供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李秀東，安同吉 ，陳云凱

（1.萊西市水利局，山東 萊西 266600；2.青州市華通自動化供水設(shè)備有限公司，山東 青州 262500）

目前，在城鄉(xiāng)供水一體化的建設(shè)中，由于管線長，沿途環(huán)境復(fù)雜，人工維護(hù)巡視周期長等原因，一旦出現(xiàn)管道破裂或滲漏等問題，根本無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而造成電能、水資源的浪費(fèi)。同時(shí)，由于遠(yuǎn)距離管線供水管路損耗大，能源損耗也明顯加大，如何節(jié)能降耗、保障供水管網(wǎng)末端壓力要求等，也是迫切需要解決的問題。針對這些問題，經(jīng)分析研究，提出了《城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程信息數(shù)字化自動采集與智能化管理控制技術(shù)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用》項(xiàng)目，以達(dá)到用末端壓力、流量控制供水電機(jī)轉(zhuǎn)速來節(jié)能降耗，監(jiān)測管道破裂和滲漏，保障末端供水壓力、流量等目的。

1 項(xiàng)目概述

通過分析本地區(qū)城鄉(xiāng)供水管路建設(shè)的實(shí)際情況，確定建設(shè)：一級主管道壓力、流量監(jiān)測點(diǎn)，二級主管道壓力、流量監(jiān)測點(diǎn)，最末端壓力、流量監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際情況確定；信息采集控制中心一套，控制中心采用雙機(jī)冗余模式互為備用；出口壓力控制備用系統(tǒng)一套，以便出現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)故障或數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障時(shí)可以及時(shí)使用。壓力監(jiān)測點(diǎn)采集壓力、流量信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)返回信息中心。經(jīng)過信息中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)末端壓力控制供水電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 軟件系統(tǒng)主要功能

1）采集監(jiān)測點(diǎn)的壓力、流量信息，作為末端壓力控制的基礎(chǔ)壓力信息和采集點(diǎn)故障信息。2）根據(jù)用戶需要選擇：一級主管道壓力監(jiān)測點(diǎn)、二級主管道壓力監(jiān)測點(diǎn)、最末端壓力監(jiān)測點(diǎn)及出口壓力檢測點(diǎn)的壓力控制。3）根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)安裝情況，將管道分段，計(jì)算分析返回的壓力數(shù)據(jù)，提示可能破裂或滲漏的管段。4）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通訊狀況。某一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)通訊中斷自動轉(zhuǎn)為下一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)壓力控制，信息中心網(wǎng)絡(luò)中斷自動轉(zhuǎn)為出口壓力控制，整個(gè)過程提示報(bào)警信息。5）所有數(shù)據(jù)形成報(bào)表，通過本地計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)可查詢。6）設(shè)置壓力上限和下限，超限自動報(bào)警并記錄報(bào)警信息。7）顯示噸水電耗變化曲線，適時(shí)了解能耗變化情況。

3 管道破裂及滲漏監(jiān)測

結(jié)合供水管網(wǎng)布置圖（如圖1示），利用信息中心計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)分析監(jiān)測管道破裂、滲漏情況。軟件系統(tǒng)按照管網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置，人工設(shè)置必要參數(shù)，可分析判斷可能出現(xiàn)的故障管段，發(fā)出聲光提示。

圖1 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置示意圖

3.1 三級管道破裂與滲漏監(jiān)測

監(jiān)測末端壓力（A、B、C、D）點(diǎn)的壓力，與上一時(shí)刻（A、B、C、D）點(diǎn)壓力進(jìn)行比較，如果任一點(diǎn)壓力瞬間下降（例如B點(diǎn)），且一段時(shí)間內(nèi)未恢復(fù)，系統(tǒng)自動檢測管路中壓力最低點(diǎn)，依照滿足末端壓力要求，變頻控制提高供水壓力。在壓力加大的情況下，如果B點(diǎn)壓力沒有提高，而其他監(jiān)測點(diǎn)壓力相比前一時(shí)刻提高，說明B點(diǎn)到二級主管道的管路有破裂或滲漏現(xiàn)象，在軟件系統(tǒng)中顯示此段管道為紅色閃爍，提示檢查。

3.2 二級主管道破裂與滲漏監(jiān)測

1）監(jiān)測末端監(jiān)測點(diǎn)的壓力，計(jì)算平均壓力與上一時(shí)刻進(jìn)行比較。例如（A、B、C、D）點(diǎn)的平均壓力，與上一時(shí)刻相比有大幅度下降，且二級主管道監(jiān)測點(diǎn)③、④、⑤也有一定下降。分析③、④、⑤壓力下降情況，⑤點(diǎn)的壓力小于③、④點(diǎn)壓力，有可能在壓力監(jiān)測點(diǎn)④和⑤之間的管道出現(xiàn)破裂或滲漏現(xiàn)象；④和⑤點(diǎn)的壓力均小于③點(diǎn)的壓力，有可能壓力監(jiān)測點(diǎn)③和④之間的管道出現(xiàn)破裂或滲漏現(xiàn)象；③、④、⑤壓力同時(shí)下降且下降幅度相同，可能③和一級主管道之間出現(xiàn)破裂，此時(shí)一級主管道必定會受到影響，壓力也有所下降。

2）根據(jù)系統(tǒng)滿足最低點(diǎn)壓力運(yùn)行的要求，系統(tǒng)會選擇低點(diǎn)壓力為控制壓力運(yùn)行。提高水泵頻率運(yùn)行后，以控制為主的監(jiān)測點(diǎn)壓力不能提高，且其他監(jiān)測點(diǎn)壓力提高。結(jié)合上面分析的情況可以判斷二級主管道出現(xiàn)破裂或滲漏。

