游慶元， 吳勝華， 陳超明

(1．惠州供水有限公司，廣東 惠州 516000;2．南海市自來水公司桂城水廠，廣東 佛山 528200)

1 低碳實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)

供水低碳實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)［1］要求節(jié)能和快速響應(yīng)水量變化輸入信息，實(shí)時(shí)控制修正偏差，但水力模型計(jì)劃調(diào)度目前還無法滿足要求。南海市桂城水廠(供水量為40×104m3/d)調(diào)度系統(tǒng)由管網(wǎng)壓力控制曲線模型和變頻器構(gòu)成，曲線模型基于SCADA數(shù)據(jù)構(gòu)建［1］，見圖1。PLC+變頻器控制泵群沿該曲線運(yùn)行，使出廠壓力根據(jù)流量變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持末端壓力恒定且無多余揚(yáng)程，達(dá)到節(jié)能的目的，并實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)各單元實(shí)時(shí)調(diào)度低碳運(yùn)行、水司調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)控等管理功能［1］。

圖1 基于管網(wǎng)壓力控制模型的低碳實(shí)時(shí)調(diào)度

2007年，低碳實(shí)時(shí)調(diào)度在桂城水廠開始運(yùn)行，千噸水電耗降低了7．62%，節(jié)電180×104kW·h［1］。但當(dāng)時(shí)智慧水務(wù)尚未建立，因此未實(shí)現(xiàn)信息共享智慧應(yīng)用。

2 低碳實(shí)時(shí)調(diào)度在智慧水務(wù)中的應(yīng)用

2.1 位置與互連互通

2019年2月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《城鎮(zhèn)供水信息系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》［2］，提出“對(duì)各個(gè)孤立運(yùn)行的信息系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行整合與集成，宜利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通、信息共享，智慧應(yīng)用。”

從圖2、圖3可以看出，城鎮(zhèn)供水業(yè)務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)開放互連分層分布式體系結(jié)構(gòu)。低碳實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)可納入此開放結(jié)構(gòu)，與廠站DCS系統(tǒng)在同一層，并成為 DCS系統(tǒng)控制子站，共享系統(tǒng)軟硬件資源［2］。同時(shí)可調(diào)用SCADA流量壓力信息，參與實(shí)時(shí)調(diào)度模型運(yùn)行計(jì)算，減少重復(fù)建設(shè)。

圖2 低碳實(shí)時(shí)調(diào)度在城鎮(zhèn)供水業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的位置

圖3 低碳實(shí)時(shí)調(diào)度在水廠DCS系統(tǒng)的位置

總調(diào)度中心安裝遠(yuǎn)程控制軟件客戶端程序，通過無線網(wǎng)絡(luò)相連，對(duì)安裝服務(wù)端程序的桂城水廠上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控功能［1］。通過設(shè)置多臺(tái)計(jì)算機(jī)，可以對(duì)多個(gè)水廠進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。

2.2 確定管網(wǎng)事故位置

用水量的變化會(huì)使泵群工況點(diǎn)偏離管網(wǎng)壓力控制曲線，水廠低碳實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)顯示偏離誤差△H在 ±0．005 ～ ±0．01 mH2O［3］。若發(fā)生外界擾動(dòng)(例如爆管)，△H值超出±0．5 m，系統(tǒng)顯示管網(wǎng)異常。供水信息系統(tǒng)的GIS管網(wǎng)分析系統(tǒng)［2］依據(jù)此信息，在水廠供水范圍內(nèi)搜索事故點(diǎn)，縮小搜索范圍。若△H值小于－1 mH2O(存在大口徑管道爆管)或△H超出+1 mH2O(有大口徑管道未開閥)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警并自動(dòng)轉(zhuǎn)為人工控制，同時(shí)減少機(jī)組運(yùn)行。系統(tǒng)依據(jù)該信息，沿桂城水廠供水范圍內(nèi)的大管方向搜索，以快速確定事故點(diǎn)。

