一种减轻市政管网压力二次供水优化方法及装置与流程

1.本发明涉及二次供水系统管理领域，尤其是涉及一种减轻市政管网压力二次供水优化方法及装置。


背景技术：

2.随着城市中住宅小区的飞速发展，二次供水系统作为住宅附属配套设施的重要性日益凸显，二次供水系统是指对从城市水管网流入的水进行再次分配流入不同用户的供水系统，一般都设置有水箱作为城市水管网和用户用水间的中转部分。在城市水管网的正常供水时有设定的最经济供水流速，在最经济供水流速时提供相同体积的水消耗的能量最小。在处于用水低谷期时，与水管网连接的各个住宅小区的用水较少，管网内供水大于各住宅小区的用水需求之和，因此不存在部分住宅小区供水不足的问题。在用水高峰期时，各个区域的用水需求增大，处于水管网末端用水区域或用水性质相近的多用户聚集区块会存在水压不足的问题，此时需要增大水管网的供水水压来满足这些区域的用水需求，这种情况下水管网内的水流速远大于最经济供水流速，会极大地增加管网的水压，同时加大供水的能耗；且管网的供水存在上限，当部分区域用水需求过多时，管网末端的区域仍会存在水压不足和供水不足的问题。
3.在中国专利文献中公开的“一种二次供水系统错峰补水调度管理平台”，其公开号为cn108755842a，公开日期为2018-11-06，在若干二次供水系统处均安装有一套数据采集及发射控制设备，数据采集及发射控制设备包括水压开关、单片机模块、边缘计算控制单元、安装在水箱上与市政自来水管网管道相连的电磁水阀，管理方具有上位机，上位机内安装有云平台数据接收系统、大数据分析单元、生产决策调度单元、资产分布数据库单元、开放平台数据接口、角色管理单元、应用单元，管理方还具有可视化视频和数据监视平台，应用单元包括管理方手机端app、电脑端程序。该技术在每个供水系统处都安装有大量数据采集装置和发射控制设备，同时通过管理房的上位机接收所有数据进行处理来对每个二次供水系统进行调节，需要花费大量成本用于设置装置设备，且数据处理运算量大；此外该技术在控制水箱进水时，电磁阀门只设置进水和不进水两种状态，当相邻的若干个二次供水设备都打开进行进水时同样会在局部地区产生水压不足的问题，依然会使得管网水压波动幅度大，供水能耗增加。


技术实现要素：

4.本发明是为了克服现有技术中用水高峰期供水时仍然需要极大地增加管网供水水压、增大能耗，以及用水性质相近的相邻二次供水系统仍然存在供水不足的问题，提供了一种减轻市政管网压力二次供水优化方法及装置，根据历史供水数据计算日用水参考曲线和日均用水流量，以日均用水流量为基准计算平均补水流量在用水高峰期前提前蓄满水箱，在用水高峰期充分利用水箱的可调蓄水体积进行错峰平抑进水操作，从而降低用水高峰期时的水管网压力，减少管网内水压和水量流速波动，节省能耗。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻市政管网压力二次供水优化方法，包括：s1、收集历史供水数据，计算得到日用水参考曲线及用水高峰期时间段；s2、以用水高峰期开始时间提前一定时间量δt作为前置时间，从前置时间开始提前蓄满水箱；s3、在用水高峰期时间段内根据水箱的实际蓄水量进行错峰平抑进水操作。
6.本发明中的二次供水优化方法是通过提前蓄满水箱，并利用水箱中可调蓄的水量作为缓冲，来减少在用水高峰期时通过管网流入用户处的水量，在用水高峰期这个时间段内，用户的实际用水总量是水箱内可调蓄的水量与通过管网流入的水量之和，同时在非用水高峰期时有通过管网对水箱进行补水，使得全时段中管网内的水流量更加平缓，也减少了供水水压的大幅度波动，通过充分利用水箱内的蓄水量来使得管网内的水流始终保持在最经济供水流速附近波动，从而减少供水能耗。
7.作为优选，所述s1中任取一日作为基准日，取基准日前若干天同时刻的实际用水流量的平均值作为该时刻的参考流量，得到基准日的日用水参考曲线；计算基准日的日均用水流量，在基准日内用水量超过日均用水流量的连续用水时间段设定为用水高峰期。
