供水管网优化压力控制漏失研究.pdf
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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract Leakage can cause a waste of water resource and energy, as well as a series of environmental social problems. Pressure management is one of the leakage controls recommended by the international water association (IWA). It reduces leakage by the optimization of urban water
2、 supply pipe pressure distribution. According to the phenomenon that too high local pressure causes large leakage in water distribution system, the issue proposes optimal pressure of water distribution system for leakage control by means of pressure reducing values. Before establishing leakage contr
3、ol model, the issue establishes traditional hydraulic model and pressure-driven node flow hydraulic model of the example network, and analysis which one of them is more suitable for leakage control model. The result is that the pressure-driven node flow hydraulic model is better in precision and lea
4、kage calculating. So the issue uses the pressure-driven node flow hydraulic model for leakage control model. The traditional hydraulic model is solved by the hydraulic calculation software EPANET2.0. The pressure-driven node flow hydraulic model is solved by the genetic algorithm (GA) through MATLAB
5、 programming. The issue decides the location of the pressure reducing values to control the pressure separately through pressure area division. According to analysis of pressure distribution of the water supply pipe system, clustering analysis is put forward to divide pressure area. Through the comp
6、arison of the different cluster analysis schemes with different distances, the best scheme is clustering analysis of nodes which have x coordinate and excess head. The clustering analysis uses mahalanobis for sample distance and ward for cluster distance. After Pressure area division of water distri
7、bution system, the issue sets pressure reducing valve in the entrance of every pressure area, in order to control the pressure of the area separately, and then establishes the leakage control mathematical model with pressure reducing valves. The solution of the mathematical model is the optimization
8、 of the pressure reducing valve movement strategy, under different working conditions. Because of the mathematical model belongs to multi-dimensional nonlinear optimization problems, so choose genetic algorithm for solving the mathematical model, and through the example network, the issue discusses
