智慧供水管网漏损控制项目实践_李睿.pdf

2023 年第 1 期 54 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏智慧供水管网漏损控制项目实践李睿（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）摘要：文章首先介绍了国际水协提出的漏损控制策略，分析了 L 自来水公司的基础设施和漏损控制现状，提出“咨询硬件软件”一站式管网漏损控制解决方案。通过主动式漏损控制方式，如硬件采集、软件分析、智能预警、消息推送等智能化手段，优化漏损控制流程，提高检漏效率，不断降低自来水公司的产销差。最后通过投资和效益的分析，对项目的经济效益进行了评估，实践证明该项目经济效益良好。关键词：供水管网；漏损控制；DMA 管理；平台分析；效益评估引言做好管网漏失控制是实现城市节水降耗、提高水资源利用效率的重要措施。2015年国务院印发水污染防止行动计划（国发201517 号），要求提高用水效率：抓好工业节水，加强城镇节水，到 2017 年，全国公共供水管网漏损率控制在12%以内；到2020年，控制在 10%以内。城市供水管网漏损控制及评定标准（CJJ 92-2016）要求供水企业必须详细掌握管网现状资料，建立完整的供水管网技术档案和管网地理管理信息系统，定期进行漏水检测，及时发现漏水和修复漏水管道，将管网基本漏损率控制在 12%以下。2022 年，两部门办公厅印发通知明确到 2025 年全国城市公共供水管网漏损率力争控制在 9%以内。对于大型的管网系统，无收益水量只能按照整个管网系统来计算，体现的是整个系统的平均水平。确定无收益水量的发生位置对水司来说是一个相当大的挑战。供水管网分区管理是加强管网产销差分析和控制的有效手段，是集技术、管理和经济于一体的全新管理方式。管网分区主要针对主干管网进行区域分割，通过安装流量计或者关闭阀门等措施将供水区域划分为若干个区域1，如图 1 所示。管网分区的主要目的是了解产销差在供水区域内的分布情况，确定重点区域，并对分区内的相应管理机构进行产销差工作绩效考核。DMA 层面的漏损控制主要手段是利用最小夜间流量（MNF）对区域内的产销差进行分析，如果确定 DMA 有较严重的物理漏损或表观漏损，则采取针对性的检漏工作。图 1典型的 DMA 布置方案DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0282023 年第 1 期 55 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏1.现状分析1.1 基础设施L 自来水公司目前有自来水厂两座，日供水量共约 5 万吨，供水面积 223 平方公里，约有 200 个居民小区，服务人口 26 万，同时有工业用户约 240 个；现有 DN200 及以上供水主干管约 144 公里，不同管材的管网长度（米）见图 2。14911 92241 37239 钢筋混凝土 球墨铸铁 PE图 2不同管材的管网长度此外，L 自来水公司设置了 30 处管网压力监测点，两个水厂均采用低压供水，出厂压力 0.2Mpa，压力不足用水点采用局部增压方式。1.2 漏损情况本漏损控制项目于 2018 年启动，由于在管网规划初期受条件限制，在管网建设中存在一定的不合理性，为管网漏损埋下隐患。启动前，L 自来水公司的供水管网频繁发生漏损事故，2017 年全年主干管抢修管道 25 次。部分机械水表已过保质期（国家标准保质期六年）且测量精度难以保证。因此需加速管网改造及大用户机械表的更换。在管理上，由于对供水管网缺乏监测，无可靠的实时的监测设备，管网压力数据和水量漏失率难以统计归纳。以 2017 年为例，表 1 中数据为 2017 年的供水量和售水量，从该数据可以看出，L 自来水公司的产销差率约在 13.3%。