压力控制策略减少水管网爆裂和漏损
压力控制策略减少水管网爆裂和漏损
加拿大哈利法克斯供水委员会运营三个大型供水系统。这三个系统由1500千米输送与分配主干管组成，为35万人服务。自2000年采用国际水协会（IWA）水量损失方法以来，哈利法克斯供水委员会成功地将45个压力区改造成70 个计量区域（DMA），其中包含大约110个压力控制和计量室。自采用这种方法以来，其供水系统漏损指数（ILI）从9.0 下降到2.5，这表示管网漏损量从168MLD减少到128MLD。作为水资源研究基金会（WRF）项目的一部分，哈利法克斯供水委员会利用流量调节来控制Dartmouth Central DMA的压力，使压力管理超越了传统方法。
为何要进行压力管理？
压力管理是IWA推行的用于控制水量损失的四种策略之一。通过降低压力，可以减少主动泄漏和背景渗漏导致的爆裂和流速。然而，并非所有供水企业都充分发挥了这种策略的潜力。供水企业通常受客户期望与服务标准的限制。因此，必须认真控制压力，以便达到可接受的服务级别和消防能力。
从历史上看，供水企业一直依赖于减压阀来将下游压力保持在固定水平。但是当压力在低流量下悄悄增加时，这种方法就存在缺陷，尤其是在夜间。因此必须找到更好的方法。
2005年，Dartmouth Central被作为WRF项目2928漏损管理技术的一部分进行研究。作为哈利法克斯供水委员会的70个DMA之一，DartmouthCentral 是一个级DMA，在高压区有两个进水口，在低压区有三个出水口。该DMA拥有59千米主管，3100个检修接头和243个消防栓。平均区域压力为80psi。
该区域通过MicMac和Leaman减压阀（PRV）室（见图1）进水。作为研究项目的一部分，PRV室配置用于流量调节的压力控制，以测试适用性。流量调节的压力控制是指根据流量变化来调节压力。在某些系统中，当夜间流量减小时，系统压力会增加，导致主水管爆裂。通过流量调节的压力控制，可以在流量减少时降低压力，因此可以避免由于系统压力攀升而导致的主水管爆裂和背景渗漏。
在DMA内执行连续试验，以演示压力控制的优势。试验包括不进行压力控制的方案、进行固定压力控制的方案以及进行流量调节的压力控制的方案。三个晚上的最低流量分别为103、79和70 m3/小时，这说明流量调节的压力控制可以减少背景渗漏（见图2）。该项目还证实，流量调节的压力控制对能耗几乎没有影响。换句话说，最小夜间流减少是背景渗漏减少的结果。研究还根据无收益水的边际成本，分析了减少背景渗漏带来的经济效益。
高级压力管理
根据研究结果，哈利法克斯供水委员会全体员工决定在Dartmouth Central 部署高级压力管理或流量调节的压力控制，将其作为永久试点项目。这个项目还需要进行试验以检验其他DMA的全面运行。但是哈利法克斯供水委员会对于该部署在减少Dartmouth Central爆裂和背景渗漏毫方面的有效性非常有信心。
与很多其他机构一样，哈利法克斯供水委员会部署高级压力管理的能力受到地形和配水系统随时间的发展方式的限制。哈利法克斯供水委员会的系统分布在一系列级联区域，这些区域具有独一无二的流水压力线，通过减压装置从水源到海平面逐渐下降。此外，由于哈利法克斯的高峰系数较低，且所有管道均设计用于消防给水，因此流水压力线在各个压力区之间基本平缓。哈利法克斯供水委员会的标准是在非消防给水条件下，最低和最高压力分别为40psi 和100psi。相应地，哈利法克斯的大部分压力区域在区域最高海拔的最低压力为40psi，在最低海拔的最高压力为100psi，这与服务标准相一致。因此，无需根据流量变化削减过剩压力。
尽管有一个选项可以降低压力的服务标准，但哈利法克斯供水委员会出于客户服务的原因，并未选择这样做。与很多北美工厂一样，哈利法克斯供水委员会的客户对压力非常敏感，并且深信压力越大越好。对于不希望压力降低的客户群来说，任何改变都必须使客户无法察觉。
因此，哈利法克斯供水委员会决定在流量较低时，尤其是在夜间降低压力，并在维持消防给水流量的前提下将压力降低到最低服务标准以下。另外，降低压力的区域必须是居民或商业客户，而不是在夜间耗水量仍然很大或依赖于设定工作压力的工业或机构客户。Dartmouth Central区域符合这一条件，因此在达到预定的低流速时，将压力降低了11psi。压力降低是在流量降低时进行的，经过校正，压力降低通常在晚上11点和子夜之间开始，并且会在早上6点之前恢复正常压力。