3 智慧水務(wù)低碳節(jié)能自動(dòng)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

與水力模型計(jì)劃調(diào)度及經(jīng)驗(yàn)調(diào)度相比，低碳實(shí)時(shí)調(diào)度的主要優(yōu)勢(shì)是低碳節(jié)能和自動(dòng)調(diào)度。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水信息系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》，水力模型計(jì)劃調(diào)度的基本功能是“預(yù)計(jì)未來24小時(shí)總需水量，制定各廠站日水量分配及小時(shí)水量分配、水泵啟停調(diào)度計(jì)劃，依據(jù)管網(wǎng)需水量負(fù)荷變化趨勢(shì)，修正調(diào)度計(jì)劃，下達(dá)水泵啟停、調(diào)速轉(zhuǎn)速等調(diào)度指令”等。

低碳實(shí)時(shí)調(diào)度減省了水量預(yù)測(cè)與調(diào)度計(jì)劃，是在管網(wǎng)壓力控制曲線平臺(tái)上的自動(dòng)調(diào)度(控制)，基本功能是依據(jù)出廠瞬時(shí)水量，變頻調(diào)節(jié)調(diào)速泵轉(zhuǎn)速和出廠壓力，實(shí)時(shí)滿足管網(wǎng)流量壓力需要并在流量區(qū)間更替時(shí)自動(dòng)增減泵組。

3.1 管網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度綜合平臺(tái)

廣州水司研究并建立了泵組開停調(diào)度功能分析圖，能直觀顯示人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)度環(huán)境下，泵開停對(duì)供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。研究表明，當(dāng)西村水廠增開1臺(tái)水泵，出廠水流量增大了1 059 m3/h，石門水廠、南洲水廠出廠水量分別減少了479和300 m3/h，管網(wǎng)中心區(qū)壓力普遍升高 0．5 ～0．7 mH2O［4］，調(diào)度員可通過分析圖采取措施，實(shí)現(xiàn)各廠供水量平衡與合理壓力控制。

低碳實(shí)時(shí)調(diào)度環(huán)境下，各廠運(yùn)行的管網(wǎng)壓力控制模型(各不相同［3］)確定了各廠的供水范圍，變頻系統(tǒng)依據(jù)需水量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、增減定速泵，保持各廠水量基本平衡且各廠供水交匯處呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。例如桂城水廠泵群由3#區(qū)間進(jìn)入4#區(qū)間運(yùn)行(8:00～18:00)，增開1臺(tái)24SA機(jī)組后，流量增加了3 000 m3/h。但出廠水總量并未隨即相應(yīng)升高，這是因?yàn)橄到y(tǒng)PID控制調(diào)速機(jī)組降速量，以保持水廠出水量與管網(wǎng)需水量基本平衡，避免對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊。運(yùn)行顯示水量逐步上升，到12:00升高至3 000 m3/h。

變頻系統(tǒng)也能適應(yīng)水量的急劇上升、下降，例如23:00至次日1:00，水量從23 500 m3/h急劇下降至10 000 m3/h，泵群從 5#區(qū)間自動(dòng)經(jīng)過 4#、3#、2#區(qū)間進(jìn)入1#區(qū)間運(yùn)行。6:00～8:00用水量急劇上升，泵群自動(dòng)進(jìn)入2#及3#區(qū)間運(yùn)行，如表1所示。

表1 桂城水廠流量區(qū)間與泵群組合對(duì)照

當(dāng)出現(xiàn)供水故障時(shí)，平衡被打破，水廠的出水量升高，使泵群工況點(diǎn)偏離曲線模型，經(jīng)PID運(yùn)算壓力設(shè)定與壓力反饋比較誤差±△H，變頻器調(diào)節(jié)頻率增加調(diào)速泵轉(zhuǎn)速，使工況點(diǎn)返回曲線。如此循環(huán)控制，使泵群工況點(diǎn)沿曲線向右運(yùn)行直至自動(dòng)增加定速泵，出廠水量增加，出廠壓力上升。例如當(dāng)另1座供水量為50×104m3/d的水廠因故障大面積停水時(shí)，桂城水廠就自動(dòng)提高了供水量，保障了基本用水［1］。

低碳實(shí)時(shí)調(diào)度環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)各單元實(shí)時(shí)調(diào)度低碳運(yùn)行，包括管網(wǎng)末端壓力、出廠壓力、供水泵站、取水泵站、加壓泵站、清水池及遠(yuǎn)端高位水池等［1］。

