基于scada模型的爆管水力學(xué)模型及應(yīng)用

基于scada模型的爆管水力學(xué)模型及應(yīng)用

管道爆炸管道事故的造成的損害非常嚴(yán)重。如果能夠有效監(jiān)控爆波，對整個(gè)城市的水管道運(yùn)行規(guī)劃具有重要意義。目前，許多城市的給水管網(wǎng)系統(tǒng)都建立了基于壓力和流量的自動監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集（scada）。爆波監(jiān)控一直是一個(gè)重要課題，國內(nèi)外科學(xué)家對此進(jìn)行了大量研究。首先，研究了基于爆炸設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。puada等人提出了基于壓力和流量的逆分析，并指出只有在超過定質(zhì)方程的情況下才能獲得更好的精度。后來，波德的等人認(rèn)為，如果管道爆炸管道遭到破壞，壓力波將產(chǎn)生。采用瞬態(tài)水壓法進(jìn)行評估，通過測量節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)、初始壓力波和反射波時(shí)間來評估爆炸管的位置。波的大小反映了爆炸管的程度。波德通過比較現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和管道系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)來評估。在正常情況下，水流坡度角比為1，小于1。王等人和pedro等人根據(jù)管道在正常和錯誤情況下衰減和穩(wěn)定振動流的頻率，提出了抗衰減法和頻率分析法。對于sririger框架，研究采用小波分析的方法來識別和定位爆炸管。ye等人使用人工智能方法進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并根據(jù)流量監(jiān)測和壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。黃燕林等人通過scada系統(tǒng)、模型狀態(tài)估計(jì)和模糊相似的優(yōu)先比，研究了城市水處理廠爆炸管的位置定位研究。供水系統(tǒng)爆管是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,盡管國內(nèi)外關(guān)于爆管監(jiān)控與定位的研究不少,但目前離實(shí)際工程應(yīng)用仍有一定距離.實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)爆管準(zhǔn)確監(jiān)控必須從爆管水力學(xué)機(jī)理著手開展相關(guān)研究.本文結(jié)合某市實(shí)際管網(wǎng)的真實(shí)爆管資料,建立了供水管網(wǎng)爆管水力學(xué)模型,并進(jìn)行了管網(wǎng)爆管漏水量的估計(jì),同時(shí)對爆管后SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測資料進(jìn)行了詳細(xì)分析,探討了如何進(jìn)行爆管的初步定位.1管道爆炸管道的水力學(xué)模型1.1管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算含q的nm-qm管網(wǎng)水力計(jì)算是管道系統(tǒng)分析的基礎(chǔ),能夠輔助管網(wǎng)調(diào)度、管網(wǎng)漏損判斷和爆管等.管網(wǎng)水力模型將用戶用水量折算到節(jié)點(diǎn)上,計(jì)算各管段的流量和各節(jié)點(diǎn)水頭.管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量守恒方程和水頭損失方程如式(1)～(3)所示:∑j?fi±qij+qi=0∑j?fi±qij+qi=0;i=1,2,…,M,(1)qij=Rij(Ηi-Ηj)α,(2)qij=Rij(Hi?Hj)α,(2)Rij=(10.667c-1.852ijd-4.87ijlij)-α.(3)Rij=(10.667c?1.852ijd?4.87ijlij)?α.(3)式中:M表示管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù);qij表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的管段流量,m3/s;qi表示節(jié)點(diǎn)i流量,m3/s;Hi表示節(jié)點(diǎn)i水頭,m;dij表示管段i、j的管徑,m;lij表示管段i、j的長度,m;α=1/1.852;cij表示威廉系數(shù).1.2節(jié)點(diǎn)壓力變化對節(jié)點(diǎn)用戶需求預(yù)測的影響一般管網(wǎng)供水模型假定供水量等于需水量,但在實(shí)際供水過程中,由于水資源不足、管道爆漏等問題,供水量并不能夠滿足用戶用水要求,因此,在計(jì)算中不能使用傳統(tǒng)方法,需要考慮節(jié)點(diǎn)壓力變化對節(jié)點(diǎn)用戶用水量的影響,目前的低壓供水模型主要考慮壓力低于某一閾值后,用水量逐漸減少.