供水管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

1　管網(wǎng)閥門調(diào)控現(xiàn)狀
     近年來,隨著技術(shù)進(jìn)步和改造資金投入,多數(shù)供水企業(yè)建立了供水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)( SCADA) ,實現(xiàn)了水源和原水輸送系統(tǒng)監(jiān)測、凈水構(gòu)筑物和工藝設(shè)備監(jiān)控以及供水管網(wǎng)測壓等功能。部分供水企業(yè)還建立了“呼叫中心”熱線電話系統(tǒng)和管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS) 。上述系統(tǒng)的建立能及時監(jiān)控供水設(shè)備運行和發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)事故,極大提升供水服務(wù)水平。
     限于技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計理念等多方面原因,對管網(wǎng)調(diào)度管理和運行調(diào)控還限于人工操作。水壓遙測和事故信息獲取、采集與判斷已實現(xiàn)信息化和自動化,但閥門啟閉和調(diào)節(jié)還必須依靠操作工人到現(xiàn)場手動完成。這主要有以下幾點不足:
     ①　供水管網(wǎng)工況瞬時萬變,管網(wǎng)實時優(yōu)化運行靠人工現(xiàn)場調(diào)節(jié)幾乎不可能實現(xiàn)。
     ②　為確保供水系統(tǒng)安全運行,在發(fā)生重大供水事故時,需對管網(wǎng)中若干重要閥門多次反復(fù)調(diào)控,人工操作難以勝任。
     ③　從管網(wǎng)事故信息的獲取、判斷到人工現(xiàn)場調(diào)控閥門,根據(jù)城市規(guī)模、搶修力量及交通路況情況,會有1 h左右的延時。這會造成事故損失擴大,引發(fā)相關(guān)問題。
     ④　目前管網(wǎng)調(diào)度模式對用戶端不能實現(xiàn)及時合理的調(diào)節(jié)和控制。
     2　管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控的意義
     管網(wǎng)閥門是供水系統(tǒng)中的重要設(shè)施,起到輸送、關(guān)斷、調(diào)節(jié)供水流量、壓力和改變流向等管網(wǎng)調(diào)控作用,是供水系統(tǒng)暢通輸配和管網(wǎng)搶修、維護(hù)、改造的重要保證措施。
     管網(wǎng)閥門上述功能的及時實現(xiàn)直接影響供水安全和供水行業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。重要的是,當(dāng)供水系統(tǒng)發(fā)生重大故障以及處理大的爆管事故時,管網(wǎng)閥門如不能及時有效地調(diào)控將延誤處理事故時機,造成嚴(yán)重后果。
     供水管網(wǎng)科學(xué)調(diào)度與實時調(diào)控首先要解決閥門遠(yuǎn)程調(diào)控問題,管網(wǎng)中若干重要閥門和關(guān)鍵閥門能否實現(xiàn)及時有效地調(diào)控直接影響供水安全,在調(diào)度中心直接實現(xiàn)對管網(wǎng)重要閥門遠(yuǎn)程調(diào)控操作對保證供水系統(tǒng)安全正常運行具有重要意義。
     3　實現(xiàn)方案
     供水系統(tǒng)實現(xiàn)科學(xué)調(diào)度的關(guān)鍵是增加控制手段和工作模式與管理制度的創(chuàng)新。針對完全依靠人工操作調(diào)控閥門不能及時應(yīng)對突發(fā)事故處理、不利于供水管理和服務(wù)的現(xiàn)狀,通過對項目目標(biāo)、設(shè)備工作環(huán)境以及RTU、電動執(zhí)行機構(gòu)等因素和設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行考察和分析后,提出利用現(xiàn)有管網(wǎng)測壓RTU設(shè)備對管網(wǎng)重要閥門進(jìn)行遙測、遙控的技術(shù)方案,以及時應(yīng)對管網(wǎng)事故和適應(yīng)工況變化,提高供水管理和服務(wù)水平。
     3．1　技術(shù)方案
     ①　遠(yuǎn)程通訊/控制終端選型
