CN117634364A - 基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于供水管网设计领域，公开了一种基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法，包括以下步骤：构建概化水力模型；对水力模型进行平差分析与核算；分别计算管网中的能量富余比、能量损失比、非有效能量比、供水能量有效利用率，对管网进行能耗评估；根据管网能耗评估结果，针对不同的新建或改造目标提出相应的新建或改造方案。本发明以、、、这四个评价指标对管网的能耗进行评估，为管网新建和改造方案的决策提供量化指标参考。
Description
技术领域
本发明属于供水管网设计领域，提供了一种基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法，用整体的思想构建一套供水管网能量评估体系，考虑整个管网的各部分有效能量和非有效能量（包括富余能量和损失能量）的占比，以指导管网的不同新建和改造方案的经济性和能量损失对比及最优方案的确定。
背景技术
供水系统通常由原水、输水管道、水厂及泵站、供水管网组成，在城市建设中具有举足轻重的作用，尤其是供水管网关系到居民用水的可靠性、安全性和稳定性。供水管网的主体功能是将水厂处理达标的水输配到各用户，保证各用户所需的水量，保证配水管网足够的水压，并保证水质达标，同时保证供水的连续性。在供水系统中，管网的投资很高。给水工程总投资中，输水管渠和管网所占费用（包括管道、阀门、附属设施等）是很大的，一般约占70%~80%。
城市供水管网的能耗中，克服管网的水头损失和满足最小服务水头以及多余水头的能耗占很大比重，是供水系统运行费用的重要组成部分，此部分具有巨大的节能潜力。因此，对给水管网的技术经济合理性进行研究，探讨如何对给水管网进行合理布局、优化设计和节能改造，以期达到降低投资、节约能量的目的，具有重要的经济效益和社会意义。
目前，城市供水管网的设计以《室外给水设计标准》GB 50013-2018、《城市给水工程规划规范》GB 50282-2016等规范为依据，按设计年限内最高日最高时的用水量计算，各管段流量确定后以经济流速来确定管径，求出所有管段的直径、水头损失和水泵扬程后，在此管径基础上，核算按最高用水时确定的管径和水泵扬程能否满足以下三种用水情况下的水量和水压要求：1、最不利管段发生故障时；2、消防时；3、最大转输时（管网中有水塔时）。但现在往往只关注控制点达到最小服务水头而没有从整体考虑，导致整个管网有较大的能量富余，管网整体压力偏高，加之水源到各节点的管段水头损失导致的能量损失，既增加了能耗，又会导致管网漏损增大甚至爆管。因此，管网在实际运行中存在以下问题：
（1）目前的管网设计中主要关注的是控制点是否达到最小服务水头、各管段的水头损失大小等局部情况，没有从整体上考虑供水管网的能量评估，导致整个管网有较大的能量富余，加之水源到各节点的管段水头损失导致的能量损失较大，使管网整体压力偏高，既增加了能耗，又会导致管网漏损增大甚至爆管，因而其实际运行效果不甚理想；
（2）目前鲜有对供水管网能量损失和能量富余进行定量化科学评估的指标体系，导致对各种管网规划、设计与改造方案的评估缺乏指标的指引，难以量化评估。
基于此，本发明拟采用管网能量损失比、管网能量富余比等指标，以期可以作为管网建设投资与运行成本测算中管网运行成本的替代指标，指导管网新建、改造和节能运行，减少管网漏损和爆管事故，为保障城市供水管网稳定、可靠地供水，提升用户用水舒适度提供科学依据。
发明内容
给水管网新建或改造，是在满足用户所需水量和水压的前提下，以管网全生命周期初的费用折算值为评价指标，假设设计年限内的物价保持不变，通过某一折现率换算到全寿命周期初时的费用，即财务净现值（Financial Net Present Value，FNPV）。其中管网新建方案以总费用（包括管网建设投资费用与管网运行管理费用之和）的财务净现值最小为最优，管网改造方案则以总费用（包括管网改造投资费用与管网改造方案的运行管理节约费用之和）的财务净现值大于0且最大为最优。管网运行管理费用主要考虑输水动力费用，所以必然涉及输水能量与富余能量的计算。降低管网的运行管理费用，即降低输水能量与富余能量对给水管网新建和改造很关键。
本发明旨在解决现有管网新建和改造时没有从整体上考虑供水管网的能量评估、对各种管网规划与设计方案缺乏指标指引而难以量化评估的技术问题。为此，本发明提供一种基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法，拟采用管网能量损失比、管网能量富余比等指标，以期可以作为管网建设投资与运行成本测算中管网运行成本的替代指标，指导管网新建、改造和节能运行，减少管网漏损和爆管事故，为保障城市供水管网稳定、可靠地供水，提升用户用水舒适度提供科学依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法，包括以下步骤：