表 12017 年供售水量表年份2017水量类型供水量售水量水量（万吨）1423.361233.78产销差水量（万吨）189.58产销差水量占比13.3%L 自来水公司尚未目前开展分区计量的工作，包括主干管网分区，DMA 小区及大用户监控。虽然目前 L 自来水公司的产销差率不算高，但存在某些 DMA 小区及大用户漏失严重的现象，而且管网漏损控制是一项长期的工作，如果没有长效的管理机制，很有可能会出现产销差反弹的现象，如图 3 红线所示。图 3管网漏损控制的效益分析2.技术方案2.1 整体解决方案通过建立完善的分区计量系统将整体供水管网分割细化，使漏损控制工作更加有针对性，漏损诊断和治理更加有时效性。同时利用有效的系统监控和分析，准确的夜间计量、准确快速的漏水定位和维修，逐步实现漏损可控的目的。本项目采用“咨询硬件软件”一站式管网漏损控制整体解决方案，按照“统一规划，分步实施”的策略，先从大的分区做起，再逐步细化到 DMA 小区，从而形成整个区域2023 年第 1 期 56 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏的网格化管理。主要包含以下内容：制定合理的漏水管理策略，定义明确的技术路线；基础设施改造和仪表安装；智慧管网漏损管理系统；主动漏损控制实践；绩效评估和持续改进。2.2 方案设计与实施在物理漏失控制方面，全面获取漏损相关数据，通过监测、评估等技术手段，量化漏损水平，针对复杂配水管线中的“跑、冒、滴、漏”现状，迅速缩小查漏范围，大大减少了传统被动式检漏的探测时间。及时发现新增漏损，有效控制存量漏损。在表观漏损管理方面，通过平台可以指导表观漏损管理决策，例如针对工业或商业等大用户进行用水量实时监控和预警，制定合理的户表维护和更换计划，加强抄表和营收系统管理和监督。2.2.1 城市主干管网分区L 自来水公司的分区方案于 2018 年初完成。根据管网基础资料，结合河流、铁路、主干道、地形高差以及主要管网建设现状，将整个区划分为 18 个二级分区来进行管理，共安装流量计 22 台。具体分区如图 4 所示：图 4分区计量流量计安装图例分区计量电磁流量计主要技术参数见表 2：表 2分区计量电磁流量计主要技术参数计量等级：0.2 级额定压力：1.0MPa口径：DN 25-2000（管道法兰式或插入式）流动方向：正、反向温度等级：T50防护等级：IP68电极形式：标准固定式报警：空管、励磁、上下限等通讯方式：数据远传（RS-485、ModBus）供电电源：220VAC、24VDC+太阳能+12V 蓄电池 X22.2.2 DMA 小区DMA 小区内部监测点的布置采用两级或三级计量的方式，分别是小区总表、楼宇分表（可选）和家庭户表。小区总表对小区的进出水流量进行计量及统计，同时捕捉实时最小夜间流量（MNF），选用 DMA 电磁流量计或电磁水表，要求读数响应快、计量精度高，可实现压力数据的集成及数据的实时远传。楼宇分表选用大口径远传水表。根据现场情况进行户表改造，采用 DMA 智能远传水表。通过 DMA 小区的建设实施，结合智慧管网漏损管理系统，进行专业的 DMA 小区漏损评估。图 5DMA 小区三级计量建设示意图2023 年第 1 期 57 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏L 自来水公司服务区域内，先选取 4 个需要改造且漏损较为严重的 DMA 小区作为漏控示范区，在小区总进水管上加装电磁总表和压力监测点，并将有安装过楼宇及家庭 DMA 远传水表的数据一并接入平台进行管理和分析。DMA 电磁水表用于 DMA 小区进水总表的计量。DMA 电磁水表的选择非常关键，计量的准确性对 DMA 的成功实施产生直接影响，尤其 DMA 漏控管理 MNF 夜间最小流量分析对电磁水表在低流速状态下的高精度提出了更高的要求。