少實時監測數據，也無法預警及溯源。隨著人工智能/信息化數字技術的蓬勃發展，基數智慧化手段對長距離管線進行監控及溯源，對管線的安全運行起到了很大的作用，進一步降低了風險。

項目位于修水縣第三水廠取水及原水管，水廠設計規模為10萬m³/d，現狀一期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個鄉鎮3.2萬m³/d的原水輸水任務。根據2021年東津水庫取水泵房取水量數據報表，最高日取水量達9.5萬m³/d。

表1 水泵參數及數量

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的情況有：①爆管頻繁發生，從2018年至2020年，累計爆管次數達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。

2.1 問題分析

通過現場踏勘及瞬態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，停泵易出現水柱分離現象，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，管中易發生斷流彌合，有可能產生大的壓力升高，引發爆管事故。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斷裂，進而發生爆管事故。

水力模型分析軟件采用了由Deltares開發的主要用于管線的瞬態分析研究的WANDA軟件，該軟件可實現一體化水力分析和管道系統壓力優化設計，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態壓力的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象，防止管路中產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，泄水通暢，減少系統的壓力波動。

2.2.2 新增管道水力監控及平臺建設

在空氣閥位置安裝水錘監測儀及壓力監測儀，進行實時監測。建立軟件平臺，并對供水管網進行3D建模，對水錘、壓力波動及空氣閥的動作實時監測，對異常狀態報警、預防以及問題的溯源分析。

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，根據吸排氣量自動實現高速排氣、節流排氣、微量排氣、負壓吸氣等功能,節流塞起跳壓差：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。空氣閥設置如圖3所示。

圖3 防水錘空氣閥改造布置示意

數據平臺基于管道GIS信息平臺，收集壓力、流量及空氣閥動作等數據。共有壓力監測站點8個，流量檢測站點3個，水錘監測站點11個。

3.1 水力瞬態變化效果

根據改造后正常高峰期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態壓力的1. 1倍以內。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

通過實際監測數據，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。總之通過改造，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 管線壓力波動穩定效果

統計分析2021年5月10至2021年12月31日時間段監測數據，各監測點正常運行時的壓力波動如圖6所示。

圖6 部分監測點穩態壓力波動

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測數據，取水泵站正常運行時12個監測點壓力在±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、統一標準、資源整合、系統集成、共建共享、分級維護”等原則，采用B/S架構，構建管控“一張圖”，提升水務核心數據庫的利用率及操作的便捷性，實現對管網的壓力、流量等供水設施的一張圖再現，一體化全過程決策分析和實時監管，實現以信息化帶動管理精細化，全面提升管理效能，如圖7所示。基本功能包括：數據的查詢功能、設備實時監控功能、壓力異常報警功能。

圖7 壓力管控智慧化平臺界面

3.3.1 數據查詢功能

智慧化平臺基于管道GIS系統，包括設備型號、安裝定位、管道材質、埋深標高等靜態數據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、流量以及異常統計等，均可進行查詢。

3.3.2 設備實時監測功能

當設備異常時，例如空氣閥微量排氣故障，其閥內水位會逐漸下降，同時在有空氣存在的情況下，壓力波動會更急劇，因此系統捕捉數據后根據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。

系統不僅能夠對空氣閥的吸排氣動作進行監測，判斷空氣閥是否起作用，同時可以對空氣閥監測點處的管道壓力進行監測，捕捉對系統運行不利的壓力波動，幫助用戶了解系統的調度過程是否安全。

3.3.3 壓力異常報警功能

當監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則時，系統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 爆管時附近監測點壓力波動

2022年1月10日，郭家灘附近發生爆管事件，位于郭家灘大橋處的壓力監測點反饋壓力異常，平臺自動識別疑為爆管，并發出爆管警報，并在平臺系統圖上監測點位持續高亮閃爍，工作人員及時到現場進行排查，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。

通過爆管事件發生前檢測點壓力波動進行反推，根據高程換算，爆管點穩態運行壓力為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。

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、設備實時監控功能、壓力異常報警功能，可有效提高管理效能，實現實時診斷，及時發現問題，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，停泵時最大水擊增壓波為穩態壓力的1.1倍以內，滿足相關規范安全運行的要求。實際監測中，局部高點處負壓也控制在合理范圍內，未低至氣化壓力，有效降低了彌合水錘發生的風險。

（2）通過平臺在線監測，可實現壓力異常預警及反饋，對于爆管等突發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現時間滯后的問題，同時為事后溯源，提供有力依據。

（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，保障輸水系統安全運行。