步骤一，根据管网的基本参数构建管网系统的概化水力模型；
步骤二，对管网的水力模型进行平差分析与核算；
步骤三，分别计算管网中的能量富余比、能量损失比/>、非有效能量比/>、供水能量有效利用率/>，对管网进行能耗评估；
步骤四，根据管网能耗评估结果，针对不同的新建或改造目标提出相应的新建或改造方案。
优选的，所述步骤一中，基本参数包括供水管网的拓扑结构、管长、管径、节点标高、水厂和泵站信息。具体在管网计算中，对管网加以简化，保留市政主要的干管，略去一些次要的、水力条件影响较小的管线，以此建立管网的概化水力模型，基本上能反映实际用水情况。
优选的，所述步骤二中，管网平差需要满足以下约束条件：
1、节点压力约束：市政供水必须保证用户的水压要求，所有节点的自由水压必须满足当地规定的最小服务水头如28m，即H i ≥H min ；H i 、H min 为节点的实际水压和最小水压，m；
2、能量守恒方程：在环状管网中，必须满足每一个环中所有管段的水头损失之和为0，即Lh=0；L为回路矩阵；h为管网系统的水头损失，m；
3、节点连续性方程：供水管网中对于任一节点来说，流向该节点的流量和从该节点流出的流量必须相等，即Aq+Q=0；A为衔接矩阵（联系矩阵）；q为管网系统的管段流量，m3/s；Q为管网系统的节点流量，m3/s；
4、压降方程：各管段的水头损失为管段两头节点的水头之差，满足 ，m=1.852~2；h为管网系统的水头损失，m；s为摩阻系数；q为管网系统的管段流量，m3/s。
优选的，所述步骤三在计算时，将管网在所有节点处通过水量输送给用户的最小需要能量定义为有效能量，单位为kW，其计算方式如下：
式中，/>为管网中各节点最小服务水头，m；/>为管网中各节点的流量，m3/s；/>为水的密度，1000kg/m3；/>为重力加速度，9.81m/s2；/>为水的重度，9800N/m3；/>为管网中的节点总数。
优选的，所述步骤三中，所述能量富余比为富余能量/>与有效能量/>的比值，即：
式中，富余能量为管网中所有节点的富余能量之和，单位为kW。
其中，所述富余能量为管网中所有节点的能量/>与有效能量/>的差值，单位为kW，按下式计算：
式中，为管网中各节点最小服务水头，m；/>为管网中各节点流量，m3/s；/>为管网中各节点的自由水头，m；/>为水的重度，9800N/m3；/>为管网中的节点总数。
因此，能量富余比按下式计算：
而管网所有节点的富余能量为：/>。因此，能量富余比/>越小表明管网的能量富余越小；
优选的，所述步骤三中，所述能量损失比为损失能量/>与有效能量/>的比值，即：
式中，损失能量为管网的所有管段水头损失导致的能量损失之和，单位为kW。其中，所述损失能量/>按下式计算：
式中，为管网中的节点总数；/>为节点序号；/>为节点/>对应的供水管道总数；/>为的序号；/>为节点/>对应的管道/>的长度；/>为节点/>对应的管道/>的水头损失；/>为节点/>对应的管道/>的比阻；/>为节点/>对应的管道/>的流量；/>为节点/>对应的管道/>的摩阻系数；/>取值1.852~2，根据水头公式的不同而定。
因此，所述能量损失比按下式计算：
而管网所有节点的损失能量为：/>。因此，能量损失比/>越小表明管网的水头损失越小。
优选的，所述步骤三中，非有效能量比为能量富余比/>能量损失比/>之和，即：。因此，非有效能量比/>最小表明管网的运行成本最低。
优选的，所述步骤三中，所述供水能量有效利用率为能量总需求/>与能量总供给/>的比值，即：
式中，能量总供给为送水泵站出水管中心标高/>与基准标高/>之差所产生的势能和送水泵站提供的动能一起提供。即：
式中，为水的重度，9800N/m3；/>为送水泵站提供的总流量，m3/s。
基准标高按下式计算：
式中，为管网中各节点的地形标高；/>为管网中各节点流量，m3/s；/>为送水泵站提供的总流量，m3/s。
因此，所述能量总供给按下式计算：
。
所述能量总需求为有效能量和富余能量以及损失能量之和，即：
。
因此，供水能量有效利用率按下式计算：
一般的，计算的供水能量的有效利用率的范围在0~1，/>越大，表明供水能量的有效利用率越高，即水厂供水能量富余得越少。
与现有技术相比，本发明有益效果是：本发明提出以能量富余比、能量损失比/>、非有效能量比/>、供水能量有效利用率/>对供水管网进行能耗评估，为管网新建和改造方案的决策提供量化指标参考，从而为供水管网采取哪种方案能够最大程度地降低管网的运行成本，同时为节能和降低漏损提供指导和参考，有利于促进供水设计人员和供水企业人员之间的高效沟通； 具有实用性和操作性强的优势，可便捷、快速、可靠地评价整个供水管网的能量损失和富余、能量有效利用率等情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的管网能量评估指标图；
