CN219267179U - 泵站管网空间一体演示与实训平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于教学实验平台技术领域，尤其是涉及泵站管网空间一体演示与实训平台，包括管网系统以及数据采集与监测控制系统；所述管网系统包括多根给水管和低位水箱；多根给水管连接组成具有多个给水节点和多个给水管段的平面多环给水管网系统；每个给水节点处均设置有节点排水管；数据采集与监测控制系统包括离心泵、电动调节阀、电磁流量计、压力变送器、控制柜、PLC、工业平板电脑和云平台；电动调节阀、电磁流量计和压力变送器均设置有若干个，且分别安装于各给水管和各节点排水管上。该平台能用于给排水科学与工程专业的课程实验实训及实践教学，有助于学生理解专业基础课与专业课之间的关联性，理解给排水工程的系统性特征。

Description

泵站管网空间一体演示与实训平台

技术领域

本发明属于教学实验平台技术领域，尤其是涉及一种泵站管网空间一体演示与实训平台。

背景技术

给排水科学与工程专业是国民经济基本建设中的基础设施类专业，几乎各行各业均需配套给排水设施(管道供水排水、水处理构筑物等)，《给水管网系统》是该专业最重要的专业课之一，目前该课程已经具备完善的理论知识体系，实际工作中给水管网平差理论是智慧水务中的给水管网优化及其关联的水泵节能运行的理论基础。

给水管网的设计、计算、平差、校核等内容都是学生学习的重点和难点，虽然有成熟的管网平差软件用于辅助计算和设计，但平差的数据均不是实测数据，难以验证平差结果是否正确，学生难以建立具象的认知。科学知识中抽象的理论和概念一般都有实验教学来辅助理解，如给排水科学与工程专业基础课(如《水力学》、《工程力学》等)、专业课(如《建筑给水排水工程》、《水质工程学》)等均有相关的实验课程。由于给水管网管线较长、成环复杂、占地面积大、无法在室内搭建模型及费用高等问题，市场没有成型的实验设备，多数高校均没有开展《给水管网系统》课程的“管网平差理论”实验环节，影响了多数学生对“管网平差理论”这一知识点的理解程度，对该知识点的学习进度变慢、学习效果普遍一般。

此外，《给水管网系统》在学习层面是以《水力学》、《泵与泵站》先修课程，在工程应用中需要运行参数的检测和控制，现有少量的给水管网实验未综合考虑给水管网相关课程的实验，未从系统性方面考虑实验设计，也会影响学生对理论知识和工程应用的理解。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本实用新型要解决的技术问题是：提供泵站管网空间一体演示与实训平台，学生通过该平台开展给排水科学与工程专业基础课、专业课等相关的实验实训，能够更好的掌握给排水科学与工程专业基础课和专业课的基本理论和基本技能。

所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，包括管网系统以及数据采集与监测控制系统；

所述管网系统包括多根给水管，多根给水管通过弯头、三通和异径管连接组成平面多环给水管网系统，平面多环给水管网系统呈封闭的多环网状结构；平面多环给水管网系统包括多个给水节点和多个给水管段，每个给水节点处均设置有节点排水管，节点排水管用于模拟生活用水的用户节点；

所述管网系统还包括低位水箱，低位水箱用于模拟水厂清水池，低位水箱与其中一个给水节点之间通过给水管连通；

所述数据采集与监测控制系统包括离心泵、电动调节阀、电磁流量计和压力变送器；离心泵安装于低位水箱与给水节点之间的给水管上，离心泵用于为平面多环给水管网系统供水；电动调节阀、电磁流量计和压力变送器均设置有若干个，且分别安装于各个给水管和各个节点排水管上；

所述数据采集与监测控制系统还包括控制柜、PLC、工业平板电脑和云平台；控制柜用于配电及控制；各个电动调节阀、电磁流量计和压力变送器均与PLC电连接，PLC用于数据采集、计算和输出；工业平板电脑和云平台均与PLC电连接。

进一步的，所述离心泵设置有两个，两个离心泵并联安装于低位水箱与给水节点之间的给水管上。

进一步的，每个所述离心泵的吸水管上和压水管上均安装有电动调节阀。

进一步的，每个所述离心泵的吸水管上均安装有压力表和压力变送器。

进一步的，每个所述离心泵的压水管上均安装有电磁流量计；其中一个离心泵的压水管末端与另一个离心泵的压水管末端通过三通连接给水管，给水管连接至平面多环给水管网系统的给水节点，且给水管上安装有电磁流量计。