本文假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn)自由水頭低于某一閾值時(shí),用戶配水量按比例減少,如式(4)所示:qi={0,Ηi≤0;qnΗi/fi?0<Ηi≤fi;qn,Ηi>fi(4)式中:Hi是節(jié)點(diǎn)i自由水頭,qi表示節(jié)點(diǎn)i的實(shí)際配水量,qn是正常工況條件下節(jié)點(diǎn)i的用水量,fi是管網(wǎng)正常供水情況下自由水頭控制值.1.3基于scad系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的漏水量計(jì)算模型管網(wǎng)爆裂后,引起管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生劇烈的變化,與正常工況有較大差異.SCADA系統(tǒng)能夠記錄爆管前后水壓的變化情況,也能夠記錄水廠水量變化,因此,通常的思路是直接采用水力模型,按照壓力最佳擬合的策略估計(jì)爆管點(diǎn)的漏水量.但針對一個(gè)復(fù)雜管網(wǎng)的管網(wǎng)模型校驗(yàn),用常規(guī)方法短時(shí)間要達(dá)到數(shù)值模擬和實(shí)測壓力誤差小于1.5m仍然是一項(xiàng)難度較大的工作;而且常規(guī)方法無法區(qū)分周邊用戶用水量變化與爆管點(diǎn)的漏水量,原因主要有兩點(diǎn):1)用戶用水量受壓力下降影響而減少;2)爆管點(diǎn)的漏水量無法計(jì)量.而引起在監(jiān)測點(diǎn)位置壓力下降的原因主要有:由于供水量增加,水泵供水水頭下降,而沿線的水頭損失增加.筆者對一些較復(fù)雜的實(shí)際環(huán)狀管網(wǎng)分析,發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)比較明顯的特征:水廠供水引起的管網(wǎng)壓力波動往往占到管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力變化的50%以上;壓力的變化受供水壓力的影響,并不能直接反映水流方向和流量情況,但是水源到用水點(diǎn)的壓差能夠較大程度地直觀反映流量情況.根據(jù)以上思想,結(jié)合SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),可建立估計(jì)爆管點(diǎn)漏水量優(yōu)化計(jì)算模型,如式(5)所示:min∑wm|Δpcalsm-Δpmonsm|.(5)式中:wm表示各監(jiān)測點(diǎn)m的權(quán)重系數(shù),按照距離的倒數(shù)加權(quán),具體公式為wm=∑nj=1ljn/lm;Δpcalsm表示根據(jù)水力模型計(jì)算得到的從水源到各監(jiān)測點(diǎn)m的壓差;Δpmonsm表示從水源到各監(jiān)測點(diǎn)m的實(shí)測壓差.式(5)表示最小化計(jì)算和監(jiān)測點(diǎn)壓差之間的誤差,此時(shí)爆管漏水估計(jì)值就是最接近實(shí)際爆管的漏水量.在計(jì)算的過程中,必須考慮由于壓力變化引起的周邊用戶用水量的減少,才能較好的估計(jì)爆管引起的漏水量.式(1)～(5)構(gòu)成了估計(jì)爆管時(shí)漏水量的管網(wǎng)水力學(xué)模型.2案例研究2.1爆管漏水量水質(zhì)模型某市于2011年8月29日凌晨2:00到2:15之間發(fā)生了重大爆管事故,事故原因是管網(wǎng)中一處主供水管道發(fā)生破裂,淹沒了周邊3個(gè)地下車庫,數(shù)萬用戶的供水、供電和交通等多方面受到影響.該爆管事故恰好發(fā)生在地下車庫附近,主要漏水進(jìn)入地下車庫中,而且爆管前后管網(wǎng)壓力的變化均有詳細(xì)記錄,是一次資料記錄非常完整事故,極具研究價(jià)值.此次爆管的瞬時(shí)爆管漏水量相當(dāng)于一個(gè)50～100萬人口的中等城市供水能力,為了對事故進(jìn)行評估,采用上面所述模型進(jìn)行爆管漏水量估計(jì)和管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析.計(jì)算過程中,采用浙江大學(xué)開發(fā)的CW-NET低壓供水分析模型,該模型在進(jìn)行水力分析時(shí)能同步分析由壓力降低引起的用戶用水量減少.根據(jù)優(yōu)化算法,利用公式(5)得到漏水量ql最優(yōu)解為4.08m3/s(1.47萬m3/h).