佛山水泵厂丨研究水泵需水量增加工况下的可靠性

为探讨节点需水量增加对供水管网运行工况的影响，本文以物理模型中节点5的需水量增加为例展开研究。假设节点5的需水量从0.33L/s增加到0.51L/s其它节点的需水量不变(在物理模型中将节点5对应球阀的开度从51.22%调整到87.79%，从而实现所需水量)。节点5的需水量增加后，供水管网各用户节点的实际可用水量均低于其所需水量，相应地各节点的水量可靠度也降低。可靠度下降最大的是节点附近的节点4，其可靠度值从1下降为0.982。受影响其次的是边缘节点16和17，以及地面标高较大的节点6和7。

由于供水管网的各个节点是离散分布的数据点，为直观显示管网中的水压连续变化趋势，佛山水泵厂通过物理模型试验测试得到各节点的水压数据，绘制出在节点5需水量增加前后的供水管网等水压线图，以反映管网中水压分布的变化情况。从图中可以看出，节点5的需水量从0.33L/s增加到0.5L/s后，其周围节点的水压下降较大，对于上游节点而言，与增加前水压线同值的现等水压线向远离需水量增加点的方向移动。需水量增加点附近可用水压的降低可能导致该节点及其附近节点的实际可用水量未能满足用户需求，表明用户需求水量的增加对节点和管网的可靠性影响较大。

城市供水管网的生命周期一般高达数十年，而用户需水量是逐年增加，因此为保证供水管网在一个较长时间内供水的可靠性，在进行管网的规划设计时，需考虑未来一个较长时间内的需水量增加情况和水泵的配置。

城市供水管网施工完毕投入使用后，其供水能力就大致确定了，但城市的需水量却每年都在增加。投入运行的最初几年，供水管网能够正常输送满足用户需求的水量和水压，当需水量增加到一定程度后，需要借助供水管网的优化调度才能满足用户的水量水压需求，而当需水量继续增加到仅凭优化调度难以保证用户水量水压需求的时候，就需考虑对供水管网进行新建或增加肯富来离心泵了。这样一来城市中各水厂、加压泵站的供水关系以及城市的供水分区也要不断的进行区域调整，以保证供水管网各分区内各节点的供水压力。

供水管网的分区一般是基于用户节点的地面标高进行，通过将位置上相邻的、地面标高相近的用户节点划归为同一个供水子区，可以大大缩小用户节点之间的相对地面标高。这样在管网运行过程有利于保持子区内各用户节点的水压大小相近，避免一部分用户节点因水压过高而浪费能耗、另一部分用户节点则因水压过低而可靠性不高。

为应对供水管网部分区域需水量的增长、均衡各用户节点的水压以及改善供水低压区，若采取增加肯富来离心泵数量或换用高扬程水泵方式来应对日益增长的供水负荷，则不但会增大供水能耗，也会加大供水管网高压区的漏失量，多重的损失将导致供水成本大幅度提高。但如果将整个城市的节点用户依据其地面标高进行供水分区，则可在有针对性改善低压区供水可靠度的同时又降低供水能耗。基于用户节点地面标高分区模型的主要计算步骤如下：

假设供水管网中有n个用户节点，佛山水泵厂在调查和采集各用户节点的地面标高数据后，定义节点的高差矩阵△h。对于△h中的每一个元素，其值为以该元素的行号和列号为编号的两个节点的地面标高之差。

1、数据准备：①根据高差矩阵的定义，经计算得到高差矩阵4h的值，该矩阵是一个主对角线元素为0的对称矩阵；②按照管段的编号顺序，给管网中各管段依次赋一个高差值，管段的高差就是该管段上两个端节点的地面标高之差；③各节点间的子区内最大允许高差值为￡米；④分区后的结果存放在矩阵District中，该矩阵是nxn型矩阵，每一行代表一个子区。

2、按照管段的编号顺序，从管段1开始搜索，直到搜索完管网中所有的管段为止。

3、对于管网中的任一管段k，其对应的端节点分别为i和J。当搜索到管段k时，先判断节点i是否己被划分到某个子区内(即，节点i是否己在矩阵District的某一行内)。如果节点i己被划分到某一个子区内，转到步骤4)，否则节点i自成一个新的子区(即，将节点i赋给矩阵District中的一个新行)。

4、判断节点J是否己被划分到某个子区内：①如果“否”，则先找出节点i在矩阵District中所在的子区(行)，然后判断节点J同节点i所在子区(行)中所有节点之间的高差是否均满足小于￡。如果“否”，节点J自成一个新的子区(行)；如果“是”，则将节点J加入到节点i所在的子区(行)中。②如果“是”，则先找出节点J在矩阵District中所在的子区(行)，然后判断节点J所在子区(行)中的每个节点同节点i所在子区(行)中所有节点之间的高差是否均满足小于￡。如果“是”，则将节点i所在的子区(行)和节点J所在的子区(行)合并成一个子区(行)；如果“否”则直接转到步骤5。

5、对管段k+1依次按照步骤3和步骤4的方法进行分区，直到进行到管段NP被划分完毕为止。

6、输出分区的结果矩阵Districto，通过设定不同的子区内最大允许高差值，可以将整个供水管网分成不同数目的子区，分区结果如图所示。

从图可知，随着区内最大允许高差值的减小，子区数目越来越多，子区内各用户节点的相对高差也越来越小。至于供水管网分成多少个子区为宜，需结合城市中加压泵站的设置肯富来离心泵数目及位置、清水池的容积以及大用户的需水量及位置等因素而定。

为研究分区以及分区数目对供水管网可靠性的影响，选择分区数为2，3和4的情况为研究对象。随着供水管网分区数目的增加，各节点间的水压值越来越相近。这说明分区能有效地降低部分节点的过高自由水压，从而降低供水能耗。同时，分区后供水管网原低压区用户的供水压力得到显著改善，需水量得到了保证，管网的可靠性得到提高。

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