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如何通过人工智能击破二供痛点,实现节能错峰供水?

  高质量发展的背景下,公共服务的重要性日益凸显,“双碳战略”引领的节能化、智慧化时代开启。8月26日,安徽舜禹水务股份有限公司(以下简称“舜禹股份”)智慧水务研究院副院长、博士后工作站在站博士后姜帅在“2022年(第七届)供水高峰论坛”上做了题为“节能错峰技术助力双碳目标——人工智能在城镇供水调度中的应用”的发言。

  姜帅

  二次供水领域存在的六大应用痛点

  姜帅指出,目前二次供水领域存在诸多的应用痛点,主要体现在以下六大方面。

  第一,供水高峰期时水厂供水能力不足,区域缺水现象突出。高峰时段,缺水、抢水现象频频发生,居民生活受到严重影响。供水紧张,水厂系统运行负荷压力较大。

  第二,供水低峰期时水厂供水能力过剩,无法充分利用。水厂水泵单日的功率曲线存在较大波动,整体运行效率低,耗电量高。尚未充分利用低峰期时水厂富余的供水能力。

  第三,城市供水管网漏损率偏高,水资源浪费严重。管网漏损水量占总用水量的比例较大,最高可达20%。《关于组织开展公共供水管网漏损治理试点建设的通知》指出,公共供水管网漏损率高于12%(2020年)的试点城市(县城)建成区,2025年漏损率不高于8%;其他试点城市(县城)建成区,2025年漏损率不高于7%。

  第四,传统储水设施水体更新率低,水质安全难以保障。水箱水体停留时间过长,更新率低,水龄普遍较高。易滋生细菌、污垢沉淀等二次污染问题,影响居民用水品质。

  第五,不断投资新建水厂,增加地方财政压力。传统的解决思路是对城市供水基础设施的新建和改扩建,为当地政府和自来水公司增加了巨大的经济压力。

  第六,水厂耗电量巨大,能源用量分配和利用率存在优化空间。日间耗电量高,夜间耗电量低,制水单位电耗整体偏高。优化用量分配和利用率,是节能降耗的重要手段。

  节能错峰智慧供水系统为痛点而生

  为了解决以上这些行业痛点,舜禹股份研发了节能错峰智慧供水系统。这套系统由节能错峰供水设备和节能错峰智慧供水云平台,即错峰硬件和软件组成。硬件设备在箱式变频基础上,增加了流量控制装置、压力计、超声波液位计等,水箱采用分割式设计,在清洗水箱时无须停水,同时具备自清洗功能。软件平台内置大禹算法,通过人工智能、机器学习,精准预测居民用水量,可对区域供水进行全局视角的统筹调度。

  技术架构:从全局出发,采取“四步走”策略

  “节能错峰”大家都不陌生,比如生活中的错峰用电,错峰供水也是一样的意思。姜帅介绍了节能错峰的主要原理,高峰期时将水箱阀门开度减小或者关闭,优先使用水箱内的水供给加压区用户,而在低峰期时利用水厂富余供水能力,将水箱内的水补满。这仅仅是单个泵房的错峰调节,如果在每个泵房都使用这样独立的单泵房调节,那么由于泵房彼此之间没有通信,因此还是可能造成补水时间上的冲突。所以,节能错峰智慧供水系统是从全局视角出发,统筹调度区域内的所有泵房,从根本上避免了抢水现象的产生。

  对节能错峰智慧供水系统的研究,舜禹股份采取了“四步走”的策略。第一步是理论研究,包括泵房机组用水量预测,管网运行变量间关联性研究,及供水管网整体错峰调度;第二步是在节能错峰智慧供水实验基地的实验验证;第三步是试点验证,包括合肥市北城部分区域试点、杭州市余杭部分区域试点、温州市部分区域试点;第四步是舜禹水务二次供水项目工程验证。

  论坛现场,姜帅详细介绍了以上四个研究步骤。

  理论研究工作主要集中在三个算法上:泵房机组用水量预测算法、管网运行变量关联性计算和供水管网整体错峰调度算法。

  用水量预测是整个系统的前提,算法以深度回归模型为基本框架,考虑外部因素对用水量的影响,如气温、季节、节假日等,同时结合实时数据反馈,以达到对用水量的精准预测。变量关联性计算是整个系统的基础,这里主要是指建立动态水力计算模型,用于针对不同的备选策略,计算供水管网相关变量的值。错峰调度是整个系统的目标,它以数学规划为框架,目标方程是管网压力标准差或区域流量标准差,决策变量是各个泵房可调节电动阀门开度,约束包括水厂最大输出流量、扬程上下限、水箱液位上下限等。

