多水源供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷

劉曉哲 遲強(qiáng)

【摘 要】隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市需水量急劇增加，供水管網(wǎng)系統(tǒng)也由單水源供水發(fā)展到多水源供水，為掌握農(nóng)村多水源供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，診斷運(yùn)行中存在的問(wèn)題，以便及時(shí)改進(jìn)，測(cè)定了供水系統(tǒng)水量、水壓和能耗，分析存在問(wèn)題，提出改進(jìn)意見(jiàn)?；诖耍疚木投嗨垂┧到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷進(jìn)行分析與研究。

【關(guān)鍵詞】多水源；供水系統(tǒng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；診斷

引言

水質(zhì)、水量、水壓、能耗是供水企業(yè)的主要考核指標(biāo)，農(nóng)村供水系統(tǒng)多以地下水為水源，水質(zhì)穩(wěn)定，基本不需處理。因此，水量、水壓、能耗是農(nóng)村供水企業(yè)需要關(guān)注的主要指標(biāo)。水量是首先必須保障的指標(biāo)，供水水源和供水設(shè)施的能力必須滿足用戶對(duì)水量的要求，才能在總量上維持平衡。水壓是供水能力的直接體現(xiàn)，關(guān)系到供水服務(wù)質(zhì)量。

一、供水系統(tǒng)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

（一）供水系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。

隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，變頻恒壓供水技術(shù)也隨之發(fā)展起來(lái)，在20世紀(jì)末，由于變頻器生產(chǎn)廠家將變頻器的功能局限在工業(yè)方面，導(dǎo)致變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的使用非常簡(jiǎn)單，僅僅把變頻器作為一個(gè)微小的控制環(huán)節(jié)，從而未能將變頻器的功能完全發(fā)揮于恒壓供水系統(tǒng)中。

為了能更好地滿足當(dāng)前的用水需求，人們開(kāi)始將變頻器通過(guò)增加壓力和流量傳感器后，大量應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中。

從筆者查閱的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多用一臺(tái)變頻器結(jié)合一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的，很少有用一臺(tái)變頻器結(jié)合多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的，所以導(dǎo)致恒壓供水系統(tǒng)的投入成本過(guò)高。

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的研究開(kāi)始針對(duì)恒壓供水體系進(jìn)行，而且也推出了變頻器自動(dòng)化水平較高的節(jié)能設(shè)計(jì)例如日本三墾公司推出的“變頻泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”的恒壓供水基板，就是一款非常好的變頻恒壓供水元件它可以實(shí)現(xiàn)PLC可編程控制等功能。

只需與配套的供水裝置連接就可以一臺(tái)帶動(dòng)5臺(tái)以上的電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，這就使得變頻恒壓供水系統(tǒng)的成本大大節(jié)約但是由于穩(wěn)定性和容量不高，因此未能得到推廣使用。

目前，國(guó)內(nèi)外有許多廠家都致力于變頻供水系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，其中比較好的變頻器是采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，還有一部分變頻器是采用單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是其抗干擾性較差，仍然不能滿足社會(huì)用水需求。

最近，艾默生電氣公司和希望森蘭變頻器制造公司先后生產(chǎn)了一款專門用于恒壓供水體系的變頻器，該變頻器無(wú)需外接其它設(shè)備，可以同時(shí)控制4臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，而且還在該變頻器內(nèi)部另外增加了兩個(gè)單元，分別是閉環(huán)控制和循環(huán)控制。其缺點(diǎn)就是不能一次帶動(dòng)多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，而且通信功能不太好控制，因此對(duì)于要求極大節(jié)約成本的恒壓供水體系來(lái)講，還有待于改善和提升。

（二）供水系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，使得變頻調(diào)速技術(shù)在用電行業(yè)里得到廣泛推廣，其中，變頻恒壓供水技術(shù)就是變頻調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域中的典型。

先前，外國(guó)生產(chǎn)的變頻器主要用于控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止、電機(jī)換向控制和速度調(diào)節(jié)等各種保護(hù)功能。

在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻中可編程的邏輯控制器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)之間的控制環(huán)節(jié)，以保證管道內(nèi)供水壓力恒定，以滿足不同時(shí)間的供水需求量，需要提供一個(gè)外部壓力傳感器和壓力控制器，對(duì)水壓進(jìn)行閉環(huán)控制。

目前，我們國(guó)內(nèi)有很多公司在做變頻恒壓供水項(xiàng)目，但大多使用國(guó)外變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整管內(nèi)水壓主要是通過(guò)采用單片機(jī)和PLC及相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在系統(tǒng)性能和動(dòng)力性能、抗擾性能和開(kāi)放性等多項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)方面仍然欠缺穩(wěn)定不能滿足用戶的所有要求。

