智慧集成給水系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

文/涂 斌 陳擁軍

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高?！俺鞘泄┧袠I(yè)2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)”提出了“提高水質(zhì)，保障供水，優(yōu)化成本，改善服務(wù)”的發(fā)展目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要提高供水行業(yè)的管理水平，開發(fā)智能化的給水設(shè)備，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)和管理的智能化和現(xiàn)代化。然而，目前城市供水系統(tǒng)中存在較多的不合理因素，如系統(tǒng)自動(dòng)化調(diào)節(jié)程度不高、可靠性較差，設(shè)備維護(hù)不方便，爆管事件頻發(fā)，漏損率高，水泵能耗大等，這些現(xiàn)象導(dǎo)致供水系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的調(diào)配，嚴(yán)重制約了供水系統(tǒng)智能化發(fā)展水平。開發(fā)智能化給水系統(tǒng)成為保障供水質(zhì)量、降低漏損和供水能耗的重要手段。

PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易通過硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，具有控制精度較高、工作穩(wěn)定、可靠性較強(qiáng)等特點(diǎn)。目前城市二次供水普遍采用傳統(tǒng)的PID控制的恒壓變頻供水系統(tǒng),對(duì)于高樓層用水戶及對(duì)供水質(zhì)量要求較高的用水樓宇來說, PID控制在穩(wěn)定運(yùn)行期存在供水壓力偏差、抗干擾能力差、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),導(dǎo)致水泵運(yùn)行狀態(tài)頻繁切換，供水等待時(shí)間過長(zhǎng)。近年，為了更好地適應(yīng)供水系統(tǒng)的實(shí)際需求，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)智能給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做了大量研究, 本文學(xué)習(xí)借鑒相關(guān)研究成果，主要介紹智慧集成給水系統(tǒng)殼體保溫設(shè)計(jì)、給水系統(tǒng)智能泵控制系統(tǒng)以及變壓力控制策略等。

智慧集成給水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智慧集成給水系統(tǒng)是一種移動(dòng)式一體化二次給水系統(tǒng)。集成給水系統(tǒng)由一個(gè)外殼體（以下簡(jiǎn)稱泵房）封裝，除了一扇門以外，僅僅預(yù)留了電源接口、進(jìn)水口和出水口。智慧集成給水系統(tǒng)包括泵房、智能多級(jí)泵及其控制系統(tǒng)、管路、閥門、壓力表、流量計(jì)、電動(dòng)控制閥等。

1.系統(tǒng)分類

智慧集成給水系統(tǒng)按照使用功能分為A、B、C三種類型，分別如圖1、2、3所示。其中A型、B型采用疊壓供水模式，C型采用變頻變壓力供水模式。根據(jù)用戶的使用需要，選擇不同型號(hào)，按照用戶的流量壓力范圍，確定相匹配的泵組和成套設(shè)備，同時(shí)考慮用戶使用的外界環(huán)境，配置泵站檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

智慧集成給水系統(tǒng)主要由框架、水箱（A、C型）、智能泵組、管路閥門、電氣控制系統(tǒng)和監(jiān)控安全防護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成。進(jìn)水口與市政管網(wǎng)連接，增壓供水，保證供水管網(wǎng)水壓不低于當(dāng)?shù)毓┧块T規(guī)定的限定壓力值；A、C型設(shè)備在用水高峰時(shí)將水箱的儲(chǔ)存水增壓補(bǔ)充到用戶管網(wǎng)，滿足用戶用水需求。

圖1 XMZH(A)—箱式疊壓供水系統(tǒng)

圖2 XMZH(B)—罐式疊壓供水系統(tǒng)

圖3 XMZH(C)—變頻變壓供水系統(tǒng)

2.基本功能

通過智能泵控制系統(tǒng)可以方便地設(shè)置集成給水系統(tǒng)中傳感器的最大量程、設(shè)定壓力、傳感器反饋類型、電機(jī)方向、采樣周期、睡眠功能、休眠相關(guān)參數(shù)等比例積分微分參數(shù)和缺水保護(hù)開關(guān)、缺水保護(hù)重啟延時(shí)、來水檢測(cè)高壓報(bào)警設(shè)定值等功能參數(shù)以及過載保護(hù)電流、過壓失速保護(hù)、限流、輸入缺相保護(hù)、輸出缺相保護(hù)等保護(hù)參數(shù)。智能泵控制系統(tǒng)還能設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如電機(jī)模式設(shè)置、電量、工作時(shí)間、狀態(tài)、系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)開機(jī)、電機(jī)編號(hào)、電機(jī)鎖定等功能設(shè)置與顯示等。該智能泵控制系統(tǒng)還配置了系統(tǒng)故障或供水系統(tǒng)故障、歷史故障等報(bào)警信息查詢，市政管網(wǎng)停水保護(hù)，小流量休眠以及停電不停水功能。當(dāng)小區(qū)停電時(shí)，由市政管網(wǎng)繼續(xù)向低樓層用戶供水，設(shè)備恢復(fù)供電后，恢復(fù)正常供水。

