中長距離輸水管線發(fā)生水錘時，管道內(nèi)局部壓力可達到正常工作壓力的幾十倍，甚至更高，具有極大的破壞性，往往造成漏水、停水，淹沒附近建構(gòu)筑物，甚至引起更為嚴重的災(zāi)害及損失。安裝常規(guī)的水錘消除及排氣等裝置可在理想狀態(tài)下對管線起到一定保護作用，但實際應(yīng)用中爆管問題依然頻發(fā)，且缺少實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，也無法預(yù)警及溯源。隨著人工智能/信息化數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基數(shù)智慧化手段對長距離管線進行監(jiān)控及溯源，對管線的安全運行起到了很大的作用，進一步降低了風(fēng)險。

項目位于修水縣第三水廠取水及原水管，水廠設(shè)計規(guī)模為10萬m³/d，現(xiàn)狀一期5萬m³/d。水源為東津水庫，采用浮船取水，取水泵參數(shù)如表1所示，于2010年建成通水。原水管采用DN1 000 PCCP管道，管道壁厚60mm，糙率為130，空氣閥安裝情況見表2所示，該原水管還兼顧了沿線3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)3.2萬m³/d的原水輸水任務(wù)。根據(jù)2021年東津水庫取水泵房取水量數(shù)據(jù)報表，最高日取水量達9.5萬m³/d。

表1 水泵參數(shù)及數(shù)量

表2 原水管及空氣閥安裝位置

在丘陵地帶，由于管線地形起伏和局部高點的存在，在停泵過渡過程中管線局部會產(chǎn)生液體汽化或水柱分離，從而引起一系列急劇的壓力交替升降，對管線的正常運行造成危害。修水原水管圖1為修水三水廠原水管線高程，該項目管線距離長，線路翻山越嶺，高低起伏大，最大落差超過百米，原水管線除設(shè)置一些空氣閥，并未設(shè)置其他壓力防護及水錘消除設(shè)施，多年運行過程中常出現(xiàn)的情況有：①爆管頻繁發(fā)生，從2018年至2020年，累計爆管次數(shù)達16次。②管線距離長，線路偏遠，巡線檢修效率低，導(dǎo)致沿線排氣閥因吹堵無法正常工作，積氣嚴重，影響輸水效率及安全。

2.1 問題分析

通過現(xiàn)場踏勘及瞬態(tài)分析軟件模擬不同取水工況下的水力波動，結(jié)果表明：整條原水管線由于多處空氣閥失效，管線無法正常進排氣，對于多起伏管線，停泵易出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，管路中大量存氣，在事故停泵過程中或再次啟動水泵時，由于管線中存在多處高點，管中易發(fā)生斷流彌合，有可能產(chǎn)生大的壓力升高，引發(fā)爆管事故。同時原水管材質(zhì)也是影響因素之一，有多種原因會導(dǎo)致PCCP鋼絲受損或腐蝕，達到一定程度后就會出現(xiàn)斷裂，進而發(fā)生爆管事故。

水力模型分析軟件采用了由Deltares開發(fā)的主要用于管線的瞬態(tài)分析研究的WANDA軟件，該軟件可實現(xiàn)一體化水力分析和管道系統(tǒng)壓力優(yōu)化設(shè)計，通過水力建模及仿真分析可提供快速可靠的水管道系統(tǒng)的壓力分析。利用該軟件設(shè)定模擬工況為：兩臺小泵一臺大泵穩(wěn)定運行，突然斷電的停泵過渡過程計算水錘分析，設(shè)定計算工況水泵為：出口端設(shè)置有DN400多功能水泵控制閥（配小泵）和DN600液控止回閥（配大泵），設(shè)定止回閥為一階段零流速快關(guān)和二階段緩閉的關(guān)閥方式，2臺小泵后止回閥7s快關(guān)閥門面積的90%，緩閉時間為10s時，關(guān)閉剩余的10%，總關(guān)閥時間為17s。1臺大泵后止回閥7.5s快關(guān)閥門面積的90%，緩閉時間為10s時，關(guān)閉剩余的10%，總關(guān)閥時間為17.5s。

經(jīng)過分析，如圖1和圖2所示，正常高峰期兩臺小泵和一臺大泵（總?cè)∷�量�? 600m³/h）突然失電停啟時，原水管線SS000FM處和SSJING803高點附近管段出現(xiàn)負壓，其中SS000FM處最大負壓為-10m H2O，低于飽和蒸汽壓，存在斷流彌合風(fēng)險。郭家灘處位于管線最低點，壓力波動較大，最大壓力水錘增壓為穩(wěn)態(tài)壓力的1.4倍（該點正常工作壓力為65m H2O，增壓后達到91.8m H2O），接近PCCP管公稱壓力1.0MPa，同時，整條原水管線也缺少科學(xué)的水錘防護及減輕措施，管線的整體安全性較低。