因此，通過運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)，一方面總調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)控各廠運(yùn)行參數(shù)，并在大屏幕集中直觀顯示管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，包括各廠主要控制點(diǎn)壓力(管網(wǎng)遠(yuǎn)端、末端或最不利點(diǎn))。另一方面，調(diào)用各廠實(shí)時(shí)出廠流量壓力和功率電耗，與宏觀模型各廠優(yōu)化流量比較，并設(shè)立允差范圍和各項(xiàng)約束條件(編制腳本程序在上位機(jī)運(yùn)行);若發(fā)生越限則核驗(yàn)?zāi)┒藟毫σ?guī)定值的合理程度，并相應(yīng)修正管網(wǎng)壓力控制模型的供水范圍和末端壓力，核驗(yàn)比較功率電耗，以進(jìn)一步降低管網(wǎng)運(yùn)行能耗。

3.2 精準(zhǔn)控制管網(wǎng)末端壓力

基于SCADA數(shù)據(jù)和宏觀模型，綜合應(yīng)用預(yù)測(cè)推斷控制算法，離線構(gòu)建末端壓力與出廠壓力流量的關(guān)系模型，即管網(wǎng)壓力控制模型，模型末端壓力hY與規(guī)定末端壓力 hG的平均誤差為 ±0．002 MPa［3］。實(shí)際運(yùn)行只要控制出廠壓力沿此曲線運(yùn)行，就可控制管網(wǎng)末端壓力(主控量)。

實(shí)時(shí)調(diào)度模型輸入量為出廠流量，輸出量為沿曲線運(yùn)行的出廠壓力，因而實(shí)現(xiàn)了末端壓力的精準(zhǔn)控制，使末端壓力處于規(guī)定值范圍內(nèi)。

桂城水廠實(shí)際運(yùn)行情況顯示，末端壓力實(shí)測(cè)值與規(guī)定值平均誤差在 ±0．002 MPa，其中2#～3#區(qū)間平均誤差在 ±0．002 MPa以內(nèi)，0#～1#區(qū)間平均誤差超出 ±0．002 MPa，4#～5#區(qū)間出廠壓力與末端壓力均符合規(guī)定。

水力模型在管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、改造及管理等領(lǐng)域用途廣泛，但節(jié)能效果不明顯［5］。應(yīng)用SCADA數(shù)據(jù)在線校正模型節(jié)點(diǎn)(DN300以上)流量，使95%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算壓力與監(jiān)測(cè)值誤差在2 mH2O以下，符合標(biāo)準(zhǔn)［2］;90%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差1．5 mH2O以下，符合管網(wǎng)水力計(jì)算允許誤差 1 ～ 1．5 mH2O 的要求［4，6］。桂城水廠的實(shí)際運(yùn)行顯示，管網(wǎng)末端壓力控制誤差不超出 ±0．002 MPa［1］才可使供水泵站千噸水電耗下降10%左右，且全廠千噸水電耗下降5% ～6%，從而符合低碳交易履約要求。若誤差超出±0．006～0．007 MPa，供水泵站千噸水電耗下降僅2% ～3%，曲線模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

智慧應(yīng)用可將水力模型調(diào)度預(yù)案的時(shí)段流量輸入曲線模型，生成相應(yīng)的出廠壓力，并替代調(diào)度預(yù)案出廠壓力，以控制末端壓力精度在±0．002 MPa。該方法簡(jiǎn)便可行，有利于擴(kuò)展水力模型在調(diào)度領(lǐng)域的節(jié)能應(yīng)用。

3.3 變頻設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能應(yīng)用

管網(wǎng)壓力控制曲線模型需變頻控制泵群沿曲線運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能和實(shí)時(shí)調(diào)度。雖然離心泵對(duì)變頻器的要求最為簡(jiǎn)單，但變頻機(jī)組如何運(yùn)行、機(jī)組何時(shí)參與運(yùn)行能耗才會(huì)最小，須在曲線模型平臺(tái)上通過模擬仿真，經(jīng)多方案比較確定。

