供水管網閥門遠程調控系統研制與應用
1.管網閥門調控現狀
    近年來,隨著技術進步和改造資金投入,多數供水企業建立了供水數據監測與控制系統(SCADA),實現了水源和原水輸送系統監測、凈水構筑物和工藝設備監控以及供水管網測壓等功能。部分供水企業還建立了“呼叫中心”系統和管網地理信息系統(GIS)。上述系統的建立能及時監控供水設備運行和發現管網事故,極大提升供水服務水平。

    限于技術、設備和系統設計理念等多方面原因,對管網調度管理和運行調控還限于人工操作。水壓遙測和事故信息獲取、采集與判斷已實現信息化和自動化,但閥門啟閉和調節還必須依靠操作工人到現場手動完成。這主要有以下幾點不足:

    ①供水管網工況瞬時萬變,管網實時優化運行靠人工現場調節幾乎不可能實現。

    ②為確保供水系統安全運行,在發生重大供水事故時,需對管網中若干重要閥門多次反復調控,人工操作難以勝任。

    ③從管網事故信息的獲取、判斷到人工現場調控閥門,根據城市規模、搶修力量及交通路況情況,會有1h左右的延時。這會造成事故損失擴大,引發相關問題。

    ④目前管網調度模式對用戶端不能實現及時合理的調節和控制。

    2.管網閥門遠程調控的意義

    管網閥門是供水系統中的重要設施,起到輸送、關斷、調節供水流量、壓力和改變流向等管網調控作用,是供水系統暢通輸配和管網搶修、維護、改造的重要保證措施。

    管網閥門上述功能的及時實現直接影響供水安全和供水行業的服務質量。重要的是,當供水系統發生重大故障以及處理大的爆管事故時,管網閥門如不能及時有效地調控將延誤處理事故時機,造成嚴重后果。

    供水管網科學調度與實時調控首先要解決閥門遠程調控問題,管網中若干重要閥門和關鍵閥門能否實現及時有效地調控直接影響供水安全,在調度中心直接實現對管網重要閥門遠程調控操作對保證供水系統安全正常運行具有重要意義。

3.實現方案

    供水系統實現科學調度的關鍵是增加控制手段和工作模式與管理制度的創新。針對*依靠人工操作調控閥門不能及時應對突發事故處理、不利于供水管理和服務的現狀,通過對項目目標、設備工作環境以及RTU、電動執行機構等因素和設備技術參數進行考察和分析后,提出利用現有管網測壓RTU設備對管網重要閥門進行遙測、遙控的技術方案,以及時應對管網事故和適應工況變化,提高供水管理和服務水平。

    3.1技術方案

    ①遠程通訊/控制終端選型

    管網閥門遠程調控系統和現有SCADA系統兼容,可以充分利用現有設備、無線頻譜等資源。RTU選用現有SCADA系統中采用的MOSCADRTU,根據控制目標重新編寫相應控制程序。

    ②上位機組態編程

    在調度中心端上位機設定控制窗口和操作畫面,通過基于短波電臺的無線SCADA系統實時檢測閥門端運行參數,通過指令控制MOSCADRTU實現對閥門的遙測、遙控功能。

    ③執行機構選型

    管網閥門安裝在潮濕環境下的閥門井里,工作環境惡劣。為確保控制可靠性和設備安全,選用防護等級為IP68的電動頭和高可靠性閥門配合作為執行機構,達到正常工作要求。

    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的工作電源。根據電源情況選擇電動頭的驅動電源方式。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傳輸到SCADA系統,平時作為測壓點使用。

    3.2系統安全措施

    為保證設備安全和人身安全,方案設計和項目實施采取的技術措施有:

    ①供電安全

    由于工作場合特殊,電源箱設計有漏電保護器。電動頭電源僅在進行遠程調控操作時通過RTU控制接通,閥門井內設備平時和市電隔離。

    ②閥門井及井蓋設計選型

    良好的外部環境是設備安全運行的重要因素。盡管設計選用設備能滿足“浸水環境”工作,為提高系統可靠性,閥門井設計采用電信防水井蓋,防止雨水侵入閥門井,為執行機構提供良好的外部工作環境。閥門井設計考慮了對井室積水作下滲處理,井室內設有滲水坑。