像前面所說(shuō)的艾默生集團(tuán)生產(chǎn)和國(guó)內(nèi)希望集團(tuán)生產(chǎn)的變頻器，都是只能帶動(dòng)4臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，雖然無(wú)需外接其它調(diào)節(jié)，但是其輸出接口限制了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量，并且操作不方便使用，數(shù)據(jù)通信功能缺乏，使得它僅適用于負(fù)載能力相對(duì)較小和的供水站。

二、供水系統(tǒng)概況

研究的對(duì)象為宿遷市宿城區(qū)南蔡鄉(xiāng)集中供水系統(tǒng)，用水人口19258人，供水區(qū)包括南蔡鄉(xiāng)鎮(zhèn)、長(zhǎng)莊村、陳?ài)状?、新蔡村、果園村、興躍村、蘇圩村和范莊村，用水對(duì)象主要是鄉(xiāng)村人畜生活用水，還有少量商業(yè)用水，基本無(wú)工業(yè)用水。鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑層數(shù)2～3層，農(nóng)村建筑層數(shù)1～2層。長(zhǎng)莊和果園村地面高程25～27m，其它區(qū)域高程17～19m。

水源為地下水，為地下第2、3層承壓水，含水層為中粗砂和細(xì)砂，厚度6～23m，頂板埋深34～58.8m。共設(shè)有3口水井，分別位于南蔡鄉(xiāng)鎮(zhèn)、蘇圩村和長(zhǎng)莊村，井深130m，直徑300mm。

水源地面高程分別為19、19和27m。水井內(nèi)安裝有200QSG63-84型深井泵，功率25kW，直接將井水送入管網(wǎng)。

供水管網(wǎng)由1個(gè)環(huán)和5個(gè)方向樹(shù)狀管道組成，5個(gè)樹(shù)狀支線分別是長(zhǎng)莊支線、陳?ài)字Ь€、蘇圩支線、新蔡支線和果園支線，見(jiàn)圖1。采用PE塑料管，干管直徑63～250mm，累計(jì)長(zhǎng)度31953m。

供水系統(tǒng)采用間歇供水方式，各水源水泵5：00-22：00啟動(dòng)供水，其余時(shí)間停止供水。采用恒壓變頻供水設(shè)備調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和出水量，在水泵出水管上設(shè)電接點(diǎn)壓力表，蘇圩水源和南蔡水源設(shè)定最高壓力0.3MPa，長(zhǎng)莊水源地勢(shì)較高，設(shè)定最高壓力0.24MPa。當(dāng)出水管水壓超過(guò)最高設(shè)定壓力時(shí)，自動(dòng)調(diào)小供電頻率，減小水泵出水量，達(dá)到節(jié)電節(jié)水目的。

三、監(jiān)測(cè)方法

（一）水源監(jiān)測(cè)

水源監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水井水位、出水流量、出水水壓和能耗。

1.水井水位監(jiān)測(cè)。采用艾瑞普源儀表有限公司的投入式液位變送器測(cè)定水源井中水位，將壓力傳感器放入水井中，傳感器經(jīng)導(dǎo)線與地面數(shù)據(jù)采集終端連接，將壓力轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。模擬電信號(hào)經(jīng)中國(guó)移動(dòng)ADSL無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)，再轉(zhuǎn)換成水位數(shù)字信號(hào)。每15min監(jiān)測(cè)一次。每個(gè)水井設(shè)置1套數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。

2.出水量監(jiān)測(cè)。在每口水井水泵出水管上安裝有直讀、遠(yuǎn)傳兩用水表，口徑DN250。當(dāng)累計(jì)量每增加10m3時(shí)，記錄一個(gè)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)時(shí)間，該數(shù)據(jù)也送入數(shù)據(jù)采集終端。

3.出水水壓監(jiān)測(cè)。在水源水泵出水管上安裝有指針式電接點(diǎn)壓力表，可以直接讀取水壓，也可以自動(dòng)記錄。電接點(diǎn)壓力表與水泵變頻器連接，可以設(shè)定水泵出口最高供水壓力，當(dāng)壓力達(dá)到最高設(shè)定壓力時(shí)，變頻器自動(dòng)降低供電頻率，減少水泵轉(zhuǎn)速和供水量，維持水壓不超過(guò)最高水壓。

4.水源水泵耗電量監(jiān)測(cè)。每個(gè)水廠均安裝有電表，可以直接讀取水泵累計(jì)耗電量，每1h人工抄錄一次電表讀數(shù)。

（二）管網(wǎng)水壓監(jiān)測(cè)

采用U盤式數(shù)字壓力表監(jiān)測(cè)管網(wǎng)中水壓。將壓力表與用戶水龍頭連接，或直接安裝在干管上。水壓既能直讀也能自動(dòng)記錄，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，定期通過(guò)U盤拷貝。

