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如何通過人工智能擊破二供痛點,實現節能錯峰供水?

  高質量發展的背景下,公共服務的重要性日益凸顯,“雙碳戰略”引領的節能化、智慧化時代開啟。8月26日,安徽舜禹水務股份有限公司(以下簡稱“舜禹股份”)智慧水務研究院副院長、博士后工作站在站博士后姜帥在“2022年(第七屆)供水高峰論壇”上做了題為“節能錯峰技術助力雙碳目標——人工智能在城鎮供水調度中的應用”的發言。

  姜帥

  二次供水領域存在的六大應用痛點

  姜帥指出,目前二次供水領域存在諸多的應用痛點,主要體現在以下六大方面。

  第一,供水高峰期時水廠供水能力不足,區域缺水現象突出。高峰時段,缺水、搶水現象頻頻發生,居民生活受到嚴重影響。供水緊張,水廠系統運行負荷壓力較大。

  第二,供水低峰期時水廠供水能力過剩,無法充分利用。水廠水泵單日的功率曲線存在較大波動,整體運行效率低,耗電量高。尚未充分利用低峰期時水廠富余的供水能力。

  第三,城市供水管網漏損率偏高,水資源浪費嚴重。管網漏損水量占總用水量的比例較大,最高可達20%?!蛾P于組織開展公共供水管網漏損治理試點建設的通知》指出,公共供水管網漏損率高于12%(2020年)的試點城市(縣城)建成區,2025年漏損率不高于8%;其他試點城市(縣城)建成區,2025年漏損率不高于7%。

  第四,傳統儲水設施水體更新率低,水質安全難以保障。水箱水體停留時間過長,更新率低,水齡普遍較高。易滋生細菌、污垢沉淀等二次污染問題,影響居民用水品質。

  第五,不斷投資新建水廠,增加地方財政壓力。傳統的解決思路是對城市供水基礎設施的新建和改擴建,為當地政府和自來水公司增加了巨大的經濟壓力。

  第六,水廠耗電量巨大,能源用量分配和利用率存在優化空間。日間耗電量高,夜間耗電量低,制水單位電耗整體偏高。優化用量分配和利用率,是節能降耗的重要手段。

  節能錯峰智慧供水系統為痛點而生

  為了解決以上這些行業痛點,舜禹股份研發了節能錯峰智慧供水系統。這套系統由節能錯峰供水設備和節能錯峰智慧供水云平臺,即錯峰硬件和軟件組成。硬件設備在箱式變頻基礎上,增加了流量控制裝置、壓力計、超聲波液位計等,水箱采用分割式設計,在清洗水箱時無須停水,同時具備自清洗功能。軟件平臺內置大禹算法,通過人工智能、機器學習,精準預測居民用水量,可對區域供水進行全局視角的統籌調度。

  技術架構:從全局出發,采取“四步走”策略

  “節能錯峰”大家都不陌生,比如生活中的錯峰用電,錯峰供水也是一樣的意思。姜帥介紹了節能錯峰的主要原理,高峰期時將水箱閥門開度減小或者關閉,優先使用水箱內的水供給加壓區用戶,而在低峰期時利用水廠富余供水能力,將水箱內的水補滿。這僅僅是單個泵房的錯峰調節,如果在每個泵房都使用這樣獨立的單泵房調節,那么由于泵房彼此之間沒有通信,因此還是可能造成補水時間上的沖突。所以,節能錯峰智慧供水系統是從全局視角出發,統籌調度區域內的所有泵房,從根本上避免了搶水現象的產生。

  對節能錯峰智慧供水系統的研究,舜禹股份采取了“四步走”的策略。第一步是理論研究,包括泵房機組用水量預測,管網運行變量間關聯性研究,及供水管網整體錯峰調度;第二步是在節能錯峰智慧供水實驗基地的實驗驗證;第三步是試點驗證,包括合肥市北城部分區域試點、杭州市余杭部分區域試點、溫州市部分區域試點;第四步是舜禹水務二次供水項目工程驗證。