智慧集成給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.集成給水系統(tǒng)熱分析

我國(guó)地域遼闊，各地溫差較大。電器元件在溫度過高或過低的情況下容易發(fā)生故障，甚至停止工作。為了保證智慧集成給水系統(tǒng)適應(yīng)不同應(yīng)用工況，需要對(duì)集成給水系統(tǒng)做熱分析。

（1）保溫分析

智慧集成給水系統(tǒng)工作環(huán)境溫度為-30℃～60℃，泵房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)要求保持溫度5℃～40℃，設(shè)備正常工作要求設(shè)備外殼采用四重防噪保溫措施：一次成型不銹鋼外板、防火阻燃保溫棉、錫膜、吸音隔音板。防火阻燃保溫棉如圖4所示，鋁塑防阻燃吸音隔音板如圖5所示。

泵房最外層為一次成型不銹鋼板，采用多頂缸壓機(jī)一次拉伸定制，保證板材外觀平整和良好的密封性，泵房?jī)?nèi)壁采用木質(zhì)吸音隔音板，內(nèi)外兩層中間填充防火阻燃保溫棉和錫膜。根據(jù)不同客戶的使用環(huán)境，設(shè)定不同的防火阻燃保溫棉厚度，配置不同功率的加熱設(shè)備。

圖4 防火阻燃保溫棉

圖5 鋁塑防阻燃吸音隔音板

（2） 隔熱分析

同保溫分析類似，當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，應(yīng)考慮隔熱分析。由于泵房?jī)?nèi)電機(jī)和電子元器件工作散發(fā)熱量，因此散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)要考慮增加散熱功率約20%作為計(jì)算依據(jù)。針對(duì)不同地域的使用環(huán)境溫度，可以配置軸流風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)換氣設(shè)備，在環(huán)境溫度過高的應(yīng)用場(chǎng)合配置空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)不同客戶的使用環(huán)境，設(shè)定不同的防火阻燃保溫棉厚度，可通過設(shè)計(jì)不同功率的散熱設(shè)備，滿足集成給水系統(tǒng)的使用要求。

2.智能泵控制系統(tǒng)

電網(wǎng)由電源輸入通過防水接頭與接線端子連接，一路經(jīng)過斷路器給變頻控制器供電，另一路經(jīng)過防水接頭由電源線通過防水接頭給泵組系統(tǒng)中的下一臺(tái)水泵供電。同理，經(jīng)過防水接頭的電源與接線端子連接，一路經(jīng)過斷路器給變頻控制器供電，另一路電源經(jīng)過防水接頭由電源線通過防水接頭給泵組系統(tǒng)中的下一臺(tái)水泵供電。通過防水接頭與接線端子連接的電源一路經(jīng)過斷路器給變頻控制器供電，另一路經(jīng)過防水接頭給泵組系統(tǒng)中的下一臺(tái)水泵控制器供電，以此類推。供電電源采用接線端子逐級(jí)并聯(lián)，線路連接簡(jiǎn)單。供電電源通過斷路器給變頻控制器供電，在故障檢修期間可以方便地?cái)嚅_故障檢修水泵而不影響控制系統(tǒng)中其他水泵的供電。防水接頭的作用是提高智能泵控制系統(tǒng)的防水等級(jí)，防護(hù)等級(jí)滿足IP55要求。

包括變送器的驅(qū)動(dòng)器是智能泵控制系統(tǒng)的主驅(qū)動(dòng)器，其余為輔驅(qū)動(dòng)器。壓力傳感器通過信號(hào)線端口把信號(hào)傳遞給主驅(qū)動(dòng)器的變送器。信號(hào)總線通過總線端口與智能泵控制系統(tǒng)中的控制器通信。壓力傳感器通過信號(hào)線端口把信號(hào)傳遞給變送器。壓力信號(hào)通過變送器處理后由總線端口傳遞給變頻控制器，變頻控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按指令啟動(dòng)、停止、加速或者減速運(yùn)行。系統(tǒng)中的變頻控制器通過總線端口接收來自信號(hào)總線的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按指令啟動(dòng)、停止、加速或者減速運(yùn)行。同理，系統(tǒng)中的變頻控制器通過總線端口接收來自信號(hào)總線的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按指令啟動(dòng)、停止、加速或者減速運(yùn)行?？紤]不同應(yīng)用和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，預(yù)留了信號(hào)線端口。這些預(yù)留的信號(hào)線端口可以連接傳感器輸入信號(hào)（如流量計(jì)信號(hào)、溫度信號(hào)、真空表信號(hào)等）和輸出控制信號(hào)（如閥門控制信號(hào)）。