DMA 电磁水表主要技术参数见表 3：表 3DMA 和大用户监控电磁水表主要技术参数计量等级：0.5 级额定压力：1.6MPa口径：DN40-300（管道法兰式）流动方向：正、反向温度等级：T50防护等级：IP68电极形式：标准固定式报警：空管、励磁、上下限等通讯方式：数据远传（RS-485、ModBus、GPRS）供电电源：3.6V 锂电池供电，常规配置可持续工作 5 6年以上2.2.3 大用户监控据国内大多数水司的数据统计表明，占所有水表总数 1%左右的大口径水表（DN50及以上的贸易结算水表），承担的计量水量占所有售水量的 50%以上。普通机械大口径水表由于存在机械配件磨损的弊端，这部分水表的误差表现为计量误差合格率相对较低、误差负偏差比例大于正偏差、负误差绝对值较大 2，从而导致产销差居高不下。因此需要量程宽，抗干扰能力强，对小流量能精确计量的大用户监控电磁水表来对大用户的用水量进行监控。此外，大用户监控电磁水表可以实现数据实时上传至智慧管网漏损管理系统，对数据进行分析，使得爆管、漏损等问题能够及时地发现。考虑到项目建设的经济性，L 自来水公司选择了 11 个年用水量超过 10 万吨的大用户进行电磁水表更换，其余大用户不做更换，但接入平台进行监控管理。大用户监控电磁水表主要技术参数与 DMA 电磁水表基本相同，见表 3。2.2.4 平台漏损分析评估智慧管网漏损管理系统，在线集成流量计、压力计、噪声记录仪和智能水表等管网数据采集端设备，同时整合 SCADA 系统、GIS系统、表务管理系统和营业收费系统等信息系统的数据，通过大数据分析，对漏损进行综合展示，并可实现智能预警与消息推送，辅助水务管理者进行主动漏损控制决策，帮助供水企业减少漏损水量、持续降低产销差。智慧管网漏损管理系统功能说明如表 4 所示。表 4智慧管网漏损管理系统功能分类功能模块功能说明智慧管网漏损管理系统系统总览地图、压力流量、供售水量、分区产销差等核心指标展示分区计量分区计量的数据监测、数据统计、数据分析、分析报表DMA 小区DMA 小区的数据监测、数据统计、数据分析、分析报表大用户监控对大用户的数据监测、数据统计、数据分析、分析报表报警管理：报警处理和系统消息对报警数据进行处理检漏管理：生成工单，区域定位，派发工单，完成情况对检漏工作及人员进行管理2.2.5 检漏管理基于平台的 KPI 分析结果，对 DMA 的产销差率进行排序，筛选出漏损率较高(15%）的区域作为首要控漏对象；同时分析 DMA 小区总表的 MNF 数值及其历史变化趋势，当数2023 年第 1 期 58 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏值明显高于背景漏失值时，则该小区为潜在的漏损区域，若 MNF 值近期突然增大（例如达到近 7 天平均 MNF 的 3 倍），或大用户某一天的用水量严重异常，平台可进行相关预警，然后可选择传统检漏、分步测试、建立泄漏噪声在线监测预警系统等方法开展进一步的查漏与维修工作。2.2.5.1 传统检漏检漏人员采用相关仪、听漏仪与听音杆等设备仪表对管网进行检漏定位。2.2.5.2 分步测试分步测试是一种测试技巧：在 DMA 内，逐步关闭各级阀门，将 DMA 内的区域逐步隔离，对每个区域隔离时的流量进行记录，并确定在每个区域内的漏损水量。分步测试通常在最小夜间流量时段内进行，在凌晨一点到三点之间。在测试中，将会对流量进行监控，在每一步关闭相应区域的阀门时，所减少的流量便是该区域的漏损水量和夜间用水量。如果隔离区域的减少流量大于预期，再将用户的数量和类型考虑在内，便可得出DMA内该区域的漏损水量。2.2.5.3 建立泄漏噪声在线监测预警系统在确定了有潜在漏损问题的管道后，可使用泄漏噪声记录仪探测漏失点。记录仪布置在配水系统所在地，通过对泄漏情况进行持续不断地监测，使水司能够快速高效地找到管网泄漏点。3.项目经济效益评估3.1 项目投资本项目总投资金额为 295 万元，包含平台软件、硬件设备及物联网设备接入等内容。项目包含的主要内容及费用如表 5 所示。