智慧集成给水系统的研究及应用

文/涂 斌 陈拥军

随着经济社会的快速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。“城市供水行业2020年远景目标”提出了“提高水质，保障供水，优化成本，改善服务”的发展目标。为了实现这一目标，需要提高供水行业的管理水平，开发智能化的给水设备，实现运营和管理的智能化和现代化。然而，目前城市供水系统中存在较多的不合理因素，如系统自动化调节程度不高、可靠性较差，设备维护不方便，爆管事件频发，漏损率高，水泵能耗大等，这些现象导致供水系统难以实现科学合理的调配，严重制约了供水系统智能化发展水平。开发智能化给水系统成为保障供水质量、降低漏损和供水能耗的重要手段。

PID控制器结构简单,容易通过硬件和软件来实现，具有控制精度较高、工作稳定、可靠性较强等特点。目前城市二次供水普遍采用传统的PID控制的恒压变频供水系统,对于高楼层用水户及对供水质量要求较高的用水楼宇来说, PID控制在稳定运行期存在供水压力偏差、抗干扰能力差、调节时间长等缺点,导致水泵运行状态频繁切换，供水等待时间过长。近年，为了更好地适应供水系统的实际需求，国内学者对智能给水系统的设计和应用做了大量研究, 本文学习借鉴相关研究成果，主要介绍智慧集成给水系统壳体保温设计、给水系统智能泵控制系统以及变压力控制策略等。

智慧集成给水系统简介

智慧集成给水系统是一种移动式一体化二次给水系统。集成给水系统由一个外壳体（以下简称泵房）封装，除了一扇门以外，仅仅预留了电源接口、进水口和出水口。智慧集成给水系统包括泵房、智能多级泵及其控制系统、管路、阀门、压力表、流量计、电动控制阀等。

1.系统分类

智慧集成给水系统按照使用功能分为A、B、C三种类型，分别如图1、2、3所示。其中A型、B型采用叠压供水模式，C型采用变频变压力供水模式。根据用户的使用需要，选择不同型号，按照用户的流量压力范围，确定相匹配的泵组和成套设备，同时考虑用户使用的外界环境，配置泵站检测监控系统。

智慧集成给水系统主要由框架、水箱（A、C型）、智能泵组、管路阀门、电气控制系统和监控安全防护系统等构成。进水口与市政管网连接，增压供水，保证供水管网水压不低于当地供水部门规定的限定压力值；A、C型设备在用水高峰时将水箱的储存水增压补充到用户管网，满足用户用水需求。

图1 XMZH(A)—箱式叠压供水系统

图2 XMZH(B)—罐式叠压供水系统

图3 XMZH(C)—变频变压供水系统

2.基本功能

通过智能泵控制系统可以方便地设置集成给水系统中传感器的最大量程、设定压力、传感器反馈类型、电机方向、采样周期、睡眠功能、休眠相关参数等比例积分微分参数和缺水保护开关、缺水保护重启延时、来水检测高压报警设定值等功能参数以及过载保护电流、过压失速保护、限流、输入缺相保护、输出缺相保护等保护参数。智能泵控制系统还能设置系统参数，如电机模式设置、电量、工作时间、状态、系统启动自动开机、电机编号、电机锁定等功能设置与显示等。该智能泵控制系统还配置了系统故障或供水系统故障、历史故障等报警信息查询，市政管网停水保护，小流量休眠以及停电不停水功能。当小区停电时，由市政管网继续向低楼层用户供水，设备恢复供电后，恢复正常供水。

智慧集成给水系统设计

1.集成给水系统热分析

我国地域辽阔，各地温差较大。电器元件在温度过高或过低的情况下容易发生故障，甚至停止工作。为了保证智慧集成给水系统适应不同应用工况，需要对集成给水系统做热分析。

（1）保温分析

智慧集成给水系统工作环境温度为-30℃～60℃，泵房内设计要求保持温度5℃～40℃，设备正常工作要求设备外壳采用四重防噪保温措施：一次成型不锈钢外板、防火阻燃保温棉、锡膜、吸音隔音板。防火阻燃保温棉如图4所示，铝塑防阻燃吸音隔音板如图5所示。

泵房最外层为一次成型不锈钢板，采用多顶缸压机一次拉伸定制，保证板材外观平整和良好的密封性，泵房内壁采用木质吸音隔音板，内外两层中间填充防火阻燃保温棉和锡膜。根据不同客户的使用环境，设定不同的防火阻燃保温棉厚度，配置不同功率的加热设备。

图4 防火阻燃保温棉

图5 铝塑防阻燃吸音隔音板

（2） 隔热分析

同保温分析类似，当环境温度过高时，应考虑隔热分析。由于泵房内电机和电子元器件工作散发热量，因此散热通风设计要考虑增加散热功率约20%作为计算依据。针对不同地域的使用环境温度，可以配置轴流风机作为通风换气设备，在环境温度过高的应用场合配置空调系统。根据不同客户的使用环境，设定不同的防火阻燃保温棉厚度，可通过设计不同功率的散热设备，满足集成给水系统的使用要求。

2.智能泵控制系统

电网由电源输入通过防水接头与接线端子连接，一路经过断路器给变频控制器供电，另一路经过防水接头由电源线通过防水接头给泵组系统中的下一台水泵供电。同理，经过防水接头的电源与接线端子连接，一路经过断路器给变频控制器供电，另一路电源经过防水接头由电源线通过防水接头给泵组系统中的下一台水泵供电。通过防水接头与接线端子连接的电源一路经过断路器给变频控制器供电，另一路经过防水接头给泵组系统中的下一台水泵控制器供电，以此类推。供电电源采用接线端子逐级并联，线路连接简单。供电电源通过断路器给变频控制器供电，在故障检修期间可以方便地断开故障检修水泵而不影响控制系统中其他水泵的供电。防水接头的作用是提高智能泵控制系统的防水等级，防护等级满足IP55要求。

包括变送器的驱动器是智能泵控制系统的主驱动器，其余为辅驱动器。压力传感器通过信号线端口把信号传递给主驱动器的变送器。信号总线通过总线端口与智能泵控制系统中的控制器通信。压力传感器通过信号线端口把信号传递给变送器。压力信号通过变送器处理后由总线端口传递给变频控制器，变频控制器驱动电机按指令启动、停止、加速或者减速运行。系统中的变频控制器通过总线端口接收来自信号总线的控制信号驱动电机按指令启动、停止、加速或者减速运行。同理，系统中的变频控制器通过总线端口接收来自信号总线的控制信号驱动电机按指令启动、停止、加速或者减速运行。考虑不同应用和系统的可扩展性，预留了信号线端口。这些预留的信号线端口可以连接传感器输入信号（如流量计信号、温度信号、真空表信号等）和输出控制信号（如阀门控制信号）。

智能泵控制系统根据压力传感器反馈的信号自动调节水泵的转速。当水系统的管网输入压力p1低于用户需要的设定压力p时，变频控制器自动调节电机的转速以满足系统压力要求，如果电机转速达到最大限制转速时，管网压力p1仍低于用户需要的设定压力p，变送器通过其总线端口，由总线把信号传递给变频控制器或调节其驱动的水泵电机转速，直到给水系统输出压力p2=p；当p2＞p时，变频控制器调节电机减速运行；当p2＜p时，水泵加速运行；当p2=p时，给水系统进行自动的无用水检测，然后自动停机；当p2＜p时，水泵自动恢复运行；当需要的设定压力p小于入口压力p1时，系统不启动，由市政给水管网直接给用户管网供水。

通过智能泵控制系统，智能泵组中的水泵可实时智能互换并实现智能组网，通过互联网+数据云链接实现大数据挖掘和分析处理，提供优化解决方案。

3.变频变压力供水

目前市场上的二次给水系统绝大部分都是变频恒压供水系统。变频恒压供水系统是按照最不利工况设定的压力值，即按照用水高峰最大用水量设计的出水压力。统计数据显示，用水高峰时段占整个二次给水系统不到10%的工作时间。二次给水系统大部分时间处于部分负荷工作状态，由于用水量小，管网中的水流速度低，管路损失减小。因此在部分负荷工况下，通过降低给水系统的出口压力，即降低水泵转速或者减少运行水泵的台数可进一步降低系统能耗。同时由于给水系统出口压力调低，相对于恒压变频给水系统来说，整个管网系统中的压力降低，爆管的风险降低，管网漏损减少，管网的使用寿命延长。因此可根据用水需求进行24小时分段处理，需要多少压力供多少压力，变频变压力供水在二次给水系统中有很大的潜在节能空间。

智慧集成给水系统安装与应用案例

智慧集成泵站为集成一体化二次给水设备，所有功能在出厂前调试完毕，安装方便。只需接进水管和出水管，接通电源就完成了整个安装过程。智慧集成泵站能够解决自来水公司局部区域供水不足，安装方便快捷，高效智能。位于广东省惠州市惠城区汝湖镇的智慧集成泵站对汝湖镇片区住户进行加压供水，整个镇片区面积约50万m2，用户约8000户。智慧集成泵站内部结构如图6所示。该智慧集成泵站配置了智能泵控制系统和余氯、浊度、pH值水质在线监测系统，保证了小区给水的稳定性和安全性。

结语

智慧集成给水系统提供了设计、施工、竣工验收、运行巡检、维护保养等一套完整的解决方案。物联网及互联网+技术的成熟应用和智慧集成给水系统的智能控制为智慧水务的实现提供了技术保障。智能变频多级泵的使用，提升了给水设备的系统效率，节省了安装空间，通过远程监控平台实现对设备的数据采集、数据分析、远程控制和故障处理，确保设备在无人值守状态下能高效、安全、可靠地运行。给水系统变压力控制可进一步降低系统能耗和管网爆管的风险，减少管网漏损，延长管网的使用寿命。