供水管网阀门远程调控系统研制与应用

1　管网阀门调控现状
     近年来,随着技术进步和改造资金投入,多数供水企业建立了供水数据监测与控制系统( SCADA) ,实现了水源和原水输送系统监测、净水构筑物和工艺设备监控以及供水管网测压等功能。部分供水企业还建立了“呼叫中心”***电话系统和管网地理信息系统(GIS) 。上述系统的建立能及时监控供水设备运行和发现管网事故,极大提升供水服务水平。
     限于技术、设备和系统设计理念等多方面原因,对管网调度管理和运行调控还限于人工操作。水压遥测和事故信息获取、采集与判断已实现信息化和自动化,但阀门启闭和调节还必须依靠操作工人到现场手动完成。这主要有以下几点不足:
     ①　供水管网工况瞬时万变,管网实时优化运行靠人工现场调节几乎不可能实现。
     ②　为确保供水系统安全运行,在发生重大供水事故时,需对管网中若干重要阀门多次反复调控,人工操作难以胜任。
     ③　从管网事故信息的获取、判断到人工现场调控阀门,根据城市规模、抢修力量及交通路况情况,会有1 h左右的***。这会造成事故损失扩大,引发相关问题。
     ④　目前管网调度模式对用户端不能实现及时合理的调节和控制。
     2　管网阀门远程调控的意义
     管网阀门是供水系统中的重要设施,起到输送、关断、调节供水流量、压力和改变流向等管网调控作用,是供水系统畅通输配和管网抢修、维护、改造的重要保证措施。
     管网阀门上述功能的及时实现直接影响供水安全和供水行业的服务质量。重要的是,当供水系统发生重大故障以及处理大的爆管事故时,管网阀门如不能及时有效地调控将延误处理事故时机,造成严重后果。
     供水管网科学调度与实时调控首先要解决阀门远程调控问题,管网中若干重要阀门和关键阀门能否实现及时有效地调控直接影响供水安全,在调度中心直接实现对管网重要阀门远程调控操作对保证供水系统安全正常运行具有重要意义。
     3　实现方案
     供水系统实现科学调度的关键是增加控制手段和工作模式与管理制度的创新。针对完全依靠人工操作调控阀门不能及时应对突发事故处理、不利于供水管理和服务的现状,通过对项目目标、设备工作环境以及RTU、电动执行机构等因素和设备技术参数进行考察和分析后,提出利用现有管网测压RTU设备对管网重要阀门进行遥测、遥控的技术方案,以及时应对管网事故和适应工况变化,提高供水管理和服务水平。
     3．1　技术方案
     ①　远程通讯/控制终端选型
     管网阀门远程调控系统和现有SCADA系统兼容,可以充分利用现有设备、无线频谱等资源。RTU选用现有SCADA系统中采用的MOSCAD RTU,根据控制目标重新编写相应控制程序。
     ②　上位机组态编程
在调度中心端上位机设定控制窗口和操作画面,通过基于短波电台的无线SCADA 系统实时检测阀门     ③　执行机构选型
管网阀门安装在潮湿环境下的阀门井里,工作环境恶劣。为确保控制可靠性和设备安全,选用防护等级为IP68的电动头和高可靠性阀门配合作为执行机构,达到正常工作要求。
     ④　电源
在被控阀门点附近单位寻找合适的动力/照明电源作为被控阀门系统的工作电源。根据电源情况选择电动头的驱动电源方式。在条件许可的情况下,尽可能选用动力电源作为工作电源。
     ⑤　附属仪表
为及时掌握阀门调控情况和效果,在阀门下游安装压力传感器。采集的压力信号通过RTU传输到SCADA系统,平时作为测压点使用。
     3．2　系统安全措施
     为保证设备安全和人身安全,方案设计和项目实施采取的技术措施有:
     ①　供电安全
由于工作场合特殊,电源箱设计有漏电保护器。电动头电源仅在进行远程调控操作时通过RTU控制接通,阀门井内设备平时和市电隔离。
     ②　阀门井及井盖设计选型
良好的外部环境是设备安全运行的重要因素。尽管设计选用设备能满足“浸水环境”工作,为提高系统可靠性,阀门井设计采用电信防水井盖,防止雨水***阀门井,为执行机构提供良好的外部工作环境。阀门井设计考虑了对井室积水作下渗处理,井室内设有渗水坑。