3.3.1 變頻器數(shù)量

如表2所示，方案一的節(jié)電效果最好，但機(jī)組啟停次數(shù)過多;方案二設(shè)置2臺(tái)變頻器，啟停次數(shù)減少，但節(jié)電量比方案一減少了21×104kW·h，方案可行合理;方案三下機(jī)組啟停僅4次，但所增加的1臺(tái)1 400 kW變頻器自身年耗電量為30×104kW·h，此外轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致泵效率下降，增加耗電(10～12)×104kW·h，因此節(jié)電效果不如方案一和方案二。

表2 低碳實(shí)時(shí)調(diào)度變頻器設(shè)置方案

3.3.2 各流量區(qū)間起點(diǎn)的變頻器頻率

變速機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，泵效率也會(huì)下降［7］，例如32SA變速泵在F點(diǎn)(0#區(qū)間起點(diǎn))的運(yùn)行參數(shù)如下:轉(zhuǎn)速比 0．808(額定轉(zhuǎn)速 742 r/min)、流量 0．904 4 m3/s、揚(yáng)程42．02 m，CFD計(jì)算的 F點(diǎn)葉輪轉(zhuǎn)矩 M=8 072 N·m，則計(jì)算得到F點(diǎn)的效率為0．736，與額定轉(zhuǎn)速曲線對(duì)應(yīng)的E點(diǎn)效率(0．773)相比降低4．8%。效率降低會(huì)額外消耗一部分電，例如F點(diǎn)功率的計(jì)算公式:

其中1+(η額E－ ηi)/η額E是轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致的效率下降。

為簡(jiǎn)化仿真，實(shí)際仿真程序是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算F點(diǎn)效率，即采用式(2)所示的經(jīng)典公式估算F點(diǎn)效率，計(jì)算精度足夠。

仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)速下降后，調(diào)速泵95%以上的工況點(diǎn)分布在過D點(diǎn)的相似拋物線左右兩旁，處在轉(zhuǎn)速不同的流量－揚(yáng)程曲線上(F、B點(diǎn))效率不同程度下降，相應(yīng)功率點(diǎn)分布在轉(zhuǎn)速不同的流量－功率曲線上。仿真計(jì)算其效率、功率，瞬時(shí)用電量及其累計(jì)值，可使年能耗預(yù)測(cè)誤差在±1．5%內(nèi)。

桂城水廠變頻機(jī)組的供水量超過供水泵房出水總量的50%以上，運(yùn)行頻率過低會(huì)影響變頻機(jī)組的節(jié)電量，例如32SA變頻機(jī)組千噸水電耗為172 kW·h，與變頻前(182 kW·h)相比，節(jié)電僅5．5%，沿曲線運(yùn)行的32SA定速機(jī)組千噸水電耗為165 kW·h，節(jié)電 9．4%［3］。因此，仿真最終確定 1#～5#區(qū)間起點(diǎn)的變頻機(jī)組轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的85% ～90%(須兼顧流量調(diào)節(jié)寬度)，使供水泵房達(dá)到最佳節(jié)能效果。

3.3.3 機(jī)組投入運(yùn)行的時(shí)間

確定各流量區(qū)間的泵群組合(變頻和定速機(jī)組)使區(qū)間運(yùn)行能耗最低，同時(shí)也決定了區(qū)間寬度和流量調(diào)節(jié)范圍。流量區(qū)間更替時(shí)，泵群的更替投入自動(dòng)確保各區(qū)間起點(diǎn)及終點(diǎn)的變頻機(jī)組在預(yù)定頻率(轉(zhuǎn)速)運(yùn)行。無需頻率設(shè)定裝置，簡(jiǎn)化了變頻運(yùn)行系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

低碳實(shí)時(shí)調(diào)度依據(jù)出廠水量變化調(diào)節(jié)變速泵轉(zhuǎn)速(直至增減定速泵)及出廠壓力，控制泵群沿曲線運(yùn)行，以滿足末端壓力且無多余揚(yáng)程，實(shí)現(xiàn)取水泵站、加壓泵站、清水池及遠(yuǎn)端高位水池實(shí)時(shí)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水廠調(diào)度室實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警、水司調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)參數(shù)實(shí)時(shí)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輔助決策等綜合管理功能。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅出廠流量壓力(傳感儀表在泵房?jī)?nèi))參與運(yùn)行計(jì)算，有利長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。