图2是本发明提供的管网能量总供给构成图；
图3是本发明提供的管网的能量损失和能量富余示意图；
图4是本发明提供的某县的管网拓扑图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法，包括以下步骤：
步骤一，根据管网的拓扑结构、管长、管径、节点标高、水厂和泵站信息等基本参数构建管网系统的概化水力模型；具体在管网计算中，对管网加以简化，保留市政主要的干管，略去一些次要的、水力条件影响较小的管线，以此建立管网的概化水力模型，基本上能反映实际用水情况。
步骤二，对设计管网的水力模型进行平差分析与核算；其中：管网平差需要满足以下约束条件：
1、节点压力约束：市政供水必须保证用户的水压要求，所有节点的自由水压必须满足当地规定的最小服务水头如28m，即H i ≥H min ；H i 、H min 为节点的实际水压和最小水压，m；
2、能量守恒方程：在环状管网中，必须满足每一个环中所有管段的水头损失之和为0，即Lh=0；L为回路矩阵；h为管网系统的水头损失，m；
3、节点连续性方程：供水管网中对于任一节点来说，流向该节点的流量和从该节点流出的流量必须相等，即Aq+Q=0；A为衔接矩阵（联系矩阵）；q为管网系统的管段流量，m3/s；Q为管网系统的节点流量，m3/s；
4、压降方程：各管段的水头损失为管段两头节点的水头之差，满足 ，m=1.852~2；h为管网系统的水头损失，m；s为摩阻系数；q为管网系统的管段流量，m3/s。
步骤三，分别计算管网中的能量富余比、能量损失比/>、非有效能量比/>、供水能量有效利用率/>，对管网进行能耗评估，如附图1所示；
步骤四，根据管网能耗评估结果，针对不同的新建或改造目标提出相应的新建或改造方案。
优选的，管网模型建立后，在步骤三进行计算前，对模型定义如下参数：
管网在所有节点处通过水量输送给用户的最小需要能量定义为有效能量，单位：kW；有效能量/>按下式计算：
管网中所有节点的能量定义为，单位：kW；其按下式计算：
；
管网中所有节点的富余能量定义为，单位：kW；其按下式计算：
；
上式中，为管网中各节点最小服务水头，m；/>为管网中各节点流量，m3/s；/>为管网中各节点的自由水头，m；/>为水的密度，1000kg/m3；/>为重力加速度，9.81m/s2；/>为水的重度，9800N/m3；/>为管网中的节点总数。
在供水管网的概化水力模型建立并平差后，管网中的一部分非有效能量为各节点的自由水头比节点的最小服务水头多出的能量，即：将管网中所有节点的富余能量与有效能量的比值定义为管网的能量富余比/>。
因此，管网中的能量富余比的计算方式为：管网中所有节点的富余能量/>与有效能量/>的比值，即：
上式中，分子是所有节点的富余能量，分母是所有节点的有效能量。能量富余比的值越低，则供水管网富余的能量越低，管网越节能。
因此，管网所有节点的富余能量（kW）为：/>。
管网中还有另一部分非有效能量，为管网输水过程中的能量损失，即将管网中所有管段水头损失导致的能量损失之和与有效能量的比值定义为能量损失比/>。
因此，管网中能量损失比的计算方式为：损失能量/>与有效能量/>的比值，即：
式中，损失能量为管网的所有管段水头损失之和，单位为kW。其中，所述损失能量/>按下式计算：
式中，为管网中的节点总数；/>为节点序号；/>为节点/>对应的供水管道总数；/>为的序号；/>为节点/>对应的管道/>的长度；/>为节点/>对应的管道/>的水头损失；/>为节点对应的管道/>的比阻；/>为节点/>对应的管道/>的流量；/>为节点/>对应的管道/>的摩阻系数；/>取值1.852~2，根据水头公式的不同而定。
因此，所述能量损失比按下式计算：
而管网所有节点的损失能量为：/>。因此，能量损失比/>越小表明管网的水头损失越小。
以上两部分非有效能量的比值之和定义为非有效能量比，即：/>。因此，非有效能量比/>最小表明管网的运行成本最低。
如附图2所示，管网的能量总需求为有效能量与非有效能量（包括富余能量和损失能量）之和，定义为能量总需求（kW）。即：。
管网的能量总供给由水厂提供势能和送水泵站提供动能，定义能量总供给为（kW），由水厂送水泵站出水管中心标高/>与基准标高/>之差所产生的势能与送水泵站提供的动能一起提供，如附图2和附图3所示，能量总供给为/>与能量总需求/>之差为管网的过剩能量ΔE（kW），ΔE必须≥0才能正常供水。能量总供给/>按下式计算：
式中，为水的重度，9800N/m3；/>为送水泵站提供的总流量，m3/s。
