供水管网远程自动控制系统的研究与应用

李秀东，安同吉 ，陈云凯

（1.莱西市水利局，山东 莱西 266600；2.青州市华通自动化供水设备有限公司，山东 青州 262500）

目前，在城乡供水一体化的建设中，由于管线长，沿途环境复杂，人工维护巡视周期长等原因，一旦出现管道破裂或渗漏等问题，根本无法及时发现，从而造成电能、水资源的浪费。同时，由于远距离管线供水管路损耗大，能源损耗也明显加大，如何节能降耗、保障供水管网末端压力要求等，也是迫切需要解决的问题。针对这些问题，经分析研究，提出了《城乡供水管网远程信息数字化自动采集与智能化管理控制技术系统的研究与应用》项目，以达到用末端压力、流量控制供水电机转速来节能降耗，监测管道破裂和渗漏，保障末端供水压力、流量等目的。

1 项目概述

通过分析本地区城乡供水管路建设的实际情况，确定建设：一级主管道压力、流量监测点，二级主管道压力、流量监测点，最末端压力、流量监测点。监测点的数量根据管网实际情况确定；信息采集控制中心一套，控制中心采用双机冗余模式互为备用；出口压力控制备用系统一套，以便出现监测点故障或数据传输网络系统故障时可以及时使用。压力监测点采集压力、流量信息，通过GPRS网络返回信息中心。经过信息中心计算机进行分析，实现末端压力控制供水电机转速。

2 软件系统主要功能

1）采集监测点的压力、流量信息，作为末端压力控制的基础压力信息和采集点故障信息。2）根据用户需要选择：一级主管道压力监测点、二级主管道压力监测点、最末端压力监测点及出口压力检测点的压力控制。3）根据监测点安装情况，将管道分段，计算分析返回的压力数据，提示可能破裂或渗漏的管段。4）监测网络通讯状况。某一个监测点通讯中断自动转为下一个监测点压力控制，信息中心网络中断自动转为出口压力控制，整个过程提示报警信息。5）所有数据形成报表，通过本地计算机或网络可查询。6）设置压力上限和下限，超限自动报警并记录报警信息。7）显示吨水电耗变化曲线，适时了解能耗变化情况。

3 管道破裂及渗漏监测

结合供水管网布置图（如图1示），利用信息中心计算机软件系统分析监测管道破裂、渗漏情况。软件系统按照管网结构布置，人工设置必要参数，可分析判断可能出现的故障管段，发出声光提示。

图1 管网结构布置示意图

3.1 三级管道破裂与渗漏监测

监测末端压力（A、B、C、D）点的压力，与上一时刻（A、B、C、D）点压力进行比较，如果任一点压力瞬间下降（例如B点），且一段时间内未恢复，系统自动检测管路中压力最低点，依照满足末端压力要求，变频控制提高供水压力。在压力加大的情况下，如果B点压力没有提高，而其他监测点压力相比前一时刻提高，说明B点到二级主管道的管路有破裂或渗漏现象，在软件系统中显示此段管道为红色闪烁，提示检查。

3.2 二级主管道破裂与渗漏监测

1）监测末端监测点的压力，计算平均压力与上一时刻进行比较。例如（A、B、C、D）点的平均压力，与上一时刻相比有大幅度下降，且二级主管道监测点③、④、⑤也有一定下降。分析③、④、⑤压力下降情况，⑤点的压力小于③、④点压力，有可能在压力监测点④和⑤之间的管道出现破裂或渗漏现象；④和⑤点的压力均小于③点的压力，有可能压力监测点③和④之间的管道出现破裂或渗漏现象；③、④、⑤压力同时下降且下降幅度相同，可能③和一级主管道之间出现破裂，此时一级主管道必定会受到影响，压力也有所下降。

2）根据系统满足最低点压力运行的要求，系统会选择低点压力为控制压力运行。提高水泵频率运行后，以控制为主的监测点压力不能提高，且其他监测点压力提高。结合上面分析的情况可以判断二级主管道出现破裂或渗漏。

3.3 一级主管道破裂与渗漏监测

与二级主管道监测相同的原理，计算二级主管道的平均压力与上一时刻进行比较，如果平均压力比上一时刻有大幅度下降，主管道①、②、⑦、⑧压力也下降。分析①、②、⑦、⑧压力下降情况，如果⑦、⑧点的压力小于①、②点，可能存在②点到⑦、⑧点的管道出现破裂或渗漏现象；如果②、⑦、⑧点的压力均小于①的压力，有可能①、②点之间的管道出现破裂或渗漏现象。

一级主管道出现破裂必定对整个管网造成影响，结合管网全部监测点的情况能及时分析管道状况。

3.4 末端压力控制设备运行

末端压力控制设备运行可以选择：以一级主管道压力、二级主管道压力、最末端压力控制运行。根据设置系统自动选择某一级别的监测点中最低的压力运行，系统检测低点压力采用轮询方式，轮询时间根据用户设置参数进行。这也是进行管道破裂、渗漏监测的重要条件。

3.5 出口压力控制设备运行

出口压力监测点与信息中心采用有线传输方式，即使末端压力控制方式因网络原因造成暂时数据不能传回信息中心，也可选择出口压力控制方式保障供水。待网络恢复正常后自动转为末端压力控制方式。

4 末端压力控制和分段压力设置

4.1 能耗分析

目前运行的供水管路控制方式多数为 “出口压力控制法”，该方法技术成熟，但存在前面所述缺陷。现在以“出口压力控制法”能耗为基准单位，对“末端压力控制法”进行节能分析：

在“出口压力控制”时,为保证住户家中额定流量时的卫生器具出水水头，供水机组出口压力比“末端压力控制”时大0.50 MPa，否则会出现用水高峰时末端压力不足的问题。

在100%额定流量供水时，因设定出口压力时考虑管路的水头损耗（以额定水头损耗为基准），所以“出口压力控制法”和“末端压力控制法”能耗及效率相同。

在90%额定流量供水时，“末端压力控制法”机组出口压力为P出=P末设+0.34。即在“末端压力控制法”中机组工作压力比 “出口压力控制法”时低0.16 MPa，“出口压力控制法”时水泵运行频率要高，所以“末端压力控制法”在90%流量时能耗要低。

在50%额定流量供水时，“末端压力控制法”机组出口压力为P出=P末设+0.10。即在“末端压力控制法”中机组工作压力比 “出口压力控制法”时低0.40 MPa，“出口压力控制法”时水泵运行频率要高，所以“末端压力控制法”在50%流量时能耗要低。

在0%流量供水时，“末端压力控制法”机组出口压力为P出=P末设。即在“末端压力控制法”中机组工作压力比“出口压力控制法”时低0.50 MPa，“出口压力控制法”时水泵运行频率要高，所以“末端压力控制法”在0%流量时能耗要低。

由上面分析看出，采用“末端压力控制法”在节能和设备保护方面存在较大的优势。

4.2 节能设置

软件系统在分析压力数据后，按照管网压力最低点进行控制。通过分段设置末端供水压力，在夜间或需水量少时降低末端压力，以进一步的节能。所有分段压力通过设置软件系统参数自动执行，在经过一段时间运行后总结出最合理最节能的设置方式。

综上论述，“末端压力控制法”能够起到：及时检测管道破裂和渗漏，便于工作人员及时发现处理，最大限度地减少资源的浪费；分时分段控制末端压力，节约能耗，保证管网末端用水需求等作用。鉴于研究过程中由于部分试验不具备条件，一些数据的确定还需要在实际工程中验证。