基于壓力敏感性分析的集中冷卻系統泄漏診斷

劉倩，張揚，徐新華，謝軍龍，王飛飛

1華中科技大學環境科學與工程學院，湖北武漢430074

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

3華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢430074

基于壓力敏感性分析的集中冷卻系統泄漏診斷

劉倩1，張揚2，徐新華1，謝軍龍3，王飛飛1

1華中科技大學環境科學與工程學院，湖北武漢430074

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

3華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢430074

針對艦船電子集中冷卻系統管網的泄漏故障對系統安全持續運行會造成危害的情況，提出一種應用壓力敏感性分析法進行泄漏診斷的方法。采用FlowMaster建立一個電子集中冷卻系統管網水力模型，并根據管網實測水力特性進行模型標定，利用該模型模擬管網正常運行及泄漏條件下的運行參數，獲得不同泄漏故障方案下的相關性系數表，獲取管網不同泄漏故障方案的敏感性矩陣，并采用相關性函數法對實測余差向量與敏感性矩陣進行相關性分析，得到故障分析相關性系數表。研究表明：相關性系數值越大時，對應的泄漏故障方案泄漏點出現泄漏的可能性越大。利用所建立的模型和診斷方法進行了泄漏診斷分析，診斷結果與管網實際泄漏點吻合。關鍵詞：集中冷卻系統；泄漏故障；泄漏診斷；壓力敏感性分析；相關系數

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1406.042.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：劉倩，張揚，徐新華，等.基于壓力敏感性分析的集中冷卻系統泄漏診斷［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：128-133.

LIU Qian，ZHANG Yang，XU Xinhua，et al.Pressure sensitivity analysis-based leakage diagnosis of centralized refrigerant system for electronic devices［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：128-133.

0　引言

隨著艦船自動化