表1為在設(shè)定爆管后各水源供水壓力,以及ql分別為2.78、4.17、5.56m3/s(1、1.5、2萬m3/h)情況下,周邊各監(jiān)測點(diǎn)m的實(shí)測壓力下降值Δpmmon與不同爆管漏水量ql時(shí)的計(jì)算壓力下降值Δpmcal的對比.由于發(fā)生事故時(shí)漏水主要進(jìn)入爆管點(diǎn)附近的地下車庫,通過對受淹地下車庫的容積分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致,初步估計(jì)誤差應(yīng)該在20%以內(nèi).2.2爆管影響的數(shù)值模擬對比圖1所示為模擬該市管網(wǎng)系統(tǒng)在2:00正常工況下的壓力分布圖,從圖可以看出,在很大范圍為水頭大于40m的高水頭區(qū)域,圖2為2:15爆管發(fā)生時(shí)候的壓力分布,與圖1相比可看出,大于40m的高水頭區(qū)域明顯減少,小于30m的低水頭區(qū)域增加,和爆管位置相距較遠(yuǎn)的管道受影響較小.從整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)值模擬對比中發(fā)現(xiàn),由于爆管引起的漏水量相對整個(gè)城市供水量在7%左右,但對整個(gè)城市2/3以上的區(qū)域有明顯影響.其主要原因是,爆管后引起泵站的負(fù)荷增加,供水壓力大幅下降,而在整個(gè)壓力下降幅度中,約70%由泵站供水壓力下降引起.3爆管前后壓差的變化目前國內(nèi)一些公司應(yīng)用SCADA系統(tǒng)的壓力突降進(jìn)行爆管的報(bào)警,主要是分析壓力下降值,但是效果不理想.引起壓力波動的原因非常多,其中水廠壓力的變化對下游管網(wǎng)壓力往往影響最大.要進(jìn)行管網(wǎng)定位或報(bào)警,首先要剔除水廠壓力波動效應(yīng),對監(jiān)測點(diǎn)到水廠的壓差進(jìn)行分析,可解決這一干擾因素.表2顯示了爆管前后壓力監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化、水源和壓力監(jiān)測點(diǎn)之間的壓差、壓差變化以及排序.表中:Δpksm、Δpsmk+1分別表示爆管前和爆管后水源到各監(jiān)測點(diǎn)m的壓差.爆管發(fā)生后,站前路、龍津路和中山六路3個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)在爆管發(fā)生后壓力下降最大,同時(shí)壓差也出現(xiàn)了明顯下降.而受爆管影響相對壓力小的監(jiān)測點(diǎn),雖然壓力也發(fā)生了明顯的下降,但是壓差反而減小了,即爆管前后壓差比小于1,而爆管位置處的監(jiān)測點(diǎn)壓差比大于1.一些調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為如果簡單以測量的壓力變化大小為標(biāo)準(zhǔn)來判斷爆管可能性,通常誤報(bào)率非常高,如果以2次測量的壓差變化比來評估,會發(fā)現(xiàn),站前路、龍津路和中山六路3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)變化最大(大于1),真正的爆管點(diǎn)就發(fā)生在站前路、龍津路和中山六路之間.同樣,對西村水廠以西、石門水廠以北進(jìn)行分析,均可以看到壓差變化比爆管前減小了(小于1).主要是由于爆管發(fā)生后,更多的水流向爆管點(diǎn),其他地區(qū)壓力下降,用戶用水量減少,如河沙和沙場監(jiān)測點(diǎn)方向水力坡降(壓差)下降35%左右,該區(qū)域流量計(jì)實(shí)測流量減少了17%,水頭下降了5m左右,根據(jù)地形資料,該區(qū)域自由水頭在20m左右,自由水頭下降比例為20%左右.由此可見:(1)壓差的變化能夠比較清晰地反映流量變化,基本符合平方關(guān)系;(2)低壓供水過程中,用水量變化與自由水頭變化基本上一致.在正常工況下不同時(shí)段的每日的水力坡降變化應(yīng)該較平緩,而爆管時(shí),前后壓差會存在比較明顯的變化,整個(gè)管網(wǎng)的壓差變化以爆管點(diǎn)為中心,呈牛仔帽式樣.采用SCADA系統(tǒng)前后2次監(jiān)測數(shù)據(jù)的壓差變化比,能夠初步標(biāo)識水量突變現(xiàn)象,因此,采用壓差變化比的大小來判斷爆管位置是相對可信的事故定位指標(biāo).4結(jié)果分析與討論本文利用常規(guī)的管網(wǎng)水力模型和低壓供水模型,基于SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),建立了供水管網(wǎng)的爆管水力模型,并針對某市的實(shí)際爆管事故進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果比較吻合.通過對實(shí)際爆管事故的數(shù)值和監(jiān)測