多水源供水系统运行状态监测与诊断

刘晓哲 迟强

【摘 要】随着城市建设的不断发展，城市需水量急剧增加，供水管网系统也由单水源供水发展到多水源供水，为掌握农村多水源供水系统运行状态，诊断运行中存在的问题，以便及时改进，测定了供水系统水量、水压和能耗，分析存在问题，提出改进意见。基于此，本文就多水源供水系统运行状态监测与诊断进行分析与研究。

【关键词】多水源；供水系统；状态监测；诊断

引言

水质、水量、水压、能耗是供水企业的主要考核指标，农村供水系统多以地下水为水源，水质稳定，基本不需处理。因此，水量、水压、能耗是农村供水企业需要关注的主要指标。水量是首先必须保障的指标，供水水源和供水设施的能力必须满足用户对水量的要求，才能在总量上维持平衡。水压是供水能力的直接体现，关系到供水服务质量。

一、供水系统的发展和研究现状

（一）供水系统的发展现状。

随着变频技术的快速发展，变频恒压供水技术也随之发展起来，在20世纪末，由于变频器生产厂家将变频器的功能局限在工业方面，导致变频器在恒压供水系统中的使用非常简单，仅仅把变频器作为一个微小的控制环节，从而未能将变频器的功能完全发挥于恒压供水系统中。

为了能更好地满足当前的用水需求，人们开始将变频器通过增加压力和流量传感器后，大量应用于恒压供水系统中。

从笔者查阅的相关文献可以看出，恒压供水系统的设计大多用一台变频器结合一台电机运行的，很少有用一台变频器结合多台电机运行的，所以导致恒压供水系统的投入成本过高。

随着变频技术的不断发展，大量的研究开始针对恒压供水体系进行，而且也推出了变频器自动化水平较高的节能设计例如日本三垦公司推出的“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”的恒压供水基板，就是一款非常好的变频恒压供水元件它可以实现PLC可编程控制等功能。

只需与配套的供水装置连接就可以一台带动5台以上的电机进行运行，这就使得变频恒压供水系统的成本大大节约但是由于稳定性和容量不高，因此未能得到推广使用。

目前，国内外有许多厂家都致力于变频供水系统的研究和开发，其中比较好的变频器是采用PLC来实现的，还有一部分变频器是采用单片机技术来实现，但是其抗干扰性较差，仍然不能满足社会用水需求。

最近，艾默生電气公司和希望森兰变频器制造公司先后生产了一款专门用于恒压供水体系的变频器，该变频器无需外接其它设备，可以同时控制4台电机运行，而且还在该变频器内部另外增加了两个单元，分别是闭环控制和循环控制。其缺点就是不能一次带动多台电机运行，而且通信功能不太好控制，因此对于要求极大节约成本的恒压供水体系来讲，还有待于改善和提升。

（二）供水系统国内外研究现状。

随着变频技术的不断发展，使得变频调速技术在用电行业里得到广泛推广，其中，变频恒压供水技术就是变频调速技术领域中的典型。

先前，外国生产的变频器主要用于控制电机的启动和停止、电机换向控制和速度调节等各种保护功能。

在变频恒压供水系统中，通过变频中可编程的逻辑控制器，作为执行机构系统之间的控制环节，以保证管道内供水压力恒定，以满足不同时间的供水需求量，需要提供一个外部压力传感器和压力控制器，对水压进行闭环控制。

目前，我们国内有很多公司在做变频恒压供水项目，但大多使用国外变频器控制水泵的转速调整管内水压主要是通过采用单片机和PLC及相应的软件来实现，但是在系统性能和动力性能、抗扰性能和开放性等多项综合技术指标方面仍然欠缺稳定不能满足用户的所有要求。

像前面所说的艾默生集团生产和国内希望集团生产的变频器，都是只能带动4台电机运行，虽然无需外接其它调节，但是其输出接口限制了驱动电机的容量，并且操作不方便使用，数据通信功能缺乏，使得它仅适用于负载能力相对较小和的供水站。

二、供水系统概况

研究的对象为宿迁市宿城区南蔡乡集中供水系统，用水人口19258人，供水区包括南蔡乡镇、长庄村、陈圩村、新蔡村、果园村、兴跃村、苏圩村和范庄村，用水对象主要是乡村人畜生活用水，还有少量商业用水，基本无工业用水。乡镇建筑层数2～3层，农村建筑层数1～2层。长庄和果园村地面高程25～27m，其它区域高程17～19m。

水源为地下水，为地下第2、3层承压水，含水层为中粗砂和细砂，厚度6～23m，顶板埋深34～58.8m。共设有3口水井，分别位于南蔡乡镇、苏圩村和长庄村，井深130m，直径300mm。

水源地面高程分别为19、19和27m。水井内安装有200QSG63-84型深井泵，功率25kW，直接将井水送入管网。

供水管网由1个环和5个方向树状管道组成，5个树状支线分别是长庄支线、陈圩支线、苏圩支线、新蔡支线和果园支线，见图1。采用PE塑料管，干管直径63～250mm，累计长度31953m。