8.本发明中任选一基准日可以说明数据选取和计算结果的普适性，同时对于参考流量以及日用水参考曲线的计算以基准日前若干天同时刻的平均值作为标准，可以减少某一日突发因素造成的流量波动对参考流量的影响和偏差；此外可以不断更新选取的基准日，来不断更新日用水参考曲线，从而应对不同的季节或其他因素对用水量的影响。
9.作为优选，所述s2包括以下步骤：s21、根据日用水参考曲线及水箱的调蓄容积计算提前时间量δt和前置时间；s22、通过水箱内的实际待补充水量除以提前时间量δt计算得到平均补水流量；s23、从前置时间开始进行补水，在用水高峰期开始前蓄满水箱。
10.本发明中在全时间段中始终有水以一定的进水流量从管网进入水箱，但是由于进水流速与用户用水流量的差异会使得水箱液位波动低于最高液位，因此在用水高峰期开始前需要先提前将水箱的水补满使得水箱的可调蓄水量达到最大值；用水高峰期开始时间减去提前时间量就是前置时间，从前置时间开始在原先进水流量的基础上增加平均补水流量来补满水箱。
11.作为优选，所述s3包括以下步骤：s31、根据水箱的可调蓄实际水量计算满足用水高峰期供水的最小参考进水流量；s32、通过最小参考进水流量和实际用水量调节控制用水高峰期的实际进水流量；s33、在用水高峰期时间段内以实际进水流量对水箱进行补水直到用水高峰期结束。
12.本发明中在用水高峰期时采用水箱中可调蓄水量和管网供水同时对用户侧进行供水，在不利用水箱中的水量时，用户用水全都有管网提供，因此在用水高峰期时需要极大地提高水压增加水流量，而在结合水箱中可调蓄的水量后，在用水高峰期时间段的使用掉的水有一部分由水箱内的水提供，从而减少了从管网供水的需求，也就减轻了光网供水压力。
13.作为优选，所述提前时间量δt和前置时间通过如下方式计算得到：从前置时间到
用水高峰期开始之间的这段提前时间量内，通过管网提前对水箱的补水总量与相同时间段内通过日用水参考曲线计算得到的用水总量的差值，和水箱的最大调蓄容积相等；从而计算得到提前时间量。
14.本发明中在计算时，管网提前对水箱的补水总量可以设定为在整个提前时间量范围内以恒定的进水流量进水，同时该进水流量可以选取日用水参考曲线中的日均用水流量来计算，目的在于使管网的供水基本保持在日均用水流量附近波动，减少了管网水压的大幅度变动；由该方式计算得到的提前时间量和前置时间是一个保守结果，由于水箱内液位高于最低也为且进水流量可以适当提升，所以补满水箱的时间会缩短，即可以适当延后前置时间。
15.作为优选，用水高峰期时间段内的最小参考进水流量的计算方法如下：最小参考进水流量与用水高峰期时间长度的乘积和水箱中可调蓄的实际水量之和，等于在用水高峰期时间长度内通过日用水参考曲线计算得到的用水总量；从而计算得到最小参考进水流量。
16.本发明中水箱中可调蓄的实际水量通过测量实际液位计算得到，以整个用水高峰期时间长度进行整体考虑，在完全利用可调蓄水量的情况下，用户侧在用水高峰期内消耗的用水量刚好等于管网处总的进水量与水箱内可调蓄水量之和。
17.一种减轻市政管网压力二次供水优化装置，包括：控制中心，用于对收集的供水数据的处理以及控制整个装置的工作；调节阀，用于调节控制从管网进入水箱的水流量；流量计，用于测量收集从水箱流量用户侧的实际用水量；液位计，用于检测水箱内的实际液位。
18.本发明中在一个二次供水优化装置处设置有一个控制中心，即每个住宅区域都有自己相对独立的错峰平抑进水控制系统，因此不需要对所有与市政管网连接的住宅区域的用水数据进行处理；此外调节阀设置在水箱和管网之间，可以是开度可调的也可以是开度不可调的；流量计设置在水箱与用户侧用水之间；液位计设置在水箱上检测实际液位；这些用水数据采集传输到控制中心后有控制中心调节控制调节阀的工作。