3.3 一級主管道破裂與滲漏監(jiān)測

與二級主管道監(jiān)測相同的原理，計(jì)算二級主管道的平均壓力與上一時(shí)刻進(jìn)行比較，如果平均壓力比上一時(shí)刻有大幅度下降，主管道①、②、⑦、⑧壓力也下降。分析①、②、⑦、⑧壓力下降情況，如果⑦、⑧點(diǎn)的壓力小于①、②點(diǎn)，可能存在②點(diǎn)到⑦、⑧點(diǎn)的管道出現(xiàn)破裂或滲漏現(xiàn)象；如果②、⑦、⑧點(diǎn)的壓力均小于①的壓力，有可能①、②點(diǎn)之間的管道出現(xiàn)破裂或滲漏現(xiàn)象。

一級主管道出現(xiàn)破裂必定對整個(gè)管網(wǎng)造成影響，結(jié)合管網(wǎng)全部監(jiān)測點(diǎn)的情況能及時(shí)分析管道狀況。

3.4 末端壓力控制設(shè)備運(yùn)行

末端壓力控制設(shè)備運(yùn)行可以選擇：以一級主管道壓力、二級主管道壓力、最末端壓力控制運(yùn)行。根據(jù)設(shè)置系統(tǒng)自動選擇某一級別的監(jiān)測點(diǎn)中最低的壓力運(yùn)行，系統(tǒng)檢測低點(diǎn)壓力采用輪詢方式，輪詢時(shí)間根據(jù)用戶設(shè)置參數(shù)進(jìn)行。這也是進(jìn)行管道破裂、滲漏監(jiān)測的重要條件。

3.5 出口壓力控制設(shè)備運(yùn)行

出口壓力監(jiān)測點(diǎn)與信息中心采用有線傳輸方式，即使末端壓力控制方式因網(wǎng)絡(luò)原因造成暫時(shí)數(shù)據(jù)不能傳回信息中心，也可選擇出口壓力控制方式保障供水。待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后自動轉(zhuǎn)為末端壓力控制方式。

4 末端壓力控制和分段壓力設(shè)置

4.1 能耗分析

目前運(yùn)行的供水管路控制方式多數(shù)為 “出口壓力控制法”，該方法技術(shù)成熟，但存在前面所述缺陷。現(xiàn)在以“出口壓力控制法”能耗為基準(zhǔn)單位，對“末端壓力控制法”進(jìn)行節(jié)能分析：

在“出口壓力控制”時(shí),為保證住戶家中額定流量時(shí)的衛(wèi)生器具出水水頭，供水機(jī)組出口壓力比“末端壓力控制”時(shí)大0.50 MPa，否則會出現(xiàn)用水高峰時(shí)末端壓力不足的問題。

在100%額定流量供水時(shí)，因設(shè)定出口壓力時(shí)考慮管路的水頭損耗（以額定水頭損耗為基準(zhǔn)），所以“出口壓力控制法”和“末端壓力控制法”能耗及效率相同。

在90%額定流量供水時(shí)，“末端壓力控制法”機(jī)組出口壓力為P出=P末設(shè)+0.34。即在“末端壓力控制法”中機(jī)組工作壓力比 “出口壓力控制法”時(shí)低0.16 MPa，“出口壓力控制法”時(shí)水泵運(yùn)行頻率要高，所以“末端壓力控制法”在90%流量時(shí)能耗要低。

在50%額定流量供水時(shí)，“末端壓力控制法”機(jī)組出口壓力為P出=P末設(shè)+0.10。即在“末端壓力控制法”中機(jī)組工作壓力比 “出口壓力控制法”時(shí)低0.40 MPa，“出口壓力控制法”時(shí)水泵運(yùn)行頻率要高，所以“末端壓力控制法”在50%流量時(shí)能耗要低。

在0%流量供水時(shí)，“末端壓力控制法”機(jī)組出口壓力為P出=P末設(shè)。即在“末端壓力控制法”中機(jī)組工作壓力比“出口壓力控制法”時(shí)低0.50 MPa，“出口壓力控制法”時(shí)水泵運(yùn)行頻率要高，所以“末端壓力控制法”在0%流量時(shí)能耗要低。

由上面分析看出，采用“末端壓力控制法”在節(jié)能和設(shè)備保護(hù)方面存在較大的優(yōu)勢。

4.2 節(jié)能設(shè)置

軟件系統(tǒng)在分析壓力數(shù)據(jù)后，按照管網(wǎng)壓力最低點(diǎn)進(jìn)行控制。通過分段設(shè)置末端供水壓力，在夜間或需水量少時(shí)降低末端壓力，以進(jìn)一步的節(jié)能。所有分段壓力通過設(shè)置軟件系統(tǒng)參數(shù)自動執(zhí)行，在經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后總結(jié)出最合理最節(jié)能的設(shè)置方式。

綜上論述，“末端壓力控制法”能夠起到：及時(shí)檢測管道破裂和滲漏，便于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，最大限度地減少資源的浪費(fèi)；分時(shí)分段控制末端壓力，節(jié)約能耗，保證管網(wǎng)末端用水需求等作用。鑒于研究過程中由于部分試驗(yàn)不具備條件，一些數(shù)據(jù)的確定還需要在實(shí)際工程中驗(yàn)證。