圖1 仿真原水管線絕對水頭壓力包絡(luò)線（改造前）

圖2 仿真原水管線自由水頭壓力包絡(luò)線（改造前）

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 優(yōu)化管道進排氣及水錘泄放設(shè)備

在長距離輸水管道上應(yīng)合理的布置空氣閥，一方面可以削減管道中的負壓現(xiàn)象，防止管路中產(chǎn)生水柱分離及再彌合水錘；另一方面，空氣閥還使空管初次充水階段大量排氣、管道正常運行階段排除管內(nèi)少量空氣，是管道檢修或事故停泵階段大量補氣的必要設(shè)備，以確保進排氣過程平穩(wěn)，泄水通暢，減少系統(tǒng)的壓力波動。

2.2.2 新增管道水力監(jiān)控及平臺建設(shè)

在空氣閥位置安裝水錘監(jiān)測儀及壓力監(jiān)測儀，進行實時監(jiān)測。建立軟件平臺，并對供水管網(wǎng)進行3D建模，對水錘、壓力波動及空氣閥的動作實時監(jiān)測，對異常狀態(tài)報警、預(yù)防以及問題的溯源分析。

項目技術(shù)改造于2021年6月完成。通過更換及新增等方式共安裝17個防水錘空氣閥、5個角型空氣閥、1個水擊泄放閥、3個流量計及配套水錘檢測智慧盒子和壓力表等。防水錘空氣閥采用DN200,1.0MPa,具有信號遠程功能，根據(jù)吸排氣量自動實現(xiàn)高速排氣、節(jié)流排氣、微量排氣、負壓吸氣等功能,節(jié)流塞起跳壓差：5～35 kPa，浮球耐壓5.2MPa。水擊泄放閥采用DN200,1.6MPa,超工作壓力20%開啟。空氣閥設(shè)置如圖3所示。

圖3 防水錘空氣閥改造布置示意

數(shù)據(jù)平臺基于管道GIS信息平臺，收集壓力、流量及空氣閥動作等數(shù)據(jù)。共有壓力監(jiān)測站點8個，流量檢測站點3個，水錘監(jiān)測站點11個。

3.1 水力瞬態(tài)變化效果

根據(jù)改造后正常高峰期2臺小泵和1臺大泵突然失電停啟時的仿真分析，如圖4和圖5所示，管線全線水擊增壓波動范圍明顯減小，停泵時最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1. 1倍以內(nèi)。更換防水錘空氣閥后，在兩處局部高點有負壓，SS000FM處最大負壓為-2.2m，SSJING803處附近最大負壓為-5.5m H2O，未達到汽化壓力。

圖4 改造后仿真原水管線絕對水頭壓力包絡(luò)線

圖5 改造后仿真原水管線自由水頭壓力包絡(luò)線

通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，SS000FM點處負壓最大為-2.5m H2O，與該點仿真分析值相近；SSJING803點處最大負壓為-1.4m H2O，比理論值偏小，可能原因一：該點周邊空氣閥安裝相對較為密集，周邊空氣閥起到協(xié)助作用，可能原因二：該點附近管道存在漏點，導(dǎo)致負壓值得到控制�？傊�通過改造，兩處負壓薄弱點均未達到氣化壓力，更換防水錘空氣閥后滿足一般原水管線安全運行要求。

3.2 管線壓力波動穩(wěn)定效果

統(tǒng)計分析2021年5月10至2021年12月31日時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)，各監(jiān)測點正常運行時的壓力波動如圖6所示。

圖6 部分監(jiān)測點穩(wěn)態(tài)壓力波動

由于管線最不利點為取水水庫壩頂，因此原水管線各檢測點壓力波動主要受取水量變化影響，通過日常運行時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，取水泵站正常運行時12個監(jiān)測點壓力在±5m H2O之間波動，通過改造，壓力波動小，也提高了管道的安全性。

3.3 智慧化平臺功能

平臺構(gòu)建理念按照“整體設(shè)計、統(tǒng)一標準、資源整合、系統(tǒng)集成、共建共享、分級維護”等原則，采用B/S架構(gòu)，構(gòu)建管控“一張圖”，提升水務(wù)核心數(shù)據(jù)庫的利用率及操作的便捷性，實現(xiàn)對管網(wǎng)的壓力、流量等供水設(shè)施的一張圖再現(xiàn)，一體化全過程決策分析和實時監(jiān)管，實現(xiàn)以信息化帶動管理精細化，全面提升管理效能，如圖7所示。基本功能包括：數(shù)據(jù)的查詢功能、設(shè)備實時監(jiān)控功能、壓力異常報警功能。

