供水管網遠程自動控制系統(tǒng)的研究與應用

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備有限公司，山東 青州 262500）

目前，在城鄉(xiāng)供水一體化的建設中，由于管線長，沿途環(huán)境復雜，人工維護巡視周期長等原因，一旦出現管道破裂或滲漏等問題，根本無法及時發(fā)現，從而造成電能、水資源的浪費。同時，由于遠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，經分析研究，提出了《城鄉(xiāng)供水管網遠程信息數字化自動采集與智能化管理控制技術系統(tǒng)的研究與應用》項目，以達到用末端壓力、流量控制供水電機轉速來節(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 項目概述

通過分析本地區(qū)城鄉(xiāng)供水管路建設的實際情況，確定建設：一級主管道壓力、流量監(jiān)測點，二級主管道壓力、流量監(jiān)測點，最末端壓力、流量監(jiān)測點。監(jiān)測點的數量根據管網實際情況確定；信息采集控制中心一套，控制中心采用雙機冗余模式互為備用；出口壓力控制備用系統(tǒng)一套，以便出現監(jiān)測點故障或數據傳輸網絡系統(tǒng)故障時可以及時使用。壓力監(jiān)測點采集壓力、流量信息，通過GPRS網絡返回信息中心。經過信息中心計算機進行分析，實現末端壓力控制供水電機轉速。

2 軟件系統(tǒng)主要功能

1）采集監(jiān)測點的壓力、流量信息，作為末端壓力控制的基礎壓力信息和采集點故障信息。2）根據用戶需要選擇：一級主管道壓力監(jiān)測點、二級主管道壓力監(jiān)測點、最末端壓力監(jiān)測點及出口壓力檢測點的壓力控制。3）根據監(jiān)測點安裝情況，將管道分段，計算分析返回的壓力數據，提示可能破裂或滲漏的管段。4）監(jiān)測網絡通訊狀況。某一個監(jiān)測點通訊中斷自動轉為下一個監(jiān)測點壓力控制，信息中心網絡中斷自動轉為出口壓力控制，整個過程提示報警信息。5）所有數據形成報表，通過本地計算機或網絡可查詢。6）設置壓力上限和下限，超限自動報警并記錄報警信息。7）顯示噸水電耗變化曲線，適時了解能耗變化情況。

3 管道破裂及滲漏監(jiān)測

結合供水管網布置圖（如圖1示），利用信息中心計算機軟件系統(tǒng)分析監(jiān)測管道破裂、滲漏情況。軟件系統(tǒng)按照管網結構布置，人工設置必要參數，可分析判斷可能出現的故障管段，發(fā)出聲光提示。

圖1 管網結構布置示意圖

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）點的壓力，與上一時刻（A、B、C、D）點壓力進行比較，如果任一點壓力瞬間下降（例如B點），且一段時間內未恢復，系統(tǒng)自動檢測管路中壓力最低點，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點壓力沒有提高，而其他監(jiān)測點壓力相比前一時刻提高，說明B點到二級主管道的管路有破裂或滲漏現象，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)測點的壓力，計算平均壓力與上一時刻進行比較。例如（A、B、C、D）點的平均壓力，與上一時刻相比有大幅度下降，且二級主管道監(jiān)測點③、④、⑤也有一定下降。分析③、④、⑤壓力下降情況，⑤點的壓力小于③、④點壓力，有可能在壓力監(jiān)測點④和⑤之間的管道出現破裂或滲漏現象；④和⑤點的壓力均小于③點的壓力，有可能壓力監(jiān)測點③和④之間的管道出現破裂或滲漏現象；③、④、⑤壓力同時下降且下降幅度相同，可能③和一級主管道之間出現破裂，此時一級主管道必定會受到影響，壓力也有所下降。

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

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，計算二級主管道的平均壓力與上一時刻進行比較，如果平均壓力比上一時刻有大幅度下降，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點的壓力小于①、②點，可能存在②點到⑦、⑧點的管道出現破裂或滲漏現象；如果②、⑦、⑧點的壓力均小于①的壓力，有可能①、②點之間的管道出現破裂或滲漏現象。

一級主管道出現破裂必定對整個管網造成影響，結合管網全部監(jiān)測點的情況能及時分析管道狀況。

3.4 末端壓力控制設備運行

末端壓力控制設備運行可以選擇：以一級主管道壓力、二級主管道壓力、最末端壓力控制運行。根據設置系統(tǒng)自動選擇某一級別的監(jiān)測點中最低的壓力運行，系統(tǒng)檢測低點壓力采用輪詢方式，輪詢時間根據用戶設置參數進行。這也是進行管道破裂、滲漏監(jiān)測的重要條件。

3.5 出口壓力控制設備運行

出口壓力監(jiān)測點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絡原因造成暫時數據不能傳回信息中心，也可選擇出口壓力控制方式保障供水。待網絡恢復正常后自動轉為末端壓力控制方式。

4 末端壓力控制和分段壓力設置

4.1 能耗分析

目前運行的供水管路控制方式多數為 “出口壓力控制法”，該方法技術成熟，但存在前面所述缺陷?，F在以“出口壓力控制法”能耗為基準單位，對“末端壓力控制法”進行節(jié)能分析：

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

在100%額定流量供水時，因設定出口壓力時考慮管路的水頭損耗（以額定水頭損耗為基準），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，“末端壓力控制法”機組出口壓力為P出=P末設+0.34。即在“末端壓力控制法”中機組工作壓力比 “出口壓力控制法”時低0.16 MPa，“出口壓力控制法”時水泵運行頻率要高，所以“末端壓力控制法”在90%流量時能耗要低。

在50%額定流量供水時，“末端壓力控制法”機組出口壓力為P出=P末設+0.10。即在“末端壓力控制法”中機組工作壓力比 “出口壓力控制法”時低0.40 MPa，“出口壓力控制法”時水泵運行頻率要高，所以“末端壓力控制法”在50%流量時能耗要低。

在0%流量供水時，“末端壓力控制法”機組出口壓力為P出=P末設。即在“末端壓力控制法”中機組工作壓力比“出口壓力控制法”時低0.50 MPa，“出口壓力控制法”時水泵運行頻率要高，所以“末端壓力控制法”在0%流量時能耗要低。

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

4.2 節(jié)能設置

軟件系統(tǒng)在分析壓力數據后，按照管網壓力最低點進行控制。通過分段設置末端供水壓力，在夜間或需水量少時降低末端壓力，以進一步的節(jié)能。所有分段壓力通過設置軟件系統(tǒng)參數自動執(zhí)行，在經過一段時間運行后總結出最合理最節(jié)能的設置方式。

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