实例：中长距离输水管线压力管控智慧化改造
导 读：为提高中长距离输水管线的安全稳定性，对修水县第三水厂22.6 km原水管线进行技术改造，改造分为管线安全设施改造与压力管控平台搭建两部分。通过改造，管线压力稳定性得以进一步提升，突然失电停泵时最大水击增压波为稳态压力的1.1倍以内，局部高点处负压也控制在合理范围内，有效降低了弥合水锤发生的风险，满足安全运行的要求。同时平台可实现压力预警反馈、爆管定位溯源、设备故障诊断等功能，有效提升管线安全运行能力及管理能效。
引用本文：李都望,黄有文,邓慧萍，等. 中长距离输水管线压力管控智慧化改造实践与分析［J］. 给水排水，2023，49（3）：116-120.
中长距离输水管线发生水锤时，管道内局部压力可达到正常工作压力的几十倍，甚至更高，具有极大的破坏性，往往造成漏水、停水，淹没附近建构筑物，甚至引起更为严重的灾害及损失。安装常规的水锤消除及排气等装置可在理想状态下对管线起到一定保护作用，但实际应用中爆管问题依然频发，且缺少实时监测数据，也无法预警及溯源。随着人工智能/信息化数字技术的蓬勃发展，基数智慧化手段对长距离管线进行监控及溯源，对管线的安全运行起到了很大的作用，进一步降低了风险。
01、 项目概况
项目位于修水县第三水厂取水及原水管，水厂设计规模为10万m³/d，现状一期5万m³/d。水源为东津水库，采用浮船取水，取水泵参数如表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，糙率为130，空气阀安装情况见表2所示，该原水管还兼顾了沿线3个乡镇3.2万m³/d的原水输水任务。根据2021年东津水库取水泵房取水量数据报表，最高日取水量达9.5万m³/d。
表1 水泵参数及数量
表2 原水管及空气阀安装位置
在丘陵地带，由于管线地形起伏和局部高点的存在，在停泵过渡过程中管线局部会产生液体汽化或水柱分离，从而引起一系列急剧的压力交替升降，对管线的正常运行造成危害。修水原水管图1为修水三水厂原水管线高程，该项目管线距离长，线路翻山越岭，高低起伏大，最大落差超过百米，原水管线除设置一些空气阀，并未设置其他压力防护及水锤消除设施，多年运行过程中常出现的情况有：①爆管频繁发生，从2018年至2020年，累计爆管次数达16次。②管线距离长，线路偏远，巡线检修效率低，导致沿线排气阀因吹堵无法正常工作，积气严重，影响输水效率及安全。
02 改造方案
2.1 问题分析
通过现场踏勘及瞬态分析软件模拟不同取水工况下的水力波动，结果表明：整条原水管线由于多处空气阀失效，管线无法正常进排气，对于多起伏管线，停泵易出现水柱分离现象，管路中大量存气，在事故停泵过程中或再次启动水泵时，由于管线中存在多处高点，管中易发生断流弥合，有可能产生大的压力升高，引发爆管事故。同时原水管材质也是影响因素之一，有多种原因会导致PCCP钢丝受损或腐蚀，达到一定程度后就会出现断裂，进而发生爆管事故。
水力模型分析软件采用了由Deltares开发的主要用于管线的瞬态分析研究的WANDA软件，该软件可实现一体化水力分析和管道系统压力优化设计，通过水力建模及仿真分析可提供快速可靠的水管道系统的压力分析。利用该软件设定模拟工况为：两台小泵一台大泵稳定运行，突然断电的停泵过渡过程计算水锤分析，设定计算工况水泵为：出口端设置有DN400多功能水泵控制阀（配小泵）和DN600液控止回阀（配大泵），设定止回阀为一阶段零流速快关和二阶段缓闭的关阀方式，2台小泵后止回阀7s快关阀门面积的90%，缓闭时间为10s时，关闭剩余的10%，总关阀时间为17s。1台大泵后止回阀7.5s快关阀门面积的90%，缓闭时间为10s时，关闭剩余的10%，总关阀时间为17.5s。
