搜索
1分散复杂水源原水系统建模初探陈泽颖1许大江1吴红1郑飞飞2（1.珠海市供水总公司，珠海，5190002.同济大学环境科学与工程学院，上海，200092）摘要：针对分散复杂的原水系统，为了优化不同调度期的原水调度方案，达到生产成本最低；以及确保在遭遇突发性水质事故时，能及时制定出应急调度预案，提高整个原水系统的安全保障率。通过搜集大量原水系统的相关资料，开展了原水系统建模的研究，并建成整个原水管网的初步模型。经实践证明，采用初步建成的模型，根据不同的工况，实施不同的调度方案，使得原水的生产电耗有一定幅度的降低，取得一定的经济效益。关键词：分散复杂；多水源；原水系统；建模21、原水系统概述珠海市香洲区地处西江出海口，原水以西江磨刀门水道为主，同时担负整个澳门的原水供应。随着珠、澳两地供水量的增长和磨刀门水道咸潮上溯能力的逐年加剧，两地的供水安全受到严重的挑战。为保障珠、澳两地的供水，香洲区整个原水系统经过二十多年的建设，逐步形成以江河为主、水库为辅的多水源、多种输配线路、多级提升的复杂原水系统（见下图1）。同时，由于系统复杂，输水线路长，因此，原水的能耗也高，几乎与净化水的能耗平分秋色。西江磨刀门水道切换井调咸泵站广昌泵站裕洲泵站坦洲联围水道平岗泵站挂定角取水口南沙湾泵站唐家水厂香洲水厂中珠联围水道洪湾泵站蛇地坑水库银坑水库南屏水库竹仙洞水库澳门拱北水厂大镜山水库凤凰山水库北库群南库群图1香洲区原水系统模型珠海供水的特点之一即每个水厂（澳门）都有一个或一个以上的水库可对其提供水源，整个香洲区共有六座水库为水厂提供水源。这些水库归为南、北两库群，两库群通过两根管道连通（如图1），可相互供水。由于水库群的有效调节库容仅2000万m3，满足不了一个月的原水耗水量（2400万m3/月），因此，水库主要起周转库容3的作用，泵站可对水库进行客水补充。由于咸期期间，主要是利用潮夕的周期性变化规律，实施间歇性“抢淡”。因此，为能最大化“抢淡”，整个原水系统的建设规模远大于用水需求，4个主要取水泵站的总取水能力达328万m3/d。为最大日需水量的4倍。现有原水管线总长104.3km，管径范围：DN1000～DN3000。2、原水系统特点多水源的原水供应系统（如下表1），使得香洲区的水厂（唐家水厂除外）及澳门的正常原水需求获得较高的安全保障率，且不同水源点的水体还可在某些结合点（如：切换井、调咸泵站、泵站前池）进行混合后供应。同时，作为香洲区的主力取水泵站——广昌泵站和洪湾泵站，也属多水源泵站（如下表2）。因此，当某个水源点发生水质性污染事件时，可通过调度，确保水厂（澳门）的安全生产。多水源用户一览表表1用户直接水源点拱北水厂广昌泵站、平岗泵站、南屏水库、竹仙洞水库、大镜山水库香洲水厂广昌泵站、南屏水库、大镜山水库澳门洪湾泵站、南屏水库、竹仙洞水库、蛇地坑水库、银坑水库多水源泵站一览表表2泵站可用水源点广昌泵站广昌取水口、平岗泵站、裕洲泵站洪湾泵站挂定角取水口、广昌泵站、平岗泵站、中珠联围3、不同时期的调度3.1汛期每年4月15日～10月15日，整个珠江流域的主要降雨时段，西江断面径流量4大，各取水泵站基本不受咸潮影响。在保障安全供水的前提下，调度原则：重点考虑节能。此期间，水库的水位受汛限水位的限制（不得超过汛限水位）。水库水位高时，调节库容少，不利于拦蓄降雨水量，且不利于泵站节能；水库水位过低时，水库原水靠重力自流到水厂（澳门）的量不能满足需求。因此，在制定泵站生产的调度计划时需结合调节库容、以及未来降雨量。3.2咸期每年10月16日～次年4月14日，为非汛期，也称为咸期。在此期间，由于西江流域径流减少连带西江断面流量减少，加上河道挖砂致使河床下切，导致咸潮上溯能力逐年加强，泵站均在不同程度上受咸潮影响而有部分时段不能取水。咸期调度原则：水量为主。调度工作主要通过分析潮汐的规律、咸潮规律、西江水文数据、原水需求、水库库容等，编制适时的调度指令，并下达实施，从而达到“抢淡”水量最大化。