圖7 壓力管控智慧化平臺界面

3.3.1 數(shù)據(jù)查詢功能

智慧化平臺基于管道GIS系統(tǒng)，包括設(shè)備型號、安裝定位、管道材質(zhì)、埋深標高等靜態(tài)數(shù)據(jù)均可在平臺進行部位點擊查詢，可通過整體、局部等多種視角進行查看，便于工作人員第一時間掌握全局及細部信息。另外對于各檢測點的壓力、流量以及異常統(tǒng)計等，均可進行查詢。

3.3.2 設(shè)備實時監(jiān)測功能

當(dāng)設(shè)備異常時，例如空氣閥微量排氣故障，其閥內(nèi)水位會逐漸下降，同時在有空氣存在的情況下，壓力波動會更急劇，因此系統(tǒng)捕捉數(shù)據(jù)后根據(jù)設(shè)定捕捉閾值進行判定，并在平臺界面上進行告警，便于及時查看和追蹤告警信息，可及時進行維修，保障安全運行，極大提高巡線檢修的效率，有針對性處理長距離管線上各種設(shè)備問題。

系統(tǒng)不僅能夠?qū)�空氣閥的吸排氣動作進行監(jiān)測，判斷空氣閥是否起作用，同時可以對空氣閥監(jiān)測點處的管道壓力進行監(jiān)測，捕捉對系統(tǒng)運行不利的壓力波動，幫助用戶了解系統(tǒng)的調(diào)度過程是否安全。

3.3.3 壓力異常報警功能

當(dāng)監(jiān)測點壓力下降的速度和范圍超過正常壓力波動范圍并且符合爆管設(shè)定的規(guī)則時，系統(tǒng)判斷為疑似爆管或泄水事件，在判斷為爆管或泄水事件的瞬間，在平臺界面上彈出告警通知，及時通知平臺使用者，并在右下方設(shè)置告警列表，對歷史告警事件進行展并查詢。同時根據(jù)爆管時各壓力點的壓力變化進行識別，平臺自動識別出爆管發(fā)生在哪個點位附近，并將結(jié)果推送至平臺及使用者移動端。

圖8 爆管時附近監(jiān)測點壓力波動

2022年1月10日，郭家灘附近發(fā)生爆管事件，位于郭家灘大橋處的壓力監(jiān)測點反饋壓力異常，平臺自動識別疑為爆管，并發(fā)出爆管警報，并在平臺系統(tǒng)圖上監(jiān)測點位持續(xù)高亮閃爍，工作人員及時到現(xiàn)場進行排查，整個爆管事件的響應(yīng)時間大大縮減，及時控制住了爆管事故。

通過爆管事件發(fā)生前檢測點壓力波動進行反推，根據(jù)高程換算，爆管點穩(wěn)態(tài)運行壓力為79m H2O左右，爆管前壓力波峰值為86.9m H2O，而該段管材承壓能力為1.0MPa，基本可排除壓力過高造成爆管事故可能性，考慮管材質(zhì)量及人為可能為爆管主要原因。

通過對原水管線進行壓力管控硬件設(shè)施改造及智慧化平臺建設(shè)，加強了管線輸水壓力的穩(wěn)定性及管控能力，智慧化平臺具有的的查詢功能、設(shè)備實時監(jiān)控功能、壓力異常報警功能，可有效提高管理效能，實現(xiàn)實時診斷，及時發(fā)現(xiàn)問題，并針對性提出解決方案，提高輸水安全性。

（1）通過改造，管線全線壓力波動平穩(wěn)，停泵時最大水擊增壓波為穩(wěn)態(tài)壓力的1.1倍以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范安全運行的要求。實際監(jiān)測中，局部高點處負壓也控制在合理范圍內(nèi)，未低至氣化壓力，有效降低了彌合水錘發(fā)生的風(fēng)險。

（2）通過平臺在線監(jiān)測，可實現(xiàn)壓力異常預(yù)警及反饋，對于爆管等突發(fā)情況可及時進行定位，有效解決丘陵地帶中長距離管線漏點發(fā)現(xiàn)時間滯后的問題，同時為事后溯源，提供有力依據(jù)。

（3）設(shè)備故障診斷功能，極大提高巡線檢修的效率，有針對性處理中長距離管線上各種設(shè)備問題，保障輸水系統(tǒng)安全運行。