进一步的，所述平面多环给水管网系统的多个给水管段上均安装有手动球阀。

进一步的，所述平面多环给水管网系统的多个给水管段上均安装有电磁流量计。

进一步的，所述平面多环给水管网系统的多个给水管段上靠近起端处和终端处均安装压力变送器。

进一步的，每个所述节点排水管均安装有压力变送器、电磁流量计和电动调节阀，且压力变送器靠近给水节点，电磁流量计位于压力变送器与电动调节阀之间。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的该一体演示与实训平台可满足给排水科学与工程专业开设的《给水管网系统》、《水泵与水泵站》、《水力学》、《水工程仪表与控制》等课程的实验实训及实践教学需要，有助于理解课程之间的关联性，切实理解工程的系统性特征，该平台还可远程给其他高校和公众，实现资源有效利用，避免重复建设，获得一定的社会效益和经济效益；

学生通过本平台开展相关实训，能够更好的掌握《水力学》、《水泵与水泵站》、《水工程仪表与控制》等专业基础课的基本理论和基本技能，并充分理解这些课程对《给水管网系统》这门专业课程的支撑作用，还掌握《给水管网系统》这门专业课的基本理论和基本技能，让学生理解管网平差理论的同时，还理解专业基础课与专业课之间的关联性，理解给排水工程的系统性特征，同时理解给水管网系统优化运行在智慧水务建设中的重要地位。

附图说明

图1为本实用新型中平面双环给水管网系统的结构示意图；

图中各部件名称：1、低位水箱2、吸水管3、离心泵4、压水管5、泄水阀6、手动球阀7、第七给水管段8、节点排水管9、第八给水管段10、第六给水管段11、第五给水管段12、第四给水管段13、电磁流量计14、压力变送器15、电动调节阀16、第三给水管段17、第二给水管段18、自动排气阀19、第一给水管段20、压力表。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本实施例所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，包括管网系统以及数据采集与监测控制系统；

所述管网系统包括多根给水管，如图1所示，多根给水管通过弯头、三通和异径管连接组成平面双环给水管网系统，平面双环给水管网系统呈封闭的双环网状结构；平面双环给水管网系统包括六个给水节点和七个给水管段，每个给水节点处均设置有节点排水管8，节点排水管8用于模拟生活用水的用户节点，具体地，节点排水管8有六个；

所述管网系统还包括低位水箱1，如图1所示，低位水箱1用于模拟水厂清水池，低位水箱1与其中一个给水节点之间通过给水管连通；各个节点排水管8排出的水经回流管引至低位水箱1，使出水循环使用；

所述数据采集与监测控制系统包括离心泵3、电动调节阀15、电磁流量计13和压力变送器14；如图1所示，离心泵3安装于低位水箱1与给水节点之间的给水管上，离心泵3用于为平面双环给水管网系统供水，离心泵3配套设置有变频器；电动调节阀15、电磁流量计13和压力变送器14均设置有若干个，且分别安装于各个给水管和各个节点排水管8上；电动调节阀15的开度模拟用水量变化情况，电动调节阀15开度模拟管段阻力变化，可间接改变管段长度，增加管网模型的种类，学生理解实际管长与计算管长的区别；电磁流量计13用于测量管段流量和节点流量，压力变送器14用于测量管段及节点表压；

所述数据采集与监测控制系统还包括控制柜、PLC、工业平板电脑和云平台；控制柜用于配电及控制；PLC包含主板、扩展输入和输出，各个电动调节阀15、电磁流量计13和压力变送器14均与PLC电连接，PLC用于数据采集、计算和输出；工业平板电脑和云平台均与PLC电连接，工业平板电脑用于互联网连接、远程客户端对话、专业软件编程和数据储存计算，云平台存放相关资料及视频，便于远程操作；具体地，控制柜要考虑电磁流量计13的二次仪表、配电柜、接线训练插孔面板、西门子PLC、工业平板电脑等，尺寸约1.5m*1m*2m，如果柜太大不方便移动，可考虑做两个柜，实际做时定。

作为优选的实施方式，本实施例中，所述离心泵3设置有两个，两个离心泵3并联安装于低位水箱1与给水节点之间的给水管上；具体地，两个离心泵3的吸水管2分别连接至低位水箱1，两个离心泵3的压水管4与给水管之间通过三通连接，由给水管接入给水节点；具体地，离心泵3为卧式离心泵3，其规格ZS65-50-125/3.0(Q＝10～60m³/h，H＝18～10m，P＝3.0KW，Q＝0m³/h，H＝19m),要求可配变频器电机。