经过分析，如图1和图2所示，正常高峰期两台小泵和一台大泵（总取水量为4 600m³/h）突然失电停启时，原水管线SS000FM处和SSJING803高点附近管段出现负压，其中SS000FM处最大负压为-10m H2O，低于饱和蒸汽压，存在断流弥合风险。郭家滩处位于管线最低点，压力波动较大，最大压力水锤增压为稳态压力的1.4倍（该点正常工作压力为65m H2O，增压后达到91.8m H2O），接近PCCP管公称压力1.0MPa，同时，整条原水管线也缺少科学的水锤防护及减轻措施，管线的整体安全性较低。
图1 仿真原水管线绝对水头压力包络线（改造前）
图2 仿真原水管线自由水头压力包络线（改造前）
2.2 技术方案
2.2.1 优化管道进排气及水锤泄放设备
在长距离输水管道上应合理的布置空气阀，一方面可以削减管道中的负压现象，防止管路中产生水柱分离及再弥合水锤；另一方面，空气阀还使空管初次充水阶段大量排气、管道正常运行阶段排除管内少量空气，是管道检修或事故停泵阶段大量补气的必要设备，以确保进排气过程平稳，泄水通畅，减少系统的压力波动。
2.2.2 新增管道水力监控及平台建设
在空气阀位置安装水锤监测仪及压力监测仪，进行实时监测。建立软件平台，并对供水管网进行3D建模，对水锤、压力波动及空气阀的动作实时监测，对异常状态报警、预防以及问题的溯源分析。
03、 改造效果
项目技术改造于2021年6月完成。通过更换及新增等方式共安装17个防水锤空气阀、5个角型空气阀、1个水击泄放阀、3个流量计及配套水锤检测智慧盒子和压力表等。防水锤空气阀采用DN200,1.0MPa,具有信号远程功能，根据吸排气量自动实现高速排气、节流排气、微量排气、负压吸气等功能,节流塞起跳压差：5～35 kPa，浮球耐压5.2MPa。水击泄放阀采用DN200,1.6MPa,超工作压力20%开启。空气阀设置如图3所示。
图3 防水锤空气阀改造布置示意
数据平台基于管道GIS信息平台，收集压力、流量及空气阀动作等数据。共有压力监测站点8个，流量检测站点3个，水锤监测站点11个。
3.1 水力瞬态变化效果
根据改造后正常高峰期2台小泵和1台大泵突然失电停启时的仿真分析，如图4和图5所示，管线全线水击增压波动范围明显减小，停泵时最大水击增压波为稳态压力的1. 1倍以内。更换防水锤空气阀后，在两处局部高点有负压，SS000FM处最大负压为-2.2m，SSJING803处附近最大负压为-5.5m H2O，未达到汽化压力。
图4 改造后仿真原水管线绝对水头压力包络线
图5 改造后仿真原水管线自由水头压力包络线
通过实际监测数据，SS000FM点处负压最大为-2.5m H2O，与该点仿真分析值相近；SSJING803点处最大负压为-1.4m H2O，比理论值偏小，可能原因一：该点周边空气阀安装相对较为密集，周边空气阀起到协助作用，可能原因二：该点附近管道存在漏点，导致负压值得到控制。总之通过改造，两处负压薄弱点均未达到气化压力，更换防水锤空气阀后满足一般原水管线安全运行要求。
3.2 管线压力波动稳定效果
统计分析2021年5月10至2021年12月31日时间段监测数据，各监测点正常运行时的压力波动如图6所示。
图6 部分监测点稳态压力波动