19.本发明具有如下有益效果：根据历史供水数据计算日用水参考曲线和日均用水流量，以日均用水流量为基准计算平均补水流量在用水高峰期前提前蓄满水箱，在用水高峰期充分利用水箱的可调蓄水体积进行错峰平抑进水操作，从而降低用水高峰期时的水管网压力，减少管网内水压和水量流速波动，节省能耗。
附图说明
20.图1是本发明二次供水优化方法的流程图；图2是本发明实施例中某日的日用水参考曲线；图3是本发明实施例中某日用水早高峰时间内的参考流量和最小参考进水流量；图4是本发明实施例中某日用水早高峰时间内的进水流量曲线；图5是本发明实施例中某日用水早高峰时间内的用水量与进水量。
具体实施方式
21.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
22.如图1所示，一种减轻市政管网压力二次供水优化方法，包括：s1、收集历史供水数据，计算得到日用水参考曲线及用水高峰期时间段；任取一日作为基准日，取基准日前若干天同时刻的实际用水流量的平均值作为该时刻的参考流量，得到基准日的日用水参考曲线；计算基准日的日均用水流量，在基准日内用水量超过日均用水流量的连续用水时间段设定为用水高峰期。
23.s2、以用水高峰期开始时间提前一定时间量δt作为前置时间，从前置时间开始提前蓄满水箱；s2包括以下步骤：s21、根据日用水参考曲线及水箱的调蓄容积计算提前时间量δt和前置时间；提前时间量δt和前置时间通过如下方式计算得到：从前置时间到用水高峰期开始之间的这段提前时间量内，通过管网提前对水箱的补水总量与相同时间段内通过日用水参考曲线计算得到的用水总量的差值，和水箱的最大调蓄容积相等；从而计算得到提前时间量；s22、通过水箱内的实际待补充水量除以提前时间量δt计算得到平均补水流量；s23、从前置时间开始进行补水，在用水高峰期开始前蓄满水箱。
24.s3、在用水高峰期时间段内根据水箱的实际蓄水量进行错峰平抑进水操作；s3包括以下步骤：s31、根据水箱的可调蓄实际水量计算满足用水高峰期供水的最小参考进水流量；用水高峰期时间段内的最小参考进水流量的计算方法如下：最小参考进水流量与用水高峰期时间长度的乘积和水箱中可调蓄的实际水量之和，等于在用水高峰期时间长度内通过日用水参考曲线计算得到的用水总量；从而计算得到最小参考进水流量；s32、通过最小参考进水流量和实际用水量调节控制用水高峰期的实际进水流量；s33、在用水高峰期时间段内以实际进水流量对水箱进行补水直到用水高峰期结束。
25.本发明中的二次供水优化方法是通过提前蓄满水箱，并利用水箱中可调蓄的水量作为缓冲，来减少在用水高峰期时通过管网流入用户处的水量，在用水高峰期这个时间段内，用户的实际用水总量是水箱内可调蓄的水量与通过管网流入的水量之和，同时在非用水高峰期时有通过管网对水箱进行补水，使得全时段中管网内的水流量更加平缓，也减少了供水水压的大幅度波动，通过充分利用水箱内的蓄水量来使得管网内的水流始终保持在最经济供水流速附近波动，从而减少供水能耗。
26.本发明中任选一基准日可以说明数据选取和计算结果的普适性，同时对于参考流量以及日用水参考曲线的计算以基准日前若干天同时刻的平均值作为标准，可以减少某一日突发因素造成的流量波动对参考流量的影响和偏差；此外可以不断更新选取的基准日，来不断更新日用水参考曲线，从而应对不同的季节或其他因素对用水量的影响。
27.本发明中在全时间段中始终有水以一定的进水流量从管网进入水箱，但是由于进水流速与用户用水流量的差异会使得水箱液位波动低于最高液位，因此在用水高峰期开始前需要先提前将水箱的水补满使得水箱的可调蓄水量达到最大值；用水高峰期开始时间减去提前时间量就是前置时间，从前置时间开始在原先进水流量的基础上增加平均补水流量来补满水箱。