數(shù)字壓力表每10min記錄一次壓力數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)器共能儲(chǔ)存20000個(gè)數(shù)據(jù)，即一次拷貝清空存儲(chǔ)器后，能自動(dòng)記錄138d數(shù)據(jù)，直到存儲(chǔ)器充滿，將停止記錄。該壓力表由干電池供電，能連續(xù)工作18個(gè)月。

測(cè)壓點(diǎn)的數(shù)量及其布置考慮管網(wǎng)規(guī)模、形態(tài)等因素確定，監(jiān)測(cè)的目的是要了解管網(wǎng)水壓的全貌，因而測(cè)壓點(diǎn)應(yīng)基本覆蓋全管網(wǎng)，應(yīng)在環(huán)狀干線、樹(shù)狀支線上、管網(wǎng)末梢等代表性位置上布置。綜合考慮各方面因素，共布設(shè)了7個(gè)管網(wǎng)水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布見(jiàn)圖1。其中，環(huán)狀干線上3個(gè)，樹(shù)狀支管末端4個(gè)，基本對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行了全覆蓋。

四、監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

三口水井水位變化過(guò)程見(jiàn)圖2。由于采用間歇供水，白天抽水時(shí)水位下降，稱為動(dòng)水位；晚上停止抽水，水位恢復(fù)，稱為靜水位。由圖2（a）可見(jiàn)，自2013年1月19日至2013年8月7日，蘇圩水井靜水位高程從-16.66m下降到-18.41m，降低了1.75m。動(dòng)水位從-19.52m下降到-21.28m，降低了1.76m。水位日均下降0.87cm，說(shuō)明承壓水層補(bǔ)給充分，在今年大旱的情況下水位緩慢下降。一日內(nèi)動(dòng)、靜水位差1.70～3.27m，平均水位差2.57m，日動(dòng)、靜水位差值并未隨時(shí)間有明顯變化，說(shuō)明水泵抽水量小于井的允許開(kāi)采量。

從圖2（b）可見(jiàn)，長(zhǎng)莊水井靜水位從-19.95m下降到-21.76m，降低了1.81m。動(dòng)水位從-22.58m下降到-24.31m，降低了1.52m。動(dòng)、靜水位差平均2.58m，水位日均下降0.9cm，下降緩慢，說(shuō)明承壓水層補(bǔ)給充分，水泵抽水量小于井的允許開(kāi)采量。從圖2（c）可見(jiàn)，南蔡鄉(xiāng)水井在2月下旬之前，水位下降緩慢。2月25日至4月4日，水位發(fā)生了快速下降，4月4日后已超出水位計(jì)測(cè)量極限，靜水位從-14.46m下降到-25.67m，動(dòng)水位從-19.31m下降到-30.71m，日均水位下降29.5cm，動(dòng)、靜水位差平均5.08m。水位快速下降的原因是，南蔡水井靠近南蔡鎮(zhèn)，隨著氣溫的升高，大量家庭和單位的自備水井抽水量急劇增加，大于地下水補(bǔ)給速度，導(dǎo)致整片地區(qū)地下水位下降，形成降落漏斗。

結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)村供水系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，維護(hù)管理水平低，運(yùn)行中易累積各種病態(tài)問(wèn)題，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)診斷，將影響供水服務(wù)質(zhì)量，增加水耗和能耗，增大農(nóng)民用水負(fù)擔(dān)。因此，建立一套適合農(nóng)村供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，及時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)水量水壓能耗掌握管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，診斷管網(wǎng)存在問(wèn)題，及時(shí)予以糾正，對(duì)提高供水服務(wù)質(zhì)量和管理水平、節(jié)能降耗具有現(xiàn)實(shí)意義。采用累積式遠(yuǎn)傳水表可監(jiān)測(cè)水源及管段流量，用于分析用戶用水規(guī)律、管網(wǎng)漏水和未預(yù)見(jiàn)水；采用投入式液位變送器可測(cè)定水源水位，計(jì)算水泵揚(yáng)程，結(jié)合供水電耗，可計(jì)算供水能耗和供水效率，分析降低供水能耗的方法；采用U盤式數(shù)字測(cè)壓表，可分散監(jiān)測(cè)管網(wǎng)各點(diǎn)水壓，定期收集數(shù)據(jù)，用于分析管網(wǎng)壓力分布，改進(jìn)供水調(diào)度方法，增大水壓不足地區(qū)和時(shí)段的供水量，保障供水水壓，降低水壓過(guò)高地區(qū)和時(shí)段的供水量，降低能耗和漏水。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)新平，張?jiān)吕?物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)展望[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011，24：3011-3015.

[2]王華偉，高軍，吳海橋.考慮模型不確定性的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，02：434-440.

[3]趙晶.水輪機(jī)調(diào)速油系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析[D].華中科技大學(xué)，2007.

[4]王學(xué)孔.焊機(jī)液壓控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究[D].浙江大學(xué)，2010.