作为优选的实施方式，本实施例中，所述低位水箱1模拟水厂的清水池，作为实验所需离心泵3的进水水箱，其长度尺寸为2m，宽度尺寸为2m，深度尺寸为2.5m；两个离心泵3的吸水管2均为DN65不锈钢管，压水管4均为DN50不锈钢管，两个压水管4末端连接的给水管为第一给水管段19，第一给水管段19为DN100不锈钢管；

如图1所示，平面双环给水管网系统的七个给水管段分别为第二给水管段17、第三给水管段16、第四给水管段12、第五给水管段11、第六给水管段10、第七给水管段7和第八给水管段9；第二给水管段17、第三给水管段16、第四给水管段12、第五给水管段11、第六给水管段10、第七给水管段7和第八给水管段9分别为DN50、DN32、DN25、DN32、DN32、DN75和DN50的不锈钢管；每个节点排水管8均为DN25不锈钢管。

作为优选的实施方式，本实施例中，每个所述离心泵3的吸水管2上和压水管4上均安装有电动调节阀15，便于控制离心泵3进水和出水流量。

作为优选的实施方式，本实施例中，每个所述离心泵3的吸水管2上均安装有压力表20和压力变送器14，便于监测压力。

作为优选的实施方式，本实施例中，每个所述离心泵3的压水管4上均安装有电磁流量计13；其中一个离心泵3的压水管4末端与另一个离心泵3的压水管4末端通过三通连接给水管，给水管连接至平面多环给水管网系统的给水节点，且给水管上安装有电磁流量计13；利用电磁流量计13监测流量。

作为优选的实施方式，本实施例中，所述离心泵3与给水节点之间给水管的高处安装有自动排气阀18，其低处安装有泄水阀5。

作为优选的实施方式，本实施例中，所述平面双环给水管网系统的七个给水管段上均安装有手动球阀6，通过控制手动球阀6的开度改变给水管段的水损，以模拟更长的管段，灵活变换管段长度，扩大该平台的实验范围。

作为优选的实施方式，本实施例中，所述平面双环给水管网系统的七个给水管段上均安装有电磁流量计13，用于记录给水管道流量，验证节点连续流方程。

作为优选的实施方式，本实施例中，所述平面双环给水管网系统的七个给水管段上靠近起端处和终端处均安装压力变送器14，用于给水节点的压力校正，所有给水节点的压力用于验证环能量方程。

作为优选的实施方式，本实施例中，每个所述节点排水管8均安装有压力变送器14、电磁流量计13和电动调节阀15，且压力变送器14靠近给水节点，电磁流量计13位于压力变送器14与电动调节阀15之间；压力变送器14、电磁流量计13和电动调节阀15分别用于自动记录用户节点的水量、水压和控制水量大小。

本实施例的工作原理及技术效果为：利用该平台可进行多种实验实训，包括但不限于以下几种实验实训：

给水管网节点连续流方程验证实验实训：利用该平台判断某一节点涉及到的管段流量的流向，使用仪表检测的数据进行节点连续流方程的验证，理解质量守恒定律在给水管网系统中的应用，理解仪表测量的误差；

给水管网环能量方程验证实验实训：利用该平台判断某一环涉及到的节点压力的数据，计算某一环涉及到的管段的水头损失(不同的方法计算、验证)，判断某一管段的压降相对于环来说的正向和负向，计算环的闭合差；使用仪表检测的数据进行节点环能量方程的验证，理解能量守恒定律在给水管网系统中的应用，理解仪表测量的误差；

给水管网平差理论实验实训：在节点连续流方程验证和环能方程验证实验实训的基础上，在给定某些节点的流量和压力、管段管径、管段长度等条件下，通过手工计算、软件计算和仿真计算，获得其余节点的压力和流量，与仪表实测的数据比较，在误差范围之内，表明平差选用的水力学参数适当，不用修正；如果误差过大，则修正某些水力学参数，直到理论计算数据与实测数据一致为止；理解质量守恒定律和能量守恒定律联合在给水管网系统中的应用，理解仪表的测量误，理解水力学参数的选择对理论计算结果的影响及与实际情况之间的误差的影响；

离心泵3性能曲线绘制实验实训：应用给水管网系统配套的离心泵3，通过改变用户节点出水口电动调节阀15的开度，改变出水流量，离心泵3自动调节工况，每改变一次，得到一组流量、扬程、功率等数据，就可绘制离心泵3性能曲线；与厂家提供的特性曲线比较，理解之间的误差；改变离心泵3的频率，得到不同转速下离心泵3的性能实验，相当于同一台泵当作多台泵做性能实验；

离心泵3变速工况曲线绘制实验实训：改变离心泵3配套电机的频率，在不同的频率下做离心泵3性能曲线实验实训，就得到离心泵3变速工况曲线；与理论公式计算值比较，理解二者之间的误差及理论公式的修正；