智能泵控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)水系統(tǒng)的管網(wǎng)輸入壓力p1低于用戶需要的設(shè)定壓力p時(shí)，變頻控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以滿足系統(tǒng)壓力要求，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大限制轉(zhuǎn)速時(shí)，管網(wǎng)壓力p1仍低于用戶需要的設(shè)定壓力p，變送器通過其總線端口，由總線把信號(hào)傳遞給變頻控制器或調(diào)節(jié)其驅(qū)動(dòng)的水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，直到給水系統(tǒng)輸出壓力p2=p；當(dāng)p2＞p時(shí)，變頻控制器調(diào)節(jié)電機(jī)減速運(yùn)行；當(dāng)p2＜p時(shí)，水泵加速運(yùn)行；當(dāng)p2=p時(shí)，給水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)的無用水檢測(cè)，然后自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)p2＜p時(shí)，水泵自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行；當(dāng)需要的設(shè)定壓力p小于入口壓力p1時(shí)，系統(tǒng)不啟動(dòng)，由市政給水管網(wǎng)直接給用戶管網(wǎng)供水。

通過智能泵控制系統(tǒng)，智能泵組中的水泵可實(shí)時(shí)智能互換并實(shí)現(xiàn)智能組網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)云鏈接實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘和分析處理，提供優(yōu)化解決方案。

3.變頻變壓力供水

目前市場(chǎng)上的二次給水系統(tǒng)絕大部分都是變頻恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)是按照最不利工況設(shè)定的壓力值，即按照用水高峰最大用水量設(shè)計(jì)的出水壓力。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，用水高峰時(shí)段占整個(gè)二次給水系統(tǒng)不到10%的工作時(shí)間。二次給水系統(tǒng)大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷工作狀態(tài)，由于用水量小，管網(wǎng)中的水流速度低，管路損失減小。因此在部分負(fù)荷工況下，通過降低給水系統(tǒng)的出口壓力，即降低水泵轉(zhuǎn)速或者減少運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)可進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。同時(shí)由于給水系統(tǒng)出口壓力調(diào)低，相對(duì)于恒壓變頻給水系統(tǒng)來說，整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中的壓力降低，爆管的風(fēng)險(xiǎn)降低，管網(wǎng)漏損減少，管網(wǎng)的使用壽命延長(zhǎng)。因此可根據(jù)用水需求進(jìn)行24小時(shí)分段處理，需要多少壓力供多少壓力，變頻變壓力供水在二次給水系統(tǒng)中有很大的潛在節(jié)能空間。

智慧集成給水系統(tǒng)安裝與應(yīng)用案例

智慧集成泵站為集成一體化二次給水設(shè)備，所有功能在出廠前調(diào)試完畢，安裝方便。只需接進(jìn)水管和出水管，接通電源就完成了整個(gè)安裝過程。智慧集成泵站能夠解決自來水公司局部區(qū)域供水不足，安裝方便快捷，高效智能。位于廣東省惠州市惠城區(qū)汝湖鎮(zhèn)的智慧集成泵站對(duì)汝湖鎮(zhèn)片區(qū)住戶進(jìn)行加壓供水，整個(gè)鎮(zhèn)片區(qū)面積約50萬m2，用戶約8000戶。智慧集成泵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。該智慧集成泵站配置了智能泵控制系統(tǒng)和余氯、濁度、pH值水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證了小區(qū)給水的穩(wěn)定性和安全性。

結(jié)語

智慧集成給水系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收、運(yùn)行巡檢、維護(hù)保養(yǎng)等一套完整的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的成熟應(yīng)用和智慧集成給水系統(tǒng)的智能控制為智慧水務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障。智能變頻多級(jí)泵的使用，提升了給水設(shè)備的系統(tǒng)效率，節(jié)省了安裝空間，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程控制和故障處理，確保設(shè)備在無人值守狀態(tài)下能高效、安全、可靠地運(yùn)行。給水系統(tǒng)變壓力控制可進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗和管網(wǎng)爆管的風(fēng)險(xiǎn)，減少管網(wǎng)漏損，延長(zhǎng)管網(wǎng)的使用壽命。