在线水质监测与控制系统

来源:荣格国际泵阀技术商情

发布时间:2019年7月10日下午 08:07:07

自2017年4月开始,加州旧金 山市县的市政供水机构——旧金山市政公用事业委员会 (SFPUC)将当地含水层的地下水与城市常规地表供水源进行混合。90多年来,旧金山从未将地下水作为饮用水供应。这一 新的地下水利用规划/工程设计和建设项目是在旧金山地下水供应项目(SFGW项 目)的基础上完成的。它是该机构资本项目的一部分,旨在使城市的饮用水供应源多样化,并提高其可靠性。

自2017年4月开始,加州旧金 山市县的市政供水机构——旧金山市政公用事业委员会 (SFPUC)将当地含水层的地下水与城市常规地表供水源进行混合。90多年来,旧金山从未将地下水作为饮用水供应。这一 新的地下水利用规划/工程设计和建设项目是在旧金山地下水供应项目(SFGW项 目)的基础上完成的。它是该机构资本项目的一部分,旨在使城市的饮用水供应源多样化,并提高其可靠性。

由于地下水和地表水的水质差异, SFGW项目选择将少量地下水与两个城市水库的地表水供应调合。这种调合或混合可以使该市继续超过所有的饮用水管制标准,并确保无可觉察的口感或气味变化。在线监测与控制系统由专门项目团队开发并实施,以满足项目的水质要求。该团队中包括SFPUC项目管理人员水质控制系统的团队成员包括来自DTN Engineers、Kennedy/Jenks Consultants以及 Tesco Controls的人员。

项目背景

SFPUC是旧金山市县的水零售客户、以及服务大湾区的阿拉米达、圣马特奥和圣克拉拉县的26个批发客户的供应商。从20世纪30年代中期至最近,SFPUC的市政供水来自赫奇-赫奇区域供水系统。该系统结合了内华达山脉赫奇- 赫奇水库的地表水资源与湾区的五个水库。平均而言,SFPUC 85%的供水由赫奇-赫奇水库提供,其余15%则由五个湾区水库提供。

从2000年代中期开始,SFPUC开始实施水系统改善计划(WSIP),这是一项耗资48亿美元的多年资本计划,旨在升级 SFPUC的区域和地方供水系统。WSIP的主要目标包括:

• 通过在脆弱地区(如断层带和旧金山湾下方)重建现有设施来加强区域水系统

• 通过重建水处理厂和建设新的水处理设施,保持饮用水供应的高质量。

• 依据两个地下水项目增建水井,以提高旧金山供水的可靠性。

这两个地下水项目即SFGW项目,以及区域地下水储存与恢复项目(GSR 项目)。SFGW项目完全位于旧金山,而 GSR项目则位于圣马特奥县北部、旧金山南部。两个项目都从西侧盆地蓄水层抽取地下水。SFGW项目旨在随时补充城市饮用水,是本文的重点。GSR项目将在干旱地区或其它紧急情况下向项目区和旧金山的批发客户提供地下水。有了地下水供应,SFPUC的客户就不易遭遇服务中断的影响,无论是在大地震、干旱还是其它未知情况下。

SFGW项目包括六个地下水井设施, 每个设施包括一座井站和一个泵站,以及为该项目修建的5英里长的新地下输水管道(图2)。其中五座井站通过新的地下 水管道直接向日落水库供应地下水,并在该处与赫奇-赫奇地区供水系统混合。第六座井站位于默塞德湖附近,与SFPUC的 默塞德湖泵站相连。在那里,地下水被混合并分布到日落水库和萨托水库。除了与地表水混合之外,地下水还通过加氯和调节pH值进行处理。

图2:SFGW项目井站和水库

四座井站设施(图1中的第一阶段) 已完工,目前正在将地下水泵送至日落水库和萨托水库。其余两座井站设施(图1 中的第二阶段)将于2021年开始泵送至日落水库。平均地下水产量将逐步增加, 第一年的目标是每天1百万加仑(mgd) (每年1120亩呎);而当所有六座井站都投入运行时,目标则是每年4 mgd(4480 亩呎)。整个4 mgd的产量标志着在日落水库中调和进约13%的地下水。