供水系统采用间歇供水方式，各水源水泵5：00-22：00启动供水，其余时间停止供水。采用恒压变频供水设备调节水泵转速和出水量，在水泵出水管上设电接点压力表，苏圩水源和南蔡水源设定最高压力0.3MPa，长庄水源地势较高，设定最高压力0.24MPa。当出水管水压超过最高设定压力时，自动调小供电频率，减小水泵出水量，达到节电节水目的。

三、监测方法

（一）水源监测

水源监测项目包括水井水位、出水流量、出水水压和能耗。

1.水井水位监测。采用艾瑞普源仪表有限公司的投入式液位变送器测定水源井中水位，将压力传感器放入水井中，传感器经导线与地面数据采集终端连接，将压力转换成模拟电信号。模拟电信号经中国移动ADSL无线信号传输系统远程传输到终端计算机，再转换成水位数字信号。每15min监测一次。每个水井设置1套数据采集与传输系统。

2.出水量监测。在每口水井水泵出水管上安装有直读、远传两用水表，口径DN250。当累计量每增加10m3时，记录一个数据及其对应时间，该数据也送入数据采集终端。

3.出水水压监测。在水源水泵出水管上安装有指针式电接点压力表，可以直接读取水压，也可以自动记录。电接点压力表与水泵变频器连接，可以设定水泵出口最高供水压力，当压力达到最高设定压力时，变频器自动降低供电频率，减少水泵转速和供水量，维持水压不超过最高水压。

4.水源水泵耗电量监测。每个水厂均安装有电表，可以直接读取水泵累计耗电量，每1h人工抄录一次电表读数。

（二）管网水压监测

采用U盘式数字压力表监测管网中水压。将压力表与用户水龙头连接，或直接安装在干管上。水压既能直读也能自动记录，自动记录数据储存在存储器中，定期通过U盘拷贝。

数字压力表每10min记录一次压力数据，存储器共能储存20000个数据，即一次拷贝清空存储器后，能自动记录138d数据，直到存储器充满，将停止记录。该压力表由干电池供电，能连续工作18个月。

测压点的数量及其布置考虑管网规模、形态等因素确定，监测的目的是要了解管网水压的全貌，因而测压点应基本覆盖全管网，应在环状干线、树状支线上、管网末梢等代表性位置上布置。综合考虑各方面因素，共布设了7个管网水压监测点，分布见图1。其中，环状干线上3个，树状支管末端4个，基本对管网进行了全覆盖。

四、监测结果与分析

三口水井水位变化过程见图2。由于采用间歇供水，白天抽水时水位下降，称为动水位；晚上停止抽水，水位恢复，称为静水位。由图2（a）可见，自2013年1月19日至2013年8月7日，蘇圩水井静水位高程从-16.66m下降到-18.41m，降低了1.75m。动水位从-19.52m下降到-21.28m，降低了1.76m。水位日均下降0.87cm，说明承压水层补给充分，在今年大旱的情况下水位缓慢下降。一日内动、静水位差1.70～3.27m，平均水位差2.57m，日动、静水位差值并未随时间有明显变化，说明水泵抽水量小于井的允许开采量。

从图2（b）可见，长庄水井静水位从-19.95m下降到-21.76m，降低了1.81m。动水位从-22.58m下降到-24.31m，降低了1.52m。动、静水位差平均2.58m，水位日均下降0.9cm，下降缓慢，说明承压水层补给充分，水泵抽水量小于井的允许开采量。从图2（c）可见，南蔡乡水井在2月下旬之前，水位下降缓慢。2月25日至4月4日，水位发生了快速下降，4月4日后已超出水位计测量极限，静水位从-14.46m下降到-25.67m，动水位从-19.31m下降到-30.71m，日均水位下降29.5cm，动、静水位差平均5.08m。水位快速下降的原因是，南蔡水井靠近南蔡镇，随着气温的升高，大量家庭和单位的自备水井抽水量急剧增加，大于地下水补给速度，导致整片地区地下水位下降，形成降落漏斗。

结束语

农村供水系统建设标准低，维护管理水平低，运行中易累积各种病态问题，如不及时发现诊断，将影响供水服务质量，增加水耗和能耗，增大农民用水负担。因此，建立一套适合农村供水系统运行状态监测方法，及时监测管网水量水压能耗掌握管网运行动态，诊断管网存在问题，及时予以纠正，对提高供水服务质量和管理水平、节能降耗具有现实意义。采用累积式远传水表可监测水源及管段流量，用于分析用户用水规律、管网漏水和未预见水；采用投入式液位变送器可测定水源水位，计算水泵扬程，结合供水电耗，可计算供水能耗和供水效率，分析降低供水能耗的方法；采用U盘式数字测压表，可分散监测管网各点水压，定期收集数据，用于分析管网压力分布，改进供水调度方法，增大水压不足地区和时段的供水量，保障供水水压，降低水压过高地区和时段的供水量，降低能耗和漏水。

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