  完成以上算法后,舜禹股份在公司自建的节能错峰实验基地进行了大量模拟实验验证。目前,公司与合肥供水集团已就节能错峰智慧供水系统开展全面合作,共同选定了合肥市北城区高速以北9个小区作为首批试点。

  四大竞争优势,引领行业变革

  目前,舜禹股份已荣获国家高新技术企业、国家“专精特新‘小巨人’企业”、国家级“服务型制造”示范企业等荣誉,获批成立节能错峰智慧供水系统技术研发中心等研发机构。

  舜禹股份在二次供水行业竞争上,主要具备全生命周期服务、技术研发、工艺和质量控制及项目经验等优势。聚焦到节能错峰智慧供水系统,目前已取得多项阶段性成果。“整个系统研究的推进离不开公司提供的研究平台。”姜帅指出,节能错峰智慧供水系统的推广与应用,主要依托于公司自身的行业竞争优势和商业模式。该系统由舜禹股份牵头,联合合肥供水集团有限公司、阜阳市供水总公司等47家水务公司共同发起。舜禹股份未来将引领水务行业装备制造和智慧低碳新变革。

  该系统的核心发明专利“一种基于云技术的节能错峰智慧供水系统”已获得授权;围绕该专利布局的知识产权体系也在逐渐建立,如实用新型“一种智能错峰调蓄安防供水系统”。

  2020年,舜禹股份获批成立我国第一个以“节能错峰智慧供水技术”为主题的研发中心,目前已与中科大、合工大、安建大等高校建立了产学研合作。2021年4月,合肥供水集团与舜禹股份联合申报主编的《节能错峰智慧供水系统工程技术规程》获批,7月份在舜禹股份召开了标准编制启动会暨第一次工作会议。目前已经组织召开了专家评审会,近期会申请发布标准初稿,进行意见征求。

  2021年6月,舜禹股份主持的“节能错峰智慧供水系统开发研究”项目通过国家住建部科研开发项目立项。2021年11月,姜帅本人以“节能错峰智慧供水系统研究及示范”为课题,成功获选2021年国家人社部全国博士后管委会与安徽省人社厅共同资助的博士后国际交流计划引进项目,安徽省共5个名额,舜禹水务也是唯一获选的企业博士后工作站。

  直销为主,产业化进程已经起步

  在商业模式上,舜禹股份采取的主要是以直销为主的销售模式,主要依托营销管理中心对外开展产品和服务的推广与销售。节能错峰智慧供水系统的产业化进程已经起步。自2016年11月起,合肥供水集团明确规定,全市新建小区且二次供水水箱容积大于50立方米的小区,必须实施错峰供水建设,同时逐步对已接管泵房进行改造。节能错峰智慧供水系统将迎来更为广阔的应用场景。

  助力实现“双碳”目标,四大产业效应释放

  姜帅介绍,节能错峰智慧供水系统主要有以下四大产业效应。

  首先,可以解决抢水问题,响应双碳战略。统筹调度区域供水,切实解决居民用水高峰期抢水问题。通过错峰供水,实现错峰用电,是供水行业响应国家双碳战略的有效途径。

  其次,提高供水效率,优化能源利用。在高峰期时最大限度地使用设备供水,以达到对水厂出水量削峰填谷的效果。水厂水泵的运行功率曲线更为平稳,提高整体供水效率。

  第三,匹配城市需求,节省新建投入。最大化利用分散在各个站点设备的调蓄功能,使得区域水厂的供水能力得到极大提升。通过更好地匹配城市用水需求,节省了新建水厂包括建设能耗和运营能耗在内的大量资源消耗。

  第四,平衡管网压力,降低运营成本。稳定管网压力,显著改善管网漏损和老化程度,减少输送过程中水的流失,提升供水水质。提供更多数据支持,助力调度算法的不断优化,确保调度指令的准确执行。