3.3补水期补水期，即后汛期～咸期（8月中～11月初）之间，主要工作是根据天气、当时水库水位，充分利用后汛期的降雨，以及原水泵站取水补库，分步对水库进行补充。补库的水位目标：汛期结束时，将水位提到接近汛限水位的位置；在11月初，将水库补到正常水位。从汛限水位补到正常水位，香洲区水库补满所需水量为500万m3。按目前的平均日原水需求量，在不考虑降雨的前提下，综合管网的输水能力，完成500万m3的补充原水需近一个月的时间。54、原水建模4.1建模目的针对多水源点、多路保障的复杂原水系统，为更好科学统筹安排原水的生产和调配，全面提升原水调度的管理水平，以达到安全、节能的原水生产目标，提出原水建模的计划，以便利用模型实施科学决策，解决以下问题。4.1.1根据不同时期的水情、不同水源点的原水价格、不同输配线路的输配成本等信息，进行比选、优化、组合，制定最佳方案，从而来编制调度指令，并根据实时数据，对指令进行动态跟踪和修正；4.1.2遭遇突发性事件时（如：停电、爆管、水质污染事故），及时调整整个调度指令，并对后续的安全供水作出科学判断；4.1.3由于水库水位对水厂（澳门）的供应能力和对泵站的能耗起作关键制约作用，通过模型，计算两者的平衡点，达到双赢；4.1.4在确保水库安全的前提下，对水库水位实施科学动态控制，优化库群的水量消耗调度，尽可能做到不弃水；4.1.5及时对管网中超安全水龄的水体进行警示，避免变质原水进入流程，影响水厂的正常生产。4.1.6对原水系统的管线、设备进行科学评价，为今后系统的改造、扩充提供科学依据。4.2建模难点4.2.1一般城市原水系统：若干个相对独立的子系统（原水泵站→输水管线→水厂组成）构成，一水厂对应一个泵站。即各子系统的原水管网属支状型，子系统之间及子系统内部不存在循环流。而本原水系统属是环状结构，而且有些水厂（如：6拱北水厂）内部还有小的环状供水，这样的系统在国、内外不多见。因此，有关原水建模，目前尚未有成熟理论、技术可循。4.2.2用水单位为水厂（澳门）或水库，节点水量大。同时，水库是一个开放系统，来、去水量是一个难以预测的非线性变量；水厂配水井的需水量受流程的约束，且原水入井后的剩余压力需控制在2米左右的范围内，因此，整个进水过程均由阀门来控制，这些都增加了模型的智能化控制难度，同时也增加管网中水量平衡的控制难度。4.2.3原水系统需根据不同调度期的调度目标进行优化，综合平衡水库的防洪、调咸功能与经济效益之间的关系。4.3原水系统建模原水系统建模即对原水真实系统的仿真，即通过数学方法对原水系统各单元之间的联动关系进行定义和控制，从而达到信息化管理和控制的目的。4.3.1对原水系统的组成要素进行详细收集，包括：4.3.1.1管线的材料类型、口径、长度、交叉、建设年限等；4.3.1.2管线的交叉点、端点、大流量出入点；4.3.1.3阀门的材料类型、启闭形式、建设时间等；4.3.1.4泵站机组的类型、水泵的Q～H曲线、安装尺寸、建设时间、取水的常水位等；4.3.1.5水库的正常水位、汛限水位、保证水厂正常生产的水位、进出口高程、水位～库容对应曲线等；4.3.2原水系统的水力计算原水系统的水力计算模型是模拟原水系统建立数学模型的过程，根据系统的结7构参数和运行参数求解系统的数学模型，计算出各管段的流量和水头损失，各节点的水压和原水系统的流量分配。4.3.3原水系统建模内容4.3.3.1原水系统的图形化将原水系统拓扑结构图，数字化地录入计算机，按照一定的数据结构存储，组成一个既能直观显示、又能实现模拟计算的系统图形。4.3.3.2原水系统动态模拟模拟原水系统实时运行的状态参数，如泵站机组的开停状态与调速状态；水库水位随时间变化的状态；输水管网节点流量随时间变化的状态；并通过求方程和水力模型，进行原水系统水力和流量分配的分析。4.3.3.3参数模拟通过水力建模分析中，对参数进行计算和模拟，以求得准确的模型参数。4.3.4原水系统模型求解对原水管网模型中的枝状网和环状网这两种模式求解。