西侧盆地含水层的地下水质量不同 于赫奇-赫奇区域水系统的地表水供应。 因此,由此产生的地下水与地表水混合物 也不同于通常向SFPUC客户的供水。主要 的水质变化包括一般矿物质含量、pH、 硝酸盐、六价铬和锰。

地下水的总矿物含量(主要是总溶解固体、硬度和碱度)高于旧金山主要来自赫奇-赫奇水库的主要水源。

单井地下水的pH值范围介于7.6至8.0 (弱碱性)。该范围低于SFPUC处理后的地表水的pH值——保持在8.8至9.4之间, 以实现最佳腐蚀控制。(这是由国家水资源控制委员会强制执行的饮用水铅和铜规则所要求的。)

地下水中的硝酸盐和六价铬浓度高于地表水供应。硝酸盐有基于健康的饮用水标准(主要最大污染物水平[MCL])。 此外,加州正在采用六价铬的初级 MCL,预计于2019年完成。

在旧金山湾区的地下水中经常发现锰浓度高于基于美学的饮用水标准(二级 MCL)。但SFGW项目井站从未发现超出二级MCL的情况。

发了一个在线水质监测与控制系统,以仔 细监控并管理化学处理过程以及地下水和 地表水的混合。该在线水质监测与控制系 统的主要功能是:

•监测单井产量、井站设施中的机械、电气系统以及化学处理过程。

•实时计算调和水质。

•控制井站生产,确保关键受控参数 (硝酸盐、六价铬和锰)的调和水质始终超过国家饮用水标准。

•收集和归档月度监管报告所需的数据,以证明其符合饮用水标准。

地下水调合物的分布是基于日落和萨托水库系统的海拔和压力区间的。

控制系统软硬件

在线水质监测与控制系统是旧金山市现有的监控与数据采集系统的一个子系统。该监控与数据采集系统是一个由计算机和可编程逻辑控制器(PLC)组成的网络,使用AT&T虚拟专用网络(AVPN) 作为主干网(图3)。在线系统的主控制器(poll master)位于默塞德湖设施,由一个与其它主控制器通信的热备份PLC和位于每座井站或处理设施的远程PLC组成。在这些设施中收集必要的信号,如水流、化学流和水质(如pH、氯),并发送给主控制器进行控制决策。

图3:SFPUC水SCADA简化网络图

SCADA系统使用Wonderware作为人机界面(HMI)软件。PLC使用统一功能块,每个逻辑算法都有详细的注释。

SCADA系统数据采集

现场仪表,如流量计和水质分析仪,持续向本地PLC提供在线数据,本地 PLC同时监控泵等电动设备。水质在线监测与控制系统的一些最关键的信号是流量信号。管道中的流量计感应流量并产生返回PLC的电信号。然后对PLC进行校准, 以根据信号强度确定当前的水流。

在PLC中采取了安全措施,以确保从设备接收到的信息正确无误。这对于泵的运行和泵故障等离散信号,以及流量和水质等模拟信号(如pH、电导率、氯残留)都适用。

人机界面

操作员与SCADA系统的接口有两种不同的方法。第一种,本地操作员界面 (LOI)是与站点相关联的触摸屏(图 4)。此屏幕图形化显示现场设备,随着物理输入和输出的变化而变化。此屏幕还为操作员提供手动更改设定点和测量值的位置。与在线系统相关的任何过程信号都显示在该LOI屏幕上。

第二种交互方法通过SCADA系统进行,任何在线数据同时显示在位于四个操控中心(OCC)中任何一个的各自计算机屏幕上。这是水系统的“任务控制”。 SCADA兼容所有与LOI相同的交互和图形元素,但规模要大得多。SCADA的计算能力使其能够获取数据的历史记录,以备日后审查。

图4:默塞德湖PLC主控制器。PLC是一个带 有热备份的冗余CPU,通过冗余光缆连接到 AVPN网络。

点对点通信

PLC网络中比较困难的一个要素是保持每个PLC之间的正确通信。因此,在线水质监测与控制系统采用了一种被称为 poll master 的行业标准。poll master充当领导者,发起与其它PLC的对话。poll master 变成了一个中央大脑,可以访问系统中的所有信息。来自某个PLC的任何必要信息都通过poll master传递给其它PLC。如果在两个PLC之间检测到通信故障,则立即生成警报。与poll master失去通信的井站将进入故障保护模式并关闭,同时发出警报并发送至SCADA通知操作员,以便采取纠正措施。