表 5漏损控制项目内容及费用序号内容数量费用（万元）1软件智慧管网漏损管理系统（基于 ARCGIS）1 套100物联网设备接入1 组202硬件设备分区计量电磁流量计22 个120DMA 电磁水表412大用户监控电磁水表11 个33压力变送器30 个10合计2953.2 项目效益通过项目实践，L 自来水公司检漏队在其供水区域开始推行基于 DMA 的主动漏损控制策略，通过对 DMA 的流量进行分析，检漏队伍可快速地寻找到泄漏点，每年约找出 60 个漏点，折合的漏损水量约 40 万吨/年。项目实施以来，L 自来水公司的产销差率逐步下降，产销差率变化趋势如图 6 所示，在 2019年供水管网漏损率即实现了 10%以内的水平，2021 年的产销差率降到约 9.4%，相较于 2017年，产销差率下降了约 4%，每年可节约用水图 62018 2021 年供售水量、产销差（率）、收益分析表注：节省水量=（2017 年产销差率-当年产销差率）*当年供水量；节水收益=节省水量*当地水价（按 2.25 元计）2023 年第 1 期 59 CITY AND TOWN WATER SUPPLY漏损专栏高达 60 万吨，仅按当前居民用户（不含污水处理费）的一阶水价 2.25 元/吨计算，则其直接经济价值高达 135 万元，项目投资静态回收期约 2.2 年。若考虑二阶水价及非居民水价，则收益更高，项目投资静态回收期更短。一般来说，电磁流量计和电磁水表等设备的服务期可达 6 年以上，平台维护也不需要太多投入，因而仅需要通过有效措施保持住目前漏损率，每年的节水收益都很可观。4.结论和建议通过 DMA 分区计量与大用户监控的建设，实现居民、工业、商业用户用水计量全覆盖，同时利用信息化平台技术完成多类型计量水表抄表、收费的一体化管理，远程抄表可大大降低人工抄表成本，杜绝了抄收过程中存在的少抄、估抄、错抄、漏抄、人情水等情况，提高抄表成功率和水费回收率。智慧管网漏损管理系统提供了漏水分析等信息化手段来辅助管网部门更好地开展检漏工作，可大大减少人工排查和巡检的次数；同时，降低供水管网真实的“跑冒滴漏”，可以降低供水企业的取水、制水和供水成本，减少对新水源的依赖，推迟新水厂建设年限。借助该系统，主动式漏损控制比传统的“产销差管理”更加扁平化，漏损控制的效率更高，更有助于提高水资源的利用率，从而更好地打造节水型城镇试点，建设节水型社会。综上所述，L 自来水公司智慧管网漏损控制项目的建设，通过智能化信息化手段，形成漏损控制的 PDCA 闭环，降低了供水成本，提高了供水收益，提升了管理能效，值得长期应用推广。参考文献：1 Malcolm Farley.无 收 益 水 量 管 理 手册供水管网漏损控制指南（第 2 版）M.上海：同济大学出版社，20182 詹益鸿.电磁水表在控制表观漏损中的应用 C.第六届中国城镇水务发展国际研讨会论文集.2011：241 243作者通联：北京市自来水集团科技成果荣获 2022 年度中国城镇供水排水协会科学技术奖特等奖近日，北京市自来水集团与中国科学院生态环境研究中心、中国南水北调集团中线有限公司共同完成的“南水北调入京水源安全高效利用技术集成与应用”项目荣获 2022 年度中国城镇供水排水协会科学技术奖特等奖。本次活动由中国城镇供水排水协会举办，16 个项目获奖，其中特等奖 1 项，一等奖 5 项，二等奖 10 项。集团获奖项目围绕水源抑藻控嗅、水厂工艺优化、输配保质控漏、水质监管提升四个方面，总结了北京市安全高效利用南水水源的系列技术成果。通过创建基于混凝剂形态质谱分析的预臭氧-铝铁双药剂强化混凝工艺，研究并揭示水源切换条件下管网“黄水”发生机制，提出基于管网破损预测模型和局部压力调控的管网漏损控制技术，建立水源-水厂-管网联动机制与优化调控技术系统和系列示范工程，形成了针对有害藻类、消毒副产物、嗅味、“黄水”、管网漏损等问题的系统化解决方案。项目成果整体上达到国际先进水平，在南水北调中线干渠及北京市全面应用，整体提升了首都供水的工程建设、运行管理及应急处置能力，确保了集团安全利用南水，有力推动了供水行业的技术进步。（北京市自来水集团 供稿）