系统以这种方式运行了大约一年的时间，基本成功实现了预期目标。在Dartmouth Central进行高级压力控制的这一年时间内，爆裂和泄漏减少了50%，夜间最低流量从79 m3/小时降低至70 m3/小时。有关夜间压力降低的客户投诉非常少。而对于投诉的客户，当他们了解到委员会这样做的原因之后，大部分都愿意接受这一变化。
解决控制问题
Dartmouth Central DMA是哈利法克斯供水委员会大多数DMA中比较典型的，大部分DMA均通过PRV站供水。PRV站为输送主管或流水压力线较高的区域供水。其中大部分都并非死端区域，但会进一步级联以便为另一个流水压力线较低的区域供水。为一些区域提供多个供水源有多种原因，包括供水冗余安全、维持消防给水流量的需要和水质。
在为期12 个月的试行期内，从两个水源为区域持续供水并不容易。为了应对增加的需求，其中一个供给室（Leaman）通过在流经流量增加时提高系统压力。第二个供给室（MicMac）会感测到系统压力增加，并相应地减少流量，这会被PRV控制器解释为需求减少。第二个供给室降低系统压力，以响应收到的需求减少信号，从而形成一个周期，最终实现第二个供给室或滞后供给室的完全封闭。
试行期间对多种控制设置进行了试验，但一个供给室最终会超越另一个。另外还尝试了在MicMac供给室对PRV控制器进行编程使其在基于时间的调节下运行，而Leaman则进行流量调节，但收效甚微。为了达到WRF项目的目标，委员会关闭了MicMac供给室，而让Leaman供给室为整个区域提供流量和调节压力。该配置虽然符合项目的目标，但却不符合哈利法克斯供水委员会的工作标准，因此这一方法并非合格的长期解决方案。
在试行期之后，哈利法克斯供水委员会全体员工发现了问题所在。简单地说，供给室通过液压连接，但在控制级别是独立运行的。在这种模式下，一个供给室的流量增加时就会导致另一个供给室的流量减少。为了纠正这一问题，每个供给室的控制器必须使用相同的工艺变量——总DMA需求或两个流量计的总流量。
解决方案是开发一种控制算法，将一个流量计的实时流量与单个总DMA 流量相结合。总流量值将输入到每个供给室的PRV控制器中，而非输入各自的流量计值。这样，两个位置的控制器就会根据总DMA需求一起增加或降低压力。建立对等连接，从而允许所需的流量数据传送。每个站点的远程终端单元（RTU）将执行该算法，并将总流量需求输出到PRV控制器（见图3）。该算法集成了故障安全功能，以便转向固定出水压力控制，从而应对和适应可能的通信中断和其他技术方案。
结果
初步验证的结果是积极的。通信可靠，流量更新到控制器中只需不到四秒的时间。为了适应局部液压条件，每个PRV 的控制器均可配置不同的斜坡。
由于解决了控制问题，系统最初运行时，结果非常一致，运行次数基本保持在2005-2006次。平均爆裂次数从每年25次减少到12次。取得的成果取决于系统特性，因此结果可能无法直接传输到哈利法克斯供水委员会的其他DMA或其他供水系统。
自2011年永久建立此系统以来，哈利法克斯供水委员会一直致力于优化技术和评估其他区域能否实施高级压力管理。下一个实施高级压力管理的最佳候选区域是Burnside Low区域。与完全属于居民区的Dartmouth Central不同， Burnside Low位于一个工业园区，包含商业和工业用户。因此，哈利法克斯供水委员会正在该区域进行调查和试验，以确定在不对工业工艺和对压力敏感的内部消防系统产生负面影响的前提下，可以降低的压力水平。
该系统也依赖于专有控制设备来对阀门进行液压控制。尽管这些设备非常有效，但更换成本高昂，并且不能始终提供所需功能。哈利法克斯供水委员会因此研发了自己的液压控制器，该控制器使用采用哈利法克斯供水委员会员工研发的控制软件的PLC，来操作控制阀导管上的电磁阀。这个设备已经在台架试验中成功通过测试，于2013年在Burnside Low区域进行安装。该控制策略允许通过哈利法克斯供水委员会SCADA系统的远程下载设置。
作者简介：Reid Campbell是哈利法克斯供水委员会的供水服务总监。