9、how to establish and solve the leakage control mathematical model with pressure reducing valves. At last the issue applies the optimal pressure of water distribution system for leakage control by means of pressure reducing values to a water distribution system in Guangdong province. At first pressur
10、e-driven node flow hydraulic model is established, 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III and then Pressure area is divided based on the model, finally the leakage control mathematical model with pressure reducing valves is established. According to the solution, the leakage rate of the water distribution system is re
11、duced 14.01% ,which illustrates the method has good effect on leakage control. Keywords: pressure-driven demand hydraulic model, excess head, Optimization action strategy 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题的来源及研究背景 1 1.1.1 城市供水管网漏失程度衡量 . 1 1.1.2 城市管网漏失现状 . 3 1.1.3 城市管网漏
12、失控制发展现状 . 4 1.2 课题研究的目的和意义 7 1.3 课题的提出以及研究内容方法概述 8 第 2 章 建立城市供水管网水力模型 . 10 2.1 城市供水管网建模概述 10 2.2 传统水力模型 10 2.3 压力驱动节点流量模型 11 2.3.1 节点流量的修正 . 11 2.3.2 节点漏失量的修正 . 12 2.3.3 压力驱动节点流量模型的理论公式 . 13 2.4 城市供水管网漏失控制水力模型比选 14 2.4.1 算例供水管网概述 . 14 2.4.2 建立算例供水管网传统水力模型 . 16 2.4.3 建立算例供水管网压力驱动节点流量模型 . 16 2.4.4 传统水
13、力模型与压力驱动水力模型比选 . 24 2.5 本章小结 24 第 3 章 基于压力驱动节点流量模型的压力分区 . 25 3.1 城市供水管网压力分区 25 3.1.1 压力分区的目标 . 26 3.1.2 压力分区面临的问题 . 26 3.1.3 压力分区的解决方案 . 27 3.2 建立供水管网压力分区 33 3.2.1 算例供水管网压力分区过程 . 33 3.2.2 算例供水管网压力分析算法及结果分析 . 34 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V 3.3 本章小结 37 第 4 章 基于压力分区的减压阀漏失控制数学模型 . 38 4.1 概述 38 4.2 减压阀优化压力漏失控制数学模型
14、 38 4.3 减压阀优化压力漏失控制数学模型求解算法的选择 41 4.4 求解算例供水管网优化压力漏失控制数学模型 41 4.4.1 减压阀位置的确定 . 41 4.4.2 程序的设计 . 42 4.4.3 程序的实现 . 43 4.4.4 计算结果 . 44 4.5 本章小结 45 第 5 章 某城市供水管网优化压力漏失控制 . 46 5.1 城市概况 46 5.2 漏失影响因素分析 46 5.3 建立压力驱动节点流量模型 49 5.4 实现城市管网压力分区 49 5.5 建立城市管网减压阀漏失控制数学模型 54 结 论 55 参考文献 56 附录 I 建立压力驱动节点流量漏失模型部分源程
15、序 59 附录 城市管网压力分区部分源程序 60 附录 建立城市管网减压阀漏失控制数学模型部分源程序 61 攻读学位期间发表的学术论文 62 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 63 致 谢 64 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第1章 绪 论 1.1 课题的来源及研究背景 水资源是人类生存和发展的血液,然而世界上可以直接利用的淡水资源却 是越来越少,水将导致严重的社会危机 1,2。与其他国家相比,我国的水资源量 十分稀少,不仅如此我国水资源污染还十分严重,水环境日趋恶化,水生态平 衡遭到严重破坏。这些环境地质灾害还会引发一系列社会环境问题,如造成地 面建筑物的破坏,交通中
16、断等,对地面结构的潜在危害性更大3。如何使现有的 水资源满足中国 13 亿人口的需求,这是水科学行业迫切需要解决的问题。 改革开放以来,由于经济发展的需要,我国供水行业发展迅速。截止到目 前为止, 绝大部分城市供水普及率已达到 95%。 由 2004 年城市供水统计年鉴 显示,2004 年,全国平均日供水量达 7235.27 万 m,共有水厂 1594 座,75mm 以上的给水管道敷设总长度达 159953.17 千米4。 目前,我国绝大部分城市供水管网系统都或多或少的存在以下问题:管网 布局缺乏科学性,管线铺设冗余、拓扑结构复杂,供水安全性低;供水管道腐 蚀严重、供水设施落后,日益老化、供水