28.本发明中在用水高峰期时采用水箱中可调蓄水量和管网供水同时对用户侧进行供水，在不利用水箱中的水量时，用户用水全都有管网提供，因此在用水高峰期时需要极大地提高水压增加水流量，而在结合水箱中可调蓄的水量后，在用水高峰期时间段的使用掉的水有一部分由水箱内的水提供，从而减少了从管网供水的需求，也就减轻了光网供水压力。
29.本发明中在计算时，管网提前对水箱的补水总量可以设定为在整个提前时间量范围内以恒定的进水流量进水，同时该进水流量可以选取日用水参考曲线中的日均用水流量来计算，目的在于使管网的供水基本保持在日均用水流量附近波动，减少了管网水压的大幅度变动；由该方式计算得到的提前时间量和前置时间是一个保守结果，由于水箱内液位高于最低也为且进水流量可以适当提升，所以补满水箱的时间会缩短，即可以适当延后前置时间。
30.本发明中水箱中可调蓄的实际水量通过测量实际液位计算得到，以整个用水高峰期时间长度进行整体考虑，在完全利用可调蓄水量的情况下，用户侧在用水高峰期内消耗的用水量刚好等于管网处总的进水量与水箱内可调蓄水量之和。
31.一种减轻市政管网压力二次供水优化装置，包括：设置在水箱内的液位计，对水箱内的实际液位进行检测；设置在水箱出水口与用户侧用水之间的流量计，对水箱的用水流量进行检测；设置在市政水管网和水箱入水口之间的调节阀，对流入水箱的水流量进行调节；控制中心可以接受流量计和液位计采集的用水数据进行计算分析后控制调节阀的工作来控制进水流量。
32.本发明中在一个二次供水优化装置处设置有一个控制中心，即每个住宅区域都有自己相对独立的错峰平抑进水控制系统，因此不需要对所有与市政管网连接的住宅区域的用水数据进行处理；此外调节阀设置在水箱和管网之间，可以是开度可调的也可以是开度不可调的；流量计设置在水箱与用户侧用水之间；液位计设置在水箱上检测实际液位；这些用水数据采集传输到控制中心后有控制中心调节控制调节阀的工作。
33.实施例一、本实施例中的调节阀是开度可调的。在本发明的实施例中，选取某一住宅区域的二次供水系统进行详细说明，由于住宅区存在不同楼层高度，因此从二次供水系统向用户侧供水时采用高、中、低不同压力的泵组针对不同高度的楼层用户进行供水，在收集历史供水数据时需要将所有泵组的供水数据累加后得到该二次供水系统的历史供水数据。
34.以进行优化供水当天作为基准日，选取基准日前7天同一时刻t的实际用水流量的平均值作为参考流量q1(t)，可以得到如图2所示的日用水参考曲线，图中横坐标为基准日的时间；纵坐标为用水流量，单位为吨每十五分钟。根据全天的日用水参考曲线可以计算得到基准日的参考日均用水流量q
1均
＝4.08吨/15分钟，设定基准日中用水流量超过参考日均用水流量的连续用水时间段为高峰期，则从图2中可以发现两个用水高峰期时间段，分别是从t2为6点30开始到t3为10点45结束的早高峰和从t5为17点30开始到t6为23点30结束的晚高峰。在这里，以前7日同时刻平均值作为参考流量，滚动更新，可以应对季节变换因素。
35.在用水高峰期开始前超前一定的提前时间量δt开始蓄满水箱，首先计算提前时间量δt和前置时间，在图2中t1为早高峰前置时间，t4为晚高峰前置时间。提前时间量δt的计算方式如下所示：
其中ti为用水高峰期开始时间，v
max
为水箱的最大调蓄容积，q为提前进水流量，q1(t)为日用水参考曲线中t时刻的参考流量，t
i-δt则得到前置时间。在本实施例中设定水箱中最低安全液位到最高液位的差值是2米，水箱的横截面积为10平方米，则可以得到水箱的最大调蓄容积为20立方米；对于早高峰前置时间的计算取ti为t2，对于晚高峰前置时间的计算取ti为t5，进而可以通过公式计算出提前时间量δt从而进一步得到前置时间t1和t4。在本实施例中参考日均用水流量q
1均
＝4.08吨/15分钟，即当天总的用水量平均分配到整天的时间段中相当于恒定流量为q
1均
，因此设定提前进水流量q＝q
1均