PLC的操作

每个单独的PLC测量离开其站点的水流。使用流量(通常为加仑/分钟 [gpm]),PLC可以计算供应给系统的加仑总数。然后将此总流量传递给poll master。

Poll master使用每个站点的日流量总和,以及操作员在LOI或SCADA上输入的设定值来计算当前的水质水平。如果水质超出符合性参数,则会生成警报并发送至 SCADA。相应的井站将被poll master自动关闭。

每一个逻辑周期只需要大约60毫秒。PLC中的计算在每个周期中都会经过检查和复查,这意味着当水不符合要求时,操作员将会随时得到通知。

水质目标

如前所述,新的地下水源比地表水源具有更高的硬度和天然存在的矿物质, 如铁和锰,包括受控成分六价铬(铬-6) 和硝酸盐。SFPUC地下水计划的水质目标是处理并调和地下水水源以满足饮用水水质法规,同样重要的是保持旧金山居民习惯的优质和“美味”的水。

地下水处理方法

来自15座井站的地下水其水质各不相同。有些井无需任何处理;有些只需最少的化学处理系统;而有些则需要更广泛的处理系统。例如,一些井站包括过滤器以去除铁和锰,许多井添加氯以匹配进口地表水中的消毒残留物。在任何情况下,均以相对较低的地下水流量与较高的地表水流量调和,这样客户就不会注意到水在审美品质上的变化。

在SFGW系统中,地下水直接与大型日落水库相连并调和。在RGSR系统中,地下水在四条SFPUC输送管道中与处理过的地表水调和,必须在水到达该管道上的第一个客户之前完成调和混合。图6显示了SFPUC RGSR井站混合系统配置的示意图。

RGSR井站输送管道调和系统包括以下组成部分:井口合规采样点——用于采集未经处理的地下水样品。

• 井站流量计:测量进入输送管道的地下水流量。

• 输送管道流量计:测量调和计算的流速和输送管道中地表水的流向。

• 至SFRWS输送管道的连接点:输送管道上引入来自井站的化学处理地下水的点。

• 调和处理区:输送管道中化学处理地下水和地表水混合的区域。调和区的范围介于400到580英尺,这取决于井站的具体情况。

• 合规采样点:监测水质样品合规性的地点,位于调和区下游,但位于第一个客户道岔上游。

• 与第一个客户道岔的距离:从每个井站的合规采样点到第一个客户道岔的距离至少为100英尺。

图5:地下水也在通往旧金山市的四条主要输 送管道中与流入的地表水调和。

图6:在到达第一个下游客户之前,完成并监 控输送管道中的调和。

系统水质监测与控制

SFPUC调合水的水质在每个井站输送管线合规采样点和整个系统中受到监测 与控制。

各井站水质分析仪和流量计持续对系统进行监测,计算输送管道合规采样点的调合水质。一些水质参数,如pH值和余氯,可以通过在线分析仪实时监测。另一些参数,如铬-6和硝酸盐水平,则是根据系统的质量平衡计算得出的。

SCADA系统监控并计算多个井站的综合水质,这些井站共同向公用输送管道供水。随着地表水和地下水流量的变化, SCADA系统会自动调整计算结果,以更新计算出的水质参数。pH值、导电性和余氯在线分析仪也提供实时反馈,以调整 井站的化学投放系统。当监测或计算出的水质参数超过预定设定值时,SCADA系统也会发出警报并自动关闭受影响的地下水井站。这确保了调合水的质量始终符合 SFPUC的水质目标,从而始终为客户供应高质量的“美味”的水。

初步功能启动测试成功地表明,在线水质监测与控制系统能非常有效地监测并控制水质,其最终目的是向旧金山市居民输送优质的饮用水。功能启动试验还证明,高度可靠的SCADA系统是控制系统中最重要的组成部分,该控制系统24小时全天候运行,干练的SF人员为本项目的成功不断做出贡献。

作者:Diep Nguyen, PE, Jeff Gilman, PE, Todd Reynolds, PE, A.J. Cottengim

 

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