     管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)和現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)兼容,可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備、無線頻譜等資源。RTU選用現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)中采用的MOSCAD RTU,根據(jù)控制目標(biāo)重新編寫相應(yīng)控制程序。
     ②　上位機組態(tài)編程 
在調(diào)度中心端上位機設(shè)定控制窗口和操作畫面,通過基于短波電臺的無線SCADA 系統(tǒng)實時檢測閥門     ③　執(zhí)行機構(gòu)選型 
管網(wǎng)閥門安裝在潮濕環(huán)境下的閥門井里,工作環(huán)境惡劣。為確?？刂瓶煽啃院驮O(shè)備安全,選用防護(hù)等級為IP68的電動頭和高可靠性閥門配合作為執(zhí)行機構(gòu),達(dá)到正常工作要求。
     ④　電源 
在被控閥門點附近單位尋找合適的動力/照明電源作為被控閥門系統(tǒng)的工作電源。根據(jù)電源情況選擇電動頭的驅(qū)動電源方式。在條件許可的情況下,盡可能選用動力電源作為工作電源。
     ⑤　附屬儀表 
為及時掌握閥門調(diào)控情況和效果,在閥門下游安裝壓力傳感器。采集的壓力信號通過RTU傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng),平時作為測壓點使用。
     3．2　系統(tǒng)安全措施
     為保證設(shè)備安全和人身安全,方案設(shè)計和項目實施采取的技術(shù)措施有:
     ①　供電安全 
由于工作場合特殊,電源箱設(shè)計有漏電保護(hù)器。電動頭電源僅在進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控操作時通過RTU控制接通,閥門井內(nèi)設(shè)備平時和市電隔離。
     ②　閥門井及井蓋設(shè)計選型 
良好的外部環(huán)境是設(shè)備安全運行的重要因素。盡管設(shè)計選用設(shè)備能滿足“浸水環(huán)境”工作,為提高系統(tǒng)可靠性,閥門井設(shè)計采用電信防水井蓋,防止雨水侵入閥門井,為執(zhí)行機構(gòu)提供良好的外部工作環(huán)境。閥門井設(shè)計考慮了對井室積水作下滲處理,井室內(nèi)設(shè)有滲水坑。
     井室內(nèi)設(shè)定位置設(shè)計安裝干簧管水位開關(guān),若因某種原因閥門井進(jìn)水/滲水,水位達(dá)到設(shè)定高度時RTU會發(fā)送水位報警信息提示檢修。
     ③　操作時管網(wǎng)運行安全 
閥門遠(yuǎn)程操作采取“動—停—動”的間歇運行模式進(jìn)行控制,減少因閥門調(diào)控產(chǎn)生壓力波動對管網(wǎng)安全運行的影響。該控制過程由“調(diào)度端上位機—現(xiàn)場RTU”在程序控制下共同實現(xiàn)。
     ④　操作權(quán)限及系統(tǒng)管理 
關(guān)鍵閥門是影響供水運行的重要設(shè)備,為防止誤操作,調(diào)度中心上位機設(shè)有登陸密碼和管理權(quán)限,并制定了相應(yīng)的管理操作規(guī)程,如:對閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)操作實行操作票制度、定期對閥門進(jìn)行啟閉操作防止設(shè)備銹蝕、根據(jù)季節(jié)定時遙控接通電動頭內(nèi)置防潮除濕電熱裝置等。
     4　實際應(yīng)用情況和運行效果
     根據(jù)技術(shù)方案和實施計劃,對省紡機DN800管網(wǎng)關(guān)鍵閥門進(jìn)行了改造。2005年10月系統(tǒng)調(diào)試完畢投入運行,近一年的生產(chǎn)運行情況表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,達(dá)到了預(yù)期目的。
     4．1　生產(chǎn)調(diào)度調(diào)控
     該閥門是管網(wǎng)中重要調(diào)控閥門,起到調(diào)整柿園水廠、石佛水廠等主力水廠供水區(qū)域和調(diào)節(jié)西區(qū)局部管網(wǎng)壓力的作用。閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)投入使用后,調(diào)度中心根據(jù)生產(chǎn)需要和優(yōu)化調(diào)度方案隨時對該閥門進(jìn)行調(diào)控操作,達(dá)到了優(yōu)化生產(chǎn)目的。