    井室內設定位置設計安裝干簧管水位開關,若因某種原因閥門井進水/滲水,水位達到設定高度時RTU會發送水位報警信息提示檢修。

    ③操作時管網運行安全

    閥門遠程操作采取“動—停—動”的間歇運行模式進行控制,減少因閥門調控產生壓力波動對管網安全運行的影響。該控制過程由“調度端上位機—現場RTU”在程序控制下共同實現。

    ④操作權限及系統管理

    關鍵閥門是影響供水運行的重要設備,為防止誤操作,調度中心上位機設有登陸密碼和管理權限,并制定了相應的管理操作規程,如:對閥門遠程調控系統操作實行操作票制度、定期對閥門進行啟閉操作防止設備銹蝕、根據季節定時遙控接通電動頭內置防潮除濕電熱裝置等。

4.實際應用情況和運行效果

    根據技術方案和實施計劃,對省紡機DN800管網關鍵閥門進行了改造。2005年10月系統調試完畢投入運行,近一年的生產運行情況表明系統穩定可靠,達到了預期目的。

    4.1生產調度調控

    該閥門是管網中重要調控閥門,起到調整柿園水廠、石佛水廠等主力水廠供水區域和調節西區局部管網壓力的作用。閥門遠程調控系統投入使用后,調度中心根據生產需要和優化調度方案隨時對該閥門進行調控操作,達到了優化生產目的。

    4.2應對供水重大事故

    2006年7月1日晚20:58,受河南省電網出現重大震蕩故障影響,柿園、石佛、東周等水廠全部停產,所有測壓點均低壓報警。電網正常供水系統逐步恢復時,由于管網大面積停水,管道內積有氣體,管道壓力低。在此情況下為安全起見,調度中心對省紡機遙控閥門遠程操作,配合京廣路等閥門人工調整,根據壓力變化調度水廠依次開車,使供水系統得以在短時間恢復。

    4.3應對管網重大事故

    2006年6月19日14:10,中法供水廠DN1200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。根據應急預案,調度中心多次對省紡機遙控閥門進行遠程操作,配合中原路等閥門人工調整,改變柿園、石佛兩水廠供水區域,補給市區中部、北部供水不足,保持了市區管網正常的壓力。上述措施使市區供水基本沒有受到影響,管網供水壓力均衡。

    4.4擴大應用

    對管網重要部位和關鍵環節閥門實現遠程調控,是優化供水系統運行、提高供水安全可靠性的重要技術保證,同時也是對目前管網運行調度模式的創新。

    由于管網閥門遠程調控系統在上述應用中起到關鍵作用,故決定對航海路DN1000、華山路DN1200、農業路DN800等6個管網中關鍵閥門全部進行遠程調控系統改造,目前正在實施過程中。

 5.應用展望

    試驗方案選用的RTU、電動頭的設備組合模式具有可靠性高、功能強大等特點,規模應用時可考慮進一步改進的可能性。

    降低系統費用

    試驗應用時遠程通訊/遙控裝置選用基于短波通訊的RTU。雖然功能強大,但單站設備造價高。可以嘗試選型具有數據采集和遠程控制功能、基于無線數字公網的功能模塊,如GPRS-RTU、CDMA-RTU等,以降低單站建設費用。

    ②電源是瓶頸問題

    管網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。在關鍵閥門需要遠程調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,經計算在充電輪換周期內可以完成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管理,沒有市電電源情況下可以實現閥門遠程調控。

    ③對內部有大容量清水池用戶定時調控可嘗試根據管網工況對其進行定時遙控供水,以充分利用用戶清水池對管網的“調峰”功能。

    6.結語

    實現管網閥門遠程調控,能及時應對事故和提高供水管理服務水平;對關鍵和重要閥門規模應用可以實現管網實時優化運行,降低制供水成本,是實現“調度執行自動化”的重要技術手段和舉措,也是對現有運行調度模式的突破和創新。

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