4.3.5原水系统模型测试包括压力、流量、管段阻力系数、阀门阻力系数的测试。4.3.6在充分掌握原水系统静态数据基础上，以电子地图为背景，确定原水系统各单元位置和管网的拓扑结构，建立香洲区原水系统模型（如下图2）。8图2香洲区原水系统模型5、模型校核珠海市调度监测系统，主要通过SCADA系统的实时数据，反映原水系统的实时运行状况，调度指令依据这些数据下达。目前，原水系统上除泵站的压力监测点外，另为校核模型新增了5个压力监测点，流量监测点主要分布在泵站、水厂（厂内每个流程均有流量监测），通过这些数据来反复调整模型的相关参数。通过SCADA系统的反复校核，模型在模拟现实工况中已经能够接近真实数据，流量误差在5%以内，压力误差在5%以内。下表3，随机抽取了2008年11月15日的模拟数据与SCADA数据的比对。9表3广昌泵站南抽站调咸站校核量09:50开机号泵口扬程（m）频率（Hz）流量（m3/h）流量（m3/h）流量（m3/h）1、4、54545.520483105185875模拟数据1、4、544.5245.520919102716138偏差（％）－1.10-2.12.3-4.5设定量拱北香洲唐家对澳流程号L1L2L3DN1000DN1000应急管水量(m3/h)32624403923432493789375437301849水库大镜山凤凰山南屏竹仙洞竹拱管用水1205水位(m)19.8519.6832.3820.93南屏水库全开6、原水系统模型应用通过模型的分析计算，编制最佳的原水系统调度方案，同时，对管网的改扩建提出分析计算结果。其功能主要有以下几种：6.1数据管理与维护模型中对整个原水系统的静态参数进行了集成，便于日常数据查询和修正。同时可查询模型中各管段的运行状况，管道的输水能力，掌握系统的运行能力，便于制定调度指令。6.2原水系统管道输水能力评价通过模型与实际流程数据的比对，按照管材、铺设年限相对应的参数进行模拟计算，发现部分管段的输水能力比应有的正常值偏低，与模拟值相比：最大的降幅达20％～25％。通过对整个系统的管线进行全面的、详细的模拟分析，掌握系统各管道的输水能力，从而为今后原水系统的改造、扩建、维护、重点检测等，提供了10明确的方向和技术支持。6.3原水系统控制分析原水系统的调度，包含多个泵站、水库、阀门的联合调度。南屏水库作为整个系统的枢纽水库，对整个系统的安全保障起作至关重要的作用。同时，它也成为能耗控制的关键点，因其水位的高低直接制约着广昌泵站的能耗，也影响到对拱北水厂和澳门的供水能力。通过模型模拟分析，从量化上找到它们之间的最佳平衡点，为不同调度期水库最经济运行水位的确定，提供理论依据。6.4新工况的模拟设计利用模型对现状某些工况进行模拟，在模拟的基础上，对有关阀门、泵站机组、水库水位进行设定，编制出新的运行模式，以达到节能的目标。如下表4，选取补库期某日某瞬时的相关数据进行分析，提出新的运行模式。表4广昌泵站南屏水库南抽站加压后运行机组（台）出站流量(m3/h)出口压力(m)水位(m)入库流量(m3/h)出站流量(m3/h)压力(m)参数3281634421.8116591650436从该工况，广昌泵站以44m高压输出的原水中，有11659m3/h进入了21.8m的南屏水库。如果采用分开补水模式，即对南、北库群采用单独补水。补北库群时，关闭上南屏水库阀门；对南屏水库补水时，可适当降低广昌泵站的出口压力。通过模型模拟计算，结果具体如下。11单独补北库群表5南抽站过水量(m3/h)广昌泵站机组(台)机组频率(HZ)泵口压力(m)节省压力(m)165042443212补南屏水库表6南屏水库进水量(m3/h)广昌泵站机组(台)机组频率(HZ)泵口压力(m)节省压力(m)1165934033.3510.25这是一个较理想化的设想，因为一个新的模拟工况是不能随意的在实际中使用，它必须通过总水量的平衡计算，特别是在补水期和咸期期间，它牵涉到时