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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。