，在此情况下不需要变动管网内的水流量和水压，可以尽可能保证管网内水压的稳定。在公式中日常用水参考曲线、提前进水流量、最大调蓄容积和高峰期开始时间已知的情况下，可以计算得到提前时间量δt，同时进一步推算得到早高峰前置时间t1为4点15分，晚高峰前置时间t4为13点30分。该计算结果是以提前进水前水箱内液位处于最低安全液位时来计算的，当水箱内的液位高于最低安全液位或者选取的提前进水流量增大时可以缩短提前时间量，即延后前置时间。
36.在计算得到提前时间量和前置时间后，在当天的早高峰前置时间t1或者晚高峰前置时间t4是开始进行提前蓄水操作，首先通过液位计测得水箱中的实际液位高度，结合水箱的横截面积计算得到实际需要补充的水量v1，从而计算得到提前进水时的平均补水流量q
补
＝v1/δt，其中早高峰前置时间的补水流量计算取δt＝t2-t1,；晚高峰前置时间的补水流量计算取δt＝t5-t4；然后根据流量计检测得到当前用户用水的实际流量q(t)和平均补水流量q
补
反馈控制调节阀在前置时间开始后的实际补水进水流量q1(t)＝q(t) q
补
，然后以实际进水流量平稳地在早高峰开始时间t2或晚高峰开始时间t5蓄满水箱。
37.在高峰期开始后充分利用水箱中可调蓄的水量辅助以管网的进水来为用户供水，当用户用水的实际流量q(t)超过参考日均用水流量时，开始进行错峰平抑进水操作，该时间处于早高峰开始时间t2左右或晚高峰开始时间t5左右。进行错峰平抑进水操作时，首先计算最小参考进水流量q
min
：其中ti为用水高峰期开始时间，q1(t)为日用水参考曲线中t时刻的参考流量，v2为水箱可调蓄的实际水量，δt
′
为用水高峰期时间长度。本实施例中以早高峰时间段的进水控制为例进行说明，晚高峰时间段的进水控制方式与早高峰相同。如图3所示，图中参考流量和最小参考进水流量包围的阴影部分面积对应的就是水箱中可调蓄的实际水量v2，从而可以计算得到早高峰时间段内的最小参考进水流量q
min
＝4.45吨/15分钟；在得到最小参考进水流量q
min
后再结合由流量计检测得到的当前用户用水的实际流量q(t)进行反馈控制调节阀在早高峰时间段内的实际最小进水流量q2(t)＝q(t)-q1(t) q
min
，从而平稳地在早高峰结束时间t3合理地用完水箱中的可调蓄水量。如图4所示是早高峰时间段内的实际流量、参考流量、最小参考进水流量和实际最小进水流量的示意图，在当天的实际用水过程中，实际流量并不完全与参考流量相同，会有部分出入，这部分的出入也会直接反应在实际最小进
水流量中。但是由图中可以看出实际流量是围绕参考流量上下小幅度波动的，实际最小进水流量是围绕最小参考进水流量上下小幅度波动的，因此由市政管网进入水箱的供水流量较稳定，水流量和水压不会大幅度变动。
38.如图5所示是本实施例中住宅区域在早高峰时间段内的用水量和进水量曲线图，在整个早高峰时间段内实际用水量约99.1吨，而实际进水量为79.2吨，充分利用了水箱中20吨的可调蓄水量，既使得水箱中储存的水能够充分利用，减少了水箱内死水的积存，同时相对于采用本发明的二次供水优化方法前减少了百分之二十左右的高峰期管网进水，从而减少了住宅区域内高峰期管网供水量，减小了水流量和水压的波动，从而起到平抑高峰期进水的作用，可以改善管网在用水高峰期的压力，同时由于管网内水流量波动减小，降低了需要增大水流量的水压增量，从而节约供水能耗。
39.实施例二、本实施例在实施例一的基础上调节阀由开度可调改为开度不可调，即调节阀只有开启和关闭两种状态，在该种情况下，可以控制调节阀进行间歇进水的方式来实现进水控制，以t＝t1 t2为一个进水周期，其中t1为调节阀进水时间，t2为调节阀关闭时间，通过改变t1的进水时间长度来调节整个进水周期t的平均进水流量，使得进水周期t的平均进水流量符合实施例一中的要求，从而达到和实施例一相同的进水控制效果。
40.上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。