城镇管网多级加压泵站设计的探索与研究

城镇供水NO.3201747CITYANDTOWNWATERSUPPLY·南方中金·城镇管网多级加压泵站设计的探索与研究龚文军　徐明（南方中金环境股份有限公司（原南方泵业），浙江杭州311107）摘要：城镇管网多级加压泵站变频供水设备是由管网叠压（无负压）装置和泵组及控制柜组成的区域性管网供水设备，设备通过多级泵站的组合，实现区域性环状管网上下游加压泵站的联动控制，通过系统智能化控制调整多级泵站的运行状态，并同时进行管网内部的实时压力流量监控，保障市政管网区域性供水的供水量平衡，达到安全供水的目的。关键字：无负压加压泵站　多级联动智能控制　安全节能远程监控1.项目描述某水厂供水一体化工程由A水厂、B泵站、C泵站、D加压泵站并联供水管网组成。A水厂为清水池重力自流出水10万吨/日，DN1000主管。B泵站设计总规模1.35万吨/日，规模0.75万吨/日；C泵站设计总规模4.8万吨/日；D加压泵站设计总规模2.35万吨/日。图1　管网示意图2.技术要点2.1无负压功能首先，加压泵站设备系统采用一对一变频运行设计，智能软起，全流量调速，能耗数据自主分析，低频状态自动巡检，自动调整优化设备运行模式，具有辅助控制系统，利用辅助系统对主控系统进行状态监测，智能互联，循环互备，异常状态快速预警。进水多级低压预警保护，智能识别，中央控制系统自动启用安全运行模式，抑制负压。其次，设备控制功能方面，加减泵延时功能及辅助运行压力，当瞬间用水量增大时设备并不会瞬间加泵而是通过辅助运行压力进行判断，如符合加泵要求，设备要延时3～10s加泵；当设备用水量减少时设备也不会瞬间减泵而是通过辅助运行压力进行判断，如符合减泵要求，设备延时3～10s减泵。如此辅助运行压力及加减泵延时配合运用，给市政管网压力留有缓冲时间，从而缓解市政压力波动现象,波动范围应≤0.03Mpa。最后，设备结构方面，设备进水配有稳流罐，我司所配稳流罐按照国家标准需满足设备30s的用水量。在市政压力瞬间降低时，稳流罐能满足设备短时的用水量。防止设备对市政管网进行抽吸，造成负压。可以大大缓解市政压力波动现象。2.2三级水锤防护措施水锤是水泵在起动和停止或开关阀门过于快速，导致极短的时间内流量的骤变，回流水引起对48城镇供水NO.32017CITYANDTOWNWATERSUPPLY·南方中金·管道的压强过高的冲击，对阀门和管道产生很大程度的破坏。为了避免水锤现象的发生，加压泵站设备应设计三级水锤防护（消除）措施。一级水锤冲击屏蔽保护：设备水泵出水口安装缓闭式止回阀，有效地提高供水系统的安全可靠性，并将缓开、缓闭消除水锤的技术原理一体化，有效抑制开泵水锤和停泵水锤的产生，可通过流量大、压力损失小。二级水锤压力缓冲保护：设备安装有双向水锤消除装置，通过智能化控制系统达到一个双向水锤消除的作用。设备出口配备隔膜式压力罐，防护等级、抗压能力强，在瞬间流量变化时，水可以被压进压力罐进行缓冲，避免了瞬间的巨大压强对于管路的直接冲击。三级水锤冲力泄压保护：设备进出水口均加有预置泄压阀，能有效的消除涞水水锤、停水水锤、弥合水锤，保障设备的稳定运行。2.3系统智能化安全控制控制系统应设计安全模式运行功能，当系统监测到市政进水压力到达设定压力低限时，设备进入安全运行模式运行。需分为三级压力安全模式运行状态：一级压力低限，设备降频运行；二级压力低限，设备切泵运行；三级压力低限，设备停止运行并报警，保护市政管网不受负压影响同时可以保障小范围内还可以正常供水。在无水停机前做到最大限度的供水能力，当市政压力恢复正常时，设备通过检测信号自动运行，正常供水。设备配置压力补偿灌实现小流量保压及压力、水锤缓冲的功能，避免水泵的频繁启动及大幅度提升加压泵站设备运行的安全性，提升泵站设备的不间断供水能力。