水管网中普遍存在着为满足最不利点服务压力而产生的过剩水头。
这部分能量传统上通过减压阀、调流阀等设备以热能形式耗散，不仅浪费了宝贵的势能，还时常伴随气蚀和噪音。
管道余压发电（In-conduit Hydropower Recovery）正是将此“废弃”压力转化为可用电能的一项微水力技术，是实现水系统低碳化、走向能源中和的关键抓手。
1. 技术原理的深层解构
管道余压发电遵循不可压缩流体的能量守恒，其回收功率可由下式定量描述：
P=η⋅ρ⋅g⋅Q⋅H
式中，
H 为发电可利用的净水头（富余压力水头减去机组自身及管路水头损失），
Q 为通过水轮机的流量，
η为机组总效率（含水力、容积、机械与发电机效率）。
在市政供水环境中，
H 通常在 10~50 m，Q范围跨度大，从支管的小流量到干管的数立方米/秒，对应的可回收电力潜能从千瓦级到数百千瓦级。
核心特征是“压力替代”——发电水轮机及其控制系统充当了智能减压阀的角色。当水流推动转轮时，进口高压能被转换为机械能，出口压力降至管网所需的安全水平。通过动态调节水轮机导叶或转速，可在不影响任何下游用户正常供水的前提下，连续、无损地输出绿色电力。
这种并联或串联于管道上的能量回收模式，属于“非消耗性”能源利用。
2. 关键技术环节的工程深化
实现可靠、高效的余压发电，并非简单地在管道上加装水轮机，它需要跨越水力学、机电控制和安全防护三道关口。
2.1 全域水力评估与选点决策
仅凭经验选点风险极高。
工程上需构建从源头到末梢的管网水力学数字孪生模型（常借助 EPANET 或商用平台进行延时模拟），量化分析时间维度和空间维度上的压力富裕分布。目标不是寻找最高压点，而是寻找“压力冗余度大、流量稳定且对下游扰动容忍度高”的区段，典型如：
净水厂出厂干管（出厂压力有余量且流量集中）；
分区供水减压阀前（原为消能点）；
高位水池至低区管网连接处。
在此阶段，计算流体动力学（CFD）发挥局部优化作用，针对水轮机进口前的异径管、弯头组合进行流态模拟，抑制偏流和漩涡，确保转轮入口速度场均匀，避免引发水力振动或提前气蚀。
2.2 透平机械选型与宽域高效适配
针对供水管网常见的中低水头、流量波动大的特点，机组选型需跳出常规水电思维。
泵作透平（Pump as Turbine, PATs）：将标准离心泵反转运行，具有采购成本低、备件易获取的压倒性优势，是中小型项目的主流选择。其挑战在于固定转速下高效区较窄，应对流量变化时效率急剧下降。
高比转速轴流式或混流式微型水轮机：适用于水头较低但流量丰沛的场景，可配合双调节（导叶+桨叶）机构扩展高效率区。
佩尔顿式水轮机：在供水领域应用需特别慎重，它适用于高水头（通常>80 m）、小流量的丘陵或山前长距离输水管道末端的消能点，而非城市管网常见低压环境。
为解决变工况效率难题，现代方案普遍采用变速发电技术。通过四象限变频器驱动异步发电机或永磁同步发电机全功率变流器，实时调节水轮机转速，实现不同流量下的最佳效率追踪（最大功率点跟踪，MPPT），将高效区由一条线拓宽为一片面。同时，变速控制本身即是一种强大的压力调节手段。
2.3 瞬变流抑制与主动安全控制
水轮机突然甩负荷（如电网脱开）会在管道中产生剧烈的正压或负压水锤，有爆管或液柱分离风险。因此，必须进行瞬变流分析，并结合多级防护：
快速响应旁路：在发电机与管网之间设置液压速动旁通阀或稳压塔；一旦机组电气故障，旁路在数百毫秒内开启，承接过流，维持管网水力连续。
动态压力闭环控制：以高频压力传感器（前置、后置）为感知基础，以水轮机调节机构（导叶、电动针阀或变频器转速指令）为执行器，组成双PID级联控制。正常运行时主控发电功率或流量，边界突破时瞬间切换为恒压优先模式。
冗余与失效安全设计：设置机械飞逸保护、旁路检修闸阀等，确保任何单点故障下，供水服务不受冲击。
2.4 系统集成与能源管理
发的电怎么用决定系统设计。
离网场景可为水质仪表、RTU、阴极保护等提供独立电源；并网场景则注重能效与电能质量。
先进的系统会搭建边缘计算网关，将发电量预测、管网用水量预测结合，给出动态最优运行策略，实现“水-能”联合调度。
3. 真实案例透视
案例一：葡萄牙里斯本 EPAL 管网减压阀发电改造
里斯本供水公司在城市配水环网的一处减压阀（PRV）处并联安装了 PATs 发电机组。利用约 40 米富余水头、部分旁路流量，装机 45 kW，并采用变速控制应对流量波动。项目成功将常年耗散的能量转化为每年约 20 万 kWh 的电力，同时 PRV 后压力平稳度反而提升，实现了消能与产能的双赢。这一案例为全球供水管网减压阀的“动力置换”提供了范本。
案例二：深圳水务集团南山水厂出厂管水轮发电项目
2021 年，深圳市南山水厂在其 DN1200 出厂供水主管上，直接串联一台 110 kW 的管道式水轮发电机。该点富余水头约 25 米，流量充裕且平稳。系统将回收电力直接并入水厂内部电网，供给厂区设备用电。全年满发可达 70 万 kWh 以上，相当于减排二氧化碳数百吨，成为国内城市水厂管道余压并网发电的标志性示范。
案例三：绍兴柯桥平水江供水管道微水力回收
浙江绍兴柯桥供水公司在一条重力供水管线末端，利用 30 余米富余水头装设 PATs 发电系统，为沿线监测终端和阀门控制柜提供离网电源，解决了野外长距离供电难题，其免维护、低成本的特性展示了余压发电在智慧水务末梢的应用潜力。
4. 结语
管道余压发电早已超越概念验证阶段，正迈向标准化、智能化。
当水力评估、高性能透平、变速控制和瞬变抑制这四大技术环节被扎实集成，它不仅是一个“发电装置”，更是具备主动压力管理能力的智慧水网节点。
随着城乡供水高品质化带来的系统压力冗余逐步显现，以及“双碳”战略的纵深推进，这种沉潜于地下的绿色能量必将从点状尝试走向规模复制。
参考文献
Samora, I., Manso, P., Franca, M. J., Schleiss, A. J., & Ramos, H. M. (2016). Energy recovery using micro-hydropower in water supply systems: From assessment to implementation.Journal of Water Resources Planning and Management, 142(4), 04016007.
Carravetta, A., del Giudice, G., Fecarotta, O., & Ramos, H. M. (2012). Pumps as turbines (PATs) in water distribution networks: A new sustainable source of energy.Procedia Engineering, 70, 1066–1075.
深圳市水务（集团）有限公司. (2021). 深圳首个管道水轮发电项目在南山水厂投运. 企业动态报道.
浙江日报. (2022). 绍兴柯桥供水：平水江管道余压发电项目成功并网. 地方能源板块报道.