离心泵3气穴现象性能变化曲线绘制实验实训：通过调节离心泵3进水处电动调节阀15的开度，同步检测流量和压力，绘制离心泵3气穴特性曲线，理解气穴发生时离心泵3的工况变化特征，为实际工程中发生的问题提供解决思路；

离心泵3恒压控制出水实验实训：通过控制离心泵3出口压力，改变出口处电动调节阀15的开度，观察离心泵3控制过程，理解离心泵3的节能控制；

离心泵3恒流控制出水实验实训：通过控制离心泵3出口流量，改变离心泵3进水液面的高度(模拟取水泵站在河流取水水位变化大的情况)，观察离心泵3的控制过程，理解离心泵3的节能控制；

管道沿程水损实验实训：通过在某一管段起点、终点处安装的压力变送器14，研究不同流量下，压力差(水损的变化情况)，与理论公式的计算结果比较，理解二者之间的误差，并修改理论公式的相关参数，减小此误差；

管道局部水损实验实训：通过在某一弯头、阀门起点、终点处安装的压力变送器14，研究不同流量下，压力差(水损的变化情况)，与理论公式的计算结果比较，理解二者之间的误差，并修改理论公式的相关参数，减小此误差；

通过上述实验实训，有助于学生更好的掌握《水力学》、《水泵与水泵站》、《水工程仪表与控制》等专业基础课的基本理论和基本技能，并充分理解这些课程对《给水管网系统》这门专业课程的支撑作用，还掌握《给水管网系统》这门专业课的基本理论和基本技能，让学生理解管网平差理论的同时，还理解专业基础课与专业课之间的关联性，理解给排水工程的系统性特征，同时理解给水管网系统优化运行在智慧水务建设中的重要地位。

Claims (9)

1.泵站管网空间一体演示与实训平台，包括管网系统以及数据采集与监测控制系统，其特征在于：

所述管网系统包括多根给水管，多根给水管通过弯头、三通和异径管连接组成平面多环给水管网系统，平面多环给水管网系统呈封闭的多环网状结构；平面多环给水管网系统包括多个给水节点和多个给水管段，每个给水节点处均设置有节点排水管(8)，节点排水管(8)用于模拟生活用水的用户节点；

所述管网系统还包括低位水箱(1)，低位水箱(1)用于模拟水厂清水池，低位水箱(1)与其中一个给水节点之间通过给水管连通；

所述数据采集与监测控制系统包括离心泵(3)、电动调节阀(15)、电磁流量计(13)和压力变送器(14)；离心泵(3)安装于低位水箱(1)与给水节点之间的给水管上，离心泵(3)用于为平面多环给水管网系统供水；电动调节阀(15)、电磁流量计(13)和压力变送器(14)均设置有若干个，且分别安装于各个给水管和各个节点排水管(8)上；

所述数据采集与监测控制系统还包括控制柜、PLC、工业平板电脑和云平台；控制柜用于配电及控制；各个电动调节阀(15)、电磁流量计(13)和压力变送器(14)均与PLC电连接，PLC用于数据采集、计算和输出；工业平板电脑和云平台均与PLC电连接。

2.根据权利要求1所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：所述离心泵(3)设置有两个，两个离心泵(3)并联安装于低位水箱(1)与给水节点之间的给水管上。

3.根据权利要求2所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：每个所述离心泵(3)的吸水管(2)上和压水管(4)上均安装有电动调节阀(15)。

4.根据权利要求2所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：每个所述离心泵(3)的吸水管(2)上均安装有压力表(20)和压力变送器(14)。

5.根据权利要求2所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：每个所述离心泵(3)的压水管(4)上均安装有电磁流量计(13)；其中一个离心泵(3)的压水管(4)末端与另一个离心泵(3)的压水管(4)末端通过三通连接给水管，给水管连接至平面多环给水管网系统的给水节点，且给水管上安装有电磁流量计(13)。

6.根据权利要求1所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：所述平面多环给水管网系统的多个给水管段上均安装有手动球阀(6)。

7.根据权利要求1所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：所述平面多环给水管网系统的多个给水管段上均安装有电磁流量计(13)。

8.根据权利要求1所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：所述平面多环给水管网系统的多个给水管段上靠近起端处和终端处均安装压力变送器(14)。

9.根据权利要求1所述的泵站管网空间一体演示与实训平台，其特征在于：每个所述节点排水管(8)均安装有压力变送器(14)、电磁流量计(13)和电动调节阀(15)，且压力变送器(14)靠近给水节点，电磁流量计(13)位于压力变送器(14)与电动调节阀(15)之间。

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