由于管线最不利点为取水水库坝顶，因此原水管线各检测点压力波动主要受取水量变化影响，通过日常运行时的监测数据，取水泵站正常运行时12个监测点压力在±5m H2O之间波动，通过改造，压力波动小，也提高了管道的安全性。
3.3 智慧化平台功能
平台构建理念按照“整体设计、统一标准、资源整合、系统集成、共建共享、分级维护”等原则，采用B/S架构，构建管控“一张图”，提升水务核心数据库的利用率及操作的便捷性，实现对管网的压力、流量等供水设施的一张图再现，一体化全过程决策分析和实时监管，实现以信息化带动管理精细化，全面提升管理效能，如图7所示。基本功能包括：数据的查询功能、设备实时监控功能、压力异常报警功能。
图7 压力管控智慧化平台界面
3.3.1 数据查询功能
智慧化平台基于管道GIS系统，包括设备型号、安装定位、管道材质、埋深标高等静态数据均可在平台进行部位点击查询，可通过整体、局部等多种视角进行查看，便于工作人员第一时间掌握全局及细部信息。另外对于各检测点的压力、流量以及异常统计等，均可进行查询。
3.3.2 设备实时监测功能
当设备异常时，例如空气阀微量排气故障，其阀内水位会逐渐下降，同时在有空气存在的情况下，压力波动会更急剧，因此系统捕捉数据后根据设定捕捉阈值进行判定，并在平台界面上进行告警，便于及时查看和追踪告警信息，可及时进行维修，保障安全运行，极大提高巡线检修的效率，有针对性处理长距离管线上各种设备问题。
系统不仅能够对空气阀的吸排气动作进行监测，判断空气阀是否起作用，同时可以对空气阀监测点处的管道压力进行监测，捕捉对系统运行不利的压力波动，帮助用户了解系统的调度过程是否安全。
3.3.3 压力异常报警功能
当监测点压力下降的速度和范围超过正常压力波动范围并且符合爆管设定的规则时，系统判断为疑似爆管或泄水事件，在判断为爆管或泄水事件的瞬间，在平台界面上弹出告警通知，及时通知平台使用者，并在右下方设置告警列表，对历史告警事件进行展并查询。同时根据爆管时各压力点的压力变化进行识别，平台自动识别出爆管发生在哪个点位附近，并将结果推送至平台及使用者移动端。
图8 爆管时附近监测点压力波动
2022年1月10日，郭家滩附近发生爆管事件，位于郭家滩大桥处的压力监测点反馈压力异常，平台自动识别疑为爆管，并发出爆管警报，并在平台系统图上监测点位持续高亮闪烁，工作人员及时到现场进行排查，整个爆管事件的响应时间大大缩减，及时控制住了爆管事故。
通过爆管事件发生前检测点压力波动进行反推，根据高程换算，爆管点稳态运行压力为79m H2O左右，爆管前压力波峰值为86.9m H2O，而该段管材承压能力为1.0MPa，基本可排除压力过高造成爆管事故可能性，考虑管材质量及人为可能为爆管主要原因。
04 结论
通过对原水管线进行压力管控硬件设施改造及智慧化平台建设，加强了管线输水压力的稳定性及管控能力，智慧化平台具有的的查询功能、设备实时监控功能、压力异常报警功能，可有效提高管理效能，实现实时诊断，及时发现问题，并针对性提出解决方案，提高输水安全性。
（1）通过改造，管线全线压力波动平稳，停泵时最大水击增压波为稳态压力的1.1倍以内，满足相关规范安全运行的要求。实际监测中，局部高点处负压也控制在合理范围内，未低至气化压力，有效降低了弥合水锤发生的风险。
（2）通过平台在线监测，可实现压力异常预警及反馈，对于爆管等突发情况可及时进行定位，有效解决丘陵地带中长距离管线漏点发现时间滞后的问题，同时为事后溯源，提供有力依据。
（3）设备故障诊断功能，极大提高巡线检修的效率，有针对性处理中长距离管线上各种设备问题，保障输水系统安全运行。