基准标高按下式计算：
式中，为管网中各节点的地形标高；/>为管网中各节点流量，m3/s；/>为送水泵站提供的总流量，m3/s。
通常情况下，；但当/>时，表明水厂供水能量不足，无法满足管网的运行需求；当/>时，表明水厂供水能量有富余（如部分超高位水厂重力输水）。因此，定义供水能量的有效利用率为/>。
供水能量有效利用率为能量总需求/>与能量总供给/>的比值，即：
一般的，计算的供水能量的有效利用率的范围在0~1，/>越大，表明供水能量的有效利用率越高，即水厂供水能量富余得越少。
具体实施时，如附图4所示，将上述四个评价指标应用到某城市供水管网。该供水管网系统经过概化，包含水源2个，节点198个，管段212条，经计算得到管网的能量富余比=1.31，能量损失比/>=0.32，非有效能量比/> =1.63，供水能量的有效利用率/>=0.9992。
从以上指标可以看出：该管网的能量富余较大，可针对降低管网能量富余的目标提出一定的改造方案，以降低能量富余比，最后对各改造方案进行总费用的财务净现值比较，以总费用的财务净现值大于0且最大的方案为最优管网改造方案。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于全生命周期运行能耗的供水管网系统的能耗评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，根据管网的基本参数构建管网系统的概化水力模型；
步骤二，对管网的水力模型进行平差分析与核算；
步骤三，分别计算管网中的能量富余比、能量损失比/>、非有效能量比/>、供水能量有效利用率/>，对管网进行能耗评估；
步骤四，根据管网能耗评估结果，针对不同的新建或改造目标提出相应的新建或改造方案。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述步骤一中，基本参数包括供水管网的拓扑结构、管长、管径、节点标高、水厂和泵站信息。
3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述步骤三在计算时，将管网在所有节点处通过水量输送给用户的最小需要能量定义为有效能量，单位为kW，其计算方式如下：
式中，/>为管网中各节点最小服务水头，m；/>为管网中各节点的流量，m3/s；/>为水的密度，1000kg/m3；/>为重力加速度，9.81m/s2；/>为水的重度，9800N/m3；/>为管网中的节点总数。
4.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于：所述步骤三中，所述能量富余比为富余能量/>与有效能量/>的比值，即：
式中，富余能量/>为管网中所有节点的富余能量之和，单位为kW。
5.根据权利要求4所述的评估方法，其特征在于：所述富余能量为管网中所有节点的能量/>与有效能量/>的差值，单位为kW，按下式计算：
式中，/>为管网中各节点最小服务水头，m；/>为管网中各节点流量，m3/s；/>为管网中各节点的自由水头，m；/>为水的重度，9800N/m3；/>为管网中的节点总数。
6.根据权利要求4所述的评估方法，其特征在于：所述步骤三中，所述能量损失比为损失能量/>与有效能量/>的比值，即：
式中，损失能量/>为管网的所有管段水头损失导致的能量损失之和，单位为kW。
7.根据权利要求6所述的评估方法，其特征在于：所述损失能量按下式计算：
式中，/>为管网中的节点总数；/>为节点序号；/>为节点/>对应的供水管道总数；/>为/>的序号；/>为节点/>对应的管道/>的长度；/>为节点/>对应的管道/>的水头损失；/>为节点/>对应的管道/>的比阻；/>为节点/>对应的管道/>的流量；/>为节点/>对应的管道/>的摩阻系数；/>取值1.852~2，根据水头公式的不同而定。
8.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述步骤三中，非有效能量比为能量富余比/>能量损失比/>之和，即：/>。
9.根据权利要求6所述的评估方法，其特征在于：所述步骤三中，所述供水能量有效利用率为能量总需求/>与能量总供给/>的比值，即：
式中，能量总供给/>为送水泵站出水管中心标高/>与基准标高/>之差所产生的势能和送水泵站提供的动能一起提供。
10.根据权利要求9所述的评估方法，其特征在于：
所述能量总需求为有效能量和富余能量以及损失能量之和，即：
；
所述能量总供给按下式计算：
式中，/>为管网中各节点的地形标高；/>为管网中各节点的流量，m3/s；/>为送水泵站提供的总流量，m3/s；/>为水的重度，9800N/m3。
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