  論壇現場,姜帥詳細介紹了以上四個研究步驟。

  理論研究工作主要集中在三個算法上:泵房機組用水量預測算法、管網運行變量關聯性計算和供水管網整體錯峰調度算法。

  用水量預測是整個系統的前提,算法以深度回歸模型為基本框架,考慮外部因素對用水量的影響,如氣溫、季節、節假日等,同時結合實時數據反饋,以達到對用水量的精準預測。變量關聯性計算是整個系統的基礎,這里主要是指建立動態水力計算模型,用于針對不同的備選策略,計算供水管網相關變量的值。錯峰調度是整個系統的目標,它以數學規劃為框架,目標方程是管網壓力標準差或區域流量標準差,決策變量是各個泵房可調節電動閥門開度,約束包括水廠最大輸出流量、揚程上下限、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節能錯峰實驗基地進行了大量模擬實驗驗證。目前,公司與合肥供水集團已就節能錯峰智慧供水系統開展全面合作,共同選定了合肥市北城區高速以北9個小區作為首批試點。

  四大競爭優勢,引領行業變革

  目前,舜禹股份已榮獲國家高新技術企業、國家“專精特新‘小巨人’企業”、國家級“服務型制造”示范企業等榮譽,獲批成立節能錯峰智慧供水系統技術研發中心等研發機構。

  舜禹股份在二次供水行業競爭上,主要具備全生命周期服務、技術研發、工藝和質量控制及項目經驗等優勢。聚焦到節能錯峰智慧供水系統,目前已取得多項階段性成果?!罢麄€系統研究的推進離不開公司提供的研究平臺?!苯獛浿赋?,節能錯峰智慧供水系統的推廣與應用,主要依托于公司自身的行業競爭優勢和商業模式。該系統由舜禹股份牽頭,聯合合肥供水集團有限公司、阜陽市供水總公司等47家水務公司共同發起。舜禹股份未來將引領水務行業裝備制造和智慧低碳新變革。

  該系統的核心發明專利“一種基于云技術的節能錯峰智慧供水系統”已獲得授權;圍繞該專利布局的知識產權體系也在逐漸建立,如實用新型“一種智能錯峰調蓄安防供水系統”。

  2020年,舜禹股份獲批成立我國第一個以“節能錯峰智慧供水技術”為主題的研發中心,目前已與中科大、合工大、安建大等高校建立了產學研合作。2021年4月,合肥供水集團與舜禹股份聯合申報主編的《節能錯峰智慧供水系統工程技術規程》獲批,7月份在舜禹股份召開了標準編制啟動會暨第一次工作會議。目前已經組織召開了專家評審會,近期會申請發布標準初稿,進行意見征求。

  2021年6月,舜禹股份主持的“節能錯峰智慧供水系統開發研究”項目通過國家住建部科研開發項目立項。2021年11月,姜帥本人以“節能錯峰智慧供水系統研究及示范”為課題,成功獲選2021年國家人社部全國博士后管委會與安徽省人社廳共同資助的博士后國際交流計劃引進項目,安徽省共5個名額,舜禹水務也是唯一獲選的企業博士后工作站。

  直銷為主,產業化進程已經起步

  在商業模式上,舜禹股份采取的主要是以直銷為主的銷售模式,主要依托營銷管理中心對外開展產品和服務的推廣與銷售。節能錯峰智慧供水系統的產業化進程已經起步。自2016年11月起,合肥供水集團明確規定,全市新建小區且二次供水水箱容積大于50立方米的小區,必須實施錯峰供水建設,同時逐步對已接管泵房進行改造。節能錯峰智慧供水系統將迎來更為廣闊的應用場景。

  助力實現“雙碳”目標,四大產業效應釋放

  姜帥介紹,節能錯峰智慧供水系統主要有以下四大產業效應。

  首先,可以解決搶水問題,響應雙碳戰略。統籌調度區域供水,切實解決居民用水高峰期搶水問題。通過錯峰供水,實現錯峰用電,是供水行業響應國家雙碳戰略的有效途徑。

  其次,提高供水效率,優化能源利用。在高峰期時最大限度地使用設備供水,以達到對水廠出水量削峰填谷的效果。水廠水泵的運行功率曲線更為平穩,提高整體供水效率。

  第三,匹配城市需求,節省新建投入。最大化利用分散在各個站點設備的調蓄功能,使得區域水廠的供水能力得到極大提升。通過更好地匹配城市用水需求,節省了新建水廠包括建設能耗和運營能耗在內的大量資源消耗。

  第四,平衡管網壓力,降低運營成本。穩定管網壓力,顯著改善管網漏損和老化程度,減少輸送過程中水的流失,提升供水水質。提供更多數據支持,助力調度算法的不斷優化,確保調度指令的準確執行。


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