17、管网超负荷运转;二次污染严重、水 质偏低;供水压力差异大、管网漏耗严重。 尽管目前许多城市供水企业都在进行管网改扩建,但与我国庞大的老化的 给水管网规模相比,改扩建的力度还远远不足,这导致我国给水管网漏损率居 高不下,造成了对水资源以及能量的巨大浪费。 1.1.1 城市供水管网漏失程度衡量 根据城市供水管网漏损控制及评定标准(CJJ92-2002)中的规定,城市 管网漏失量是供水总量和有效供水量的差值,而其中供水总量是指从水厂流出 的水量,有效供水量是指各类用户实际使用到的水量,其中包括收费的(即售 水量)和不收费的(即免费供水量)的水量5。国际水协给出的城市供水管网系 统供水量的水量组成如下
18、图 1-1 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 计量售水量 售水量 未计量售水量 系统有效供水量 计量免费供水量 免费供水量 未计量免费供水量 非法用水量 账面漏失量 系统供水总量水表计量误差 输配水干管漏失水量 系统漏失水量 管网漏失量 输配水支管漏失水量 引入管漏失水量 水厂内构筑物漏失水量 水厂内漏失水量 图 1-1 城市供水管网系统供水总量组成 目前衡量城市供水管网漏失程度主要有以下四种指标510: (1)单位用户接口漏失量 在单位时间内,单位用户接口的漏失水量称 为单位用户接口漏失量,其数学表达式为: a 365 ac p QQ L N (1-1) 式中 p L单位用户接
19、口漏失量(km3); a Q城市供水管网年供水量(km3); ac Q城市供水管网年漏失量(km3); N用户接口数; (2)单位供水量的管长 在单位时间内(年),单位供水量所对应的管 道长度,其数学表达式如下: t q a L L Q (1-2) 式中 q L单位供水量的管长(km/km3); q L城市供水管网管道总长(km); (3)单位管长漏失量 在单位时间内,单位管道长度的漏失水量称为单 位管长漏失量,其数学表达式为: 8.76 aac h t QQ Q L (1-3) 式中 h Q单位管长漏失量(m3/km/h); (4)漏失率 漏失水量与供水总量的百分比称为漏失率,其数学表达 式
20、为: 100% aac a a QQ R Q (1-4) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 式中 a R漏失率(%); 世界各国的城市供水管网漏失程度的评定指标各不相同,欧洲常采用单位 管长漏失量,也有采用漏失率的。我国供水管网漏损控制及评定标准 (CJJ92-2002) 中规定可采用单位供水量的管长、 单位管长漏失量以及漏失率。 1.1.2 城市管网漏失现状 我国城市供水管网拓扑结构复杂,铺设冗余一直是困恼着供水企业的难题, 由此引发了一系列问题,居高不下的漏失水平就是其中一个。2003 年,国际水 协组织了一次全球范围内的供水管网漏失普查,英美日等国家都参与其中,表 1-1 给出了这
21、次普查获得的世界各国的漏失水平, 从表中可以看出亚洲地区供水 管网漏失率普遍偏高,单位管长漏失量均大于 1 m3/km/h,其中中国最高,高达 3.41 m3/km/h,是日本的 3 倍,甚至是新加坡以及瑞士的 10 倍。 表 1-1 2003 年各国漏失水平11 (m3/km/h) 国别 漏失率 国别 漏失率 中国(大陆) 3.41 马来西亚 1.22 泰国 2.31 英国 0.81 日本 1.01 瑞士 0.32 巴西 0.53 新加坡 0.31 德国 0.41 西班牙 0.91 由1999 年城市供水统计年鉴的数据显示,1998 年,全国供水漏失总量 为 34.97 亿 m3,平均漏失率
22、为 13%12,不同城市的漏失情况如图 1-2 所示。其 中绝大部分城市平均漏失率超过 10%,而超过 15%的高达 251 个,占总数的 44.7%。 图 1-2 1998 年中国城市供水管网漏损率统计图 我国城市供水管网漏失量基数大,由建设部给出的数据显示,我国长江以 北地区,许多城市漏损率超过 40%。更加令人担心的是城市供水管网漏损率呈 逐年上升趋势。图 1-3 给出了 1992 年到 2002 年全国城市供水管网平均漏损率, 0 50 100 150 200 250 300 =15% 城市个数 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 从图中可以看出供水管网漏损率呈直线上升趋势,其中
23、2002 年时,全国平均漏 损率高达 16.5%,远高于城市给水管网漏损控制及评定标准(CJJ92-2002) 给出的 12%的标准。供水管网漏损现象堪忧。 图 1-3 1992 年到 2002 年中国城市供水管网平均漏失率 2006 年城市供水统计年鉴给出的 2005 年全国各城市漏失情况如图 1-4 所 示,其中绝大部分城市平均漏损率均超过国家规定的 12%的标准,沈阳、长春、 贵阳、拉萨等城市甚至超过 30%,是国家标准的两倍之多,还有部分城市供水管 网漏损率甚至超过 50%。 图 1-4 2005 年全国各城市漏失状况13 1.1.3 城市管网漏失控制发展现状 城市供水管网漏失一直以来
24、都是供水行业难以解决的热点难题,漏失控制 自然也是供水行业的研究重点。世界各国在推进漏失控制研究方面都做出了不 0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0% 10.0% 12.0% 14.0% 16.0% 18.0% 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 漏失率 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 北 京 天 津 石 家 庄 太 原 包 头 沈 阳 长 春 哈 尔 滨 上 海 南 京 杭 州 合 肥 福 州 南 昌 济 南 郑 州 武 汉 长 沙 广
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- 供水 管网 优化 压力 控制 漏失 研究
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