2.4远程监控管理设备系统应具有远程监控系统接入，应具有历史数据存储、实时运行曲线和状态监控功能，可依据现成运行情况针对不同时间段的运行数据输出报表形式文件，存储时间应连续达到20年以上，数据信息包括：压力、流量、电压、电流、功率、故障信息等数据。（见图2、图3、图4）2.5联动控制功能设备需具有泵站间的联动控制信号，采用无线GPRS数据信号云端主网平台综合管理和有线VPN数据传输光纤宽带通道区域性双向联动控制方式，保障联动控制信号传输的稳定及安全。图2　监控运行数据统计表城镇供水NO.3201749CITYANDTOWNWATERSUPPLY·南方中金·针对于不同的运行工况、供水系统构级，无负压设备的控制逻辑是不同的，必须有针对性。多级接力泵站作为非常规的供水类型，必须是作为一个整体来看，开发适合多级泵站的群控逻辑。（1）在每个泵站之间利用民用光宽带，在民用互联网开通虚拟VPN通道，从而建立每级泵站数据相互传递和共享的桥梁，打破信息孤岛，实现设备互联，利用信息高速公路解决传统多级叠压泵站信息传递延时性的问题。（2）在设备互联的基础之上，采用集控系统，取代传统多级叠压系统彼此独立的控制系统。每级泵站作为从站，另设主站，从站和主站组建多级叠压泵站的电控系统，实现多套设备一个大脑进行控制即联动控制功能。正常运行时由主站来集中控制多级泵站运行，由组态软件来采集和监控各泵站的运行参数，解决多级泵站运行时，前级泵站系统动作的滞后性。（3）在集控系统中，开发针对多级叠压泵站的运行逻辑，运行原理上要完全匹配多级泵站的运行工况，只有这样才能保证整个加压系统在各种工况图3　管网压力运行曲线图图4　泵站设备运行状态监控图50城镇供水NO.32017CITYANDTOWNWATERSUPPLY·南方中金·下运行的稳定性。传统多级叠压泵站是前级泵站被动响应后级泵站，集控模式下是前级泵站主动响应后级泵站，被动与主动之间，运行的稳定性截然不同。（4）在光纤通讯的基础之上，可以实现最不利点控制逻辑：在此项目上前级泵站系统运行是要保证后级泵站进水端压力恒定，即前级泵站加泵、减泵、加频降频是依据后级泵站进水端压力传感器的信号反馈。如图所示5。图5　群控模式拓扑图A泵站（A监测点）、B泵站（B检测点）、C泵站（E检测点）；另外在D泵站末端、B泵站末端连接处分别安装压力检测装置及检测传输装置（供电系统、PLC、光端机、交换机等）形成检测点C和D，通过高速光纤的连接，打通A、B、C、D、E检测点间的数据通道。A泵站集控系统（检测点A）实时读取检测点D的压力数据，设备启动时，依据用户设定压力（压力需求值）与D点压力的比较，通过PID算法，进行泵站的恒压控制（即末端压力恒压控制），因为区域性末端压力管网一般线路较长约10公里以上，当检测点A的压力达到设定压力时，检测点D有一定时间的延迟效应，压力传达速度减缓。所以在系统控制时，将为A点检测压力高点设定保护值，防止因设备末端压力控制导致的前端（检测点A）压力过高，当检测点A压力达到设定的保护压力值，D检测点压力未到目标压力时，设备进入恒频工作模式，即设备集控系统跳出PID恒压控制模式，恒定目前频率的运行状态。当D检测点压力接近目标压力值时，设备开始（依据检测点A的压力大小）降频运行模式，缓解管网用水流量突然下降导致的压力过冲现象，造成管网压力的稳定及水锤现象。3.主要解决的技术问题加强进出水口的水压监测，监测数据之间形成相互备用原理，单一损坏不会影响设备的正常运行，设备阀门、真空抑制器等部件的运行状态，形成数据通讯，全部由主控制系统进行监测，提高设备整体的运行安全性。设计专用防水锤装置，根据加压泵站设备的特点，水锤效应比较严重，加装双向水锤保护装置，有效缓解进出水端由于泵组瞬间启动和停止时管路中产品的水锤冲击。保障设备运行时不受水锤影响。