     井室内设***置设计安装干簧管水位开关,若因某种原因阀门井进水/渗水,水位达到设定高度时RTU会发送水位报警信息提示检修。
     ③　操作时管网运行安全
阀门远程操作采取“动—停—动”的间歇运行模式进行控制,减少因阀门调控产生压力波动对管网安全运行的影响。该控制过程由“调度端上位机—现场RTU”在程序控制下共同实现。
     ④　操作权限及系统管理
关键阀门是影响供水运行的重要设备,为防止误操作,调度中心上位机设有登陆密码和管理权限,并制定了相应的管理操作规程,如:对阀门远程调控系统操作实行操作票制度、定期对阀门进行启闭操作防止设备锈蚀、根据季节定时遥控接通电动头内置防潮除湿电热装置等。
     4　实际应用情况和运行效果
     根据技术方案和实施计划,对省纺机DN800管网关键阀门进行了改造。2005年10月系统调试完毕投入运行,近一年的生产运行情况表明系统稳定可靠,达到了预期目的。
     4．1　生产调度调控
     该阀门是管网中重要调控阀门,起到调整柿园水厂、石佛水厂等主力水厂供水区域和调节西区局部管网压力的作用。阀门远程调控系统投入使用后,调度中心根据生产需要和优化调度方案随时对该阀门进行调控操作,达到了优化生产目的。
     4．2　应对供水重大事故
     2006年7月1日晚20: 58,受河南省电网出现重大震荡故障影响,柿园、石佛、东周等水厂全部停产,所有测压点均低压报警。电网正常供水系统逐步***时,由于管网大面积停水,管道内积有气体,管道压力低。在此情况下为安全起见,调度中心对省纺机遥控阀门远程操作,配合京广路等阀门人工调整,根据压力变化调度水厂依次开车,使供水系统得以在短时间***。
     4．3　应对管网重大事故
     2006年6月19日14: 10,中法供水厂DN1 200原水管道在黄河桥收费站附近爆管,该水厂不能维持正常供水。根据应急预案,调度中心多次对省纺机遥控阀门进行远程操作,配合中原路等阀门人工调整,改变柿园、石佛两水厂供水区域,补给市区中部、北部供水不足,保持了市区管网正常的压力。上述措施使市区供水基本没有受到影响,管网供水压力均衡。
     4．4　扩大应用
     对管网重要部位和关键环节阀门实现远程调控,是优化供水系统运行、提高供水安全可靠性的重要技术保证,同时也是对目前管网运行调度模式的创新。
     由于管网阀门远程调控系统在上述应用中起到关键作用,故决定对航海路DN1 000、华山路DN1 200、农业路DN800等6个管网中关键阀门全部进行远程调控系统改造,目前正在实施过程中。
     5　应用展望
     试验方案选用的RTU、电动头的设备组合模式具有可靠性高、功能强大等特点,规模应用时可考虑进一步改进的可能性。
     降低系统费用
     试验应用时远程通讯/遥控装置选用基于短波通讯的RTU。虽然功能强大,但单站设备造价高。可以尝试选型具有数据采集和远程控制功能、基于无线数字公网的功能模块,如GPRS - RTU、CDMA- RTU等,以降低单站建设费用。
     ②　电源是瓶颈问题
     管网阀门安装在市政道路地下,合适的动力/照明市电电源不一定能得到。在关键阀门需要远程调控而又不能解决市电电源时,可以选用直流供电、高输出扭矩、低转速的电动头,电源采用铅酸电池。
     选用电动车常用的48V14AH铅酸电池组,以一个月为轮换充电周期,经计算在充电轮换周期内可以完成50次以上的全开—全闭阀门操作,满足功能要求。通过加强电瓶充电维护管理,没有市电电源情况下可以实现阀门远程调控。
     ③　对内部有大容量清水池用户定时调控可尝试根据管网工况对其进行定时遥控供水,以充分利用用户清水池对管网的“调峰”功能。
     6　结语
     实现管网阀门远程调控,能及时应对事故和提高供水管理服务水平;对关键和重要阀门规模应用可以实现管网实时优化运行,降低制供水成本,是实现“调度执行自动化”的重要技术手段和举措,也是对现有运行调度模式的突破和创新。