     4．2　應(yīng)對供水重大事故
     2006年7月1日晚20: 58,受河南省電網(wǎng)出現(xiàn)重大震蕩故障影響,柿園、石佛、東周等水廠全部停產(chǎn),所有測壓點均低壓報警。電網(wǎng)正常供水系統(tǒng)逐步恢復(fù)時,由于管網(wǎng)大面積停水,管道內(nèi)積有氣體,管道壓力低。在此情況下為安全起見,調(diào)度中心對省紡機遙控閥門遠(yuǎn)程操作,配合京廣路等閥門人工調(diào)整,根據(jù)壓力變化調(diào)度水廠依次開車,使供水系統(tǒng)得以在短時間恢復(fù)。
     4．3　應(yīng)對管網(wǎng)重大事故
     2006年6月19日14: 10,中法供水廠DN1 200原水管道在黃河橋收費站附近爆管,該水廠不能維持正常供水。根據(jù)應(yīng)急預(yù)案,調(diào)度中心多次對省紡機遙控閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,配合中原路等閥門人工調(diào)整,改變柿園、石佛兩水廠供水區(qū)域,補給市區(qū)中部、北部供水不足,保持了市區(qū)管網(wǎng)正常的壓力。上述措施使市區(qū)供水基本沒有受到影響,管網(wǎng)供水壓力均衡。
     4．4　擴大應(yīng)用
     對管網(wǎng)重要部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)閥門實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控,是優(yōu)化供水系統(tǒng)運行、提高供水安全可靠性的重要技術(shù)保證,同時也是對目前管網(wǎng)運行調(diào)度模式的創(chuàng)新。
     由于管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)在上述應(yīng)用中起到關(guān)鍵作用,故決定對航海路DN1 000、華山路DN1 200、農(nóng)業(yè)路DN800等6個管網(wǎng)中關(guān)鍵閥門全部進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)改造,目前正在實施過程中。
     5　應(yīng)用展望
     試驗方案選用的RTU、電動頭的設(shè)備組合模式具有可靠性高、功能強大等特點,規(guī)模應(yīng)用時可考慮進(jìn)一步改進(jìn)的可能性。
     降低系統(tǒng)費用
     試驗應(yīng)用時遠(yuǎn)程通訊/遙控裝置選用基于短波通訊的RTU。雖然功能強大,但單站設(shè)備造價高。可以嘗試選型具有數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制功能、基于無線數(shù)字公網(wǎng)的功能模塊,如GPRS - RTU、CDMA- RTU等,以降低單站建設(shè)費用。
     ②　電源是瓶頸問題
     管網(wǎng)閥門安裝在市政道路地下,合適的動力/照明市電電源不一定能得到。在關(guān)鍵閥門需要遠(yuǎn)程調(diào)控而又不能解決市電電源時,可以選用直流供電、高輸出扭矩、低轉(zhuǎn)速的電動頭,電源采用鉛酸電池。
     選用電動車常用的48V14AH鉛酸電池組,以一個月為輪換充電周期,經(jīng)計算在充電輪換周期內(nèi)可以完成50次以上的全開—全閉閥門操作,滿足功能要求。通過加強電瓶充電維護(hù)管理,沒有市電電源情況下可以實現(xiàn)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控。
     ③　對內(nèi)部有大容量清水池用戶定時調(diào)控可嘗試根據(jù)管網(wǎng)工況對其進(jìn)行定時遙控供水,以充分利用用戶清水池對管網(wǎng)的“調(diào)峰”功能。
     6　結(jié)語
     實現(xiàn)管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控,能及時應(yīng)對事故和提高供水管理服務(wù)水平;對關(guān)鍵和重要閥門規(guī)模應(yīng)用可以實現(xiàn)管網(wǎng)實時優(yōu)化運行,降低制供水成本,是實現(xiàn)“調(diào)度執(zhí)行自動化”的重要技術(shù)手段和舉措,也是對現(xiàn)有運行調(diào)度模式的突破和創(chuàng)新。