增强真空抑制器的负压保护能力，采用机械加自动化的双重保护原理，系统实时监测真空抑制器的运行状态，故障时及时响应，并采取降频、停机等保护动作。增加智能泄压系统，加压泵站一般出水管路较长，瞬间的高压对管路损伤较大，并且增加管损，造成水资源浪费及能耗上升。智能泄压系统在设备出口瞬间高压是将部分压力释放到稳流罐高压腔进行保压，在市政进水压力不足时进行补偿，达到释放多余出水口压力及进水口压力补偿的目的。主控制系统增加辅助控制系统进行监测，循环互备，当主系统出现异常或者故障时辅助系统自动启动达到一用一备的目的，解决单一系统损坏时设备无法运行，对正常供水造成的影响。多级加压泵站集控系统联动末端恒压控制与恒压控制自动切换控制模式，保障设备对串联形式连接的加压泵站间的运行稳定性及提高对周边用户的供水安全性。（下转第57页）城镇供水NO.3201757CITYANDTOWNWATERSUPPLY·水质分析与监测·从表1可以看见，该方法的平均回收率为91.6%～93.9%，相对标准偏差RSD为3.72～4.11%。0246810121416mV0.61.21.82.433.64.24.85.46min3.701呋喃丹图2　水样及加标回收谱图图2蓝色线是地表水加标色谱图，黑色线是地表水色谱图。可见加标后的呋喃丹没有受到杂峰的干扰，与溶剂峰能够完全分离。3.5注意事项3.5.1甲醇、纯水、氢氧化钠（最好优级纯）和OPA/ME用前需超声脱气和经0.22μm滤膜过滤，如有气泡会使泵压变大、影响基线稳定性和出峰时间与效果；如有杂质沉积在反应器和流通池内，会影响灵敏度，因此每次实验结束需要用纯水清洗管路30分钟，再换成甲醇/水冲洗管路30分钟。3.5.2衍生剂OPA/ME不稳定,容易被氧化，如不在惰性气体密封下使用，应实验当天用时新配，避光保存。4.结论以WatersCarbamateAnalysis色谱柱，用甲醇—水为流动相等度洗脱，直接进200μL水样，用荧光检测器测定水中呋喃丹，最低检出浓度是0.003mg/L,低于我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006规定呋喃丹的标准限值0.007mg/L,此实验方法满足了国标要求，是检测生活饮用水和地表水中残留呋喃丹较好的方法。参考文献：[1]施俭，俞红俭，傅荣杰.高效液相色谱-柱后衍生法检测水中呋喃丹残留量的方法研究[J].净水技术，2009，28（6）：69～72[2]莫婉秋，刘健明，肖立群.固相萃取-高效液相色谱法测定水中呋喃丹[J].城镇供水，2013，01：45～46[3]杨丽萍，胡思宇等.水中呋喃丹气相色谱-质谱的测定方法研究[J].中国环境监测，2007年4月第23卷第2期[4]姚宏武，鲁松，刘昆善等.直接进样液相色谱质谱法测定水中呋喃丹、灭草松和莠去津[J].中国给水排水，2015年9月第31卷第18期作者通联：0758-2918668（上接第50页）4.小结区域性无负压加压泵站供水设备能够充分利用进水管网压力，整体设计采用了系统化集成结构，多级泵站联动控制的模式有效解决了泵站间的系统化管理问题，保障了市政管网压力的稳定及供水的安全性能。随着现代化城镇发展的进度加快，智慧水务、海绵城市的建设，市政供水压力逐渐增大，仅靠传统加压泵站输水已经不能满足用户对供水能力的要求，通过区域性管网加压泵站集成化系统的建设来提高泵站运行的系统化、智能化管理能力，其优势已日趋明显。参考文献：[1]《给水排水管道系统》．北京：中国建筑工业出版社，2010[2]《给水排水设计手册》，第1、3、4、5、10、11册．北京：中国建筑工业出版社，2000[3]《给排水快速设计手册》第1册[4]室外给水设计规范（GBJ50013－2006）.中国计划出版社，2006[5]中华人民共和国建设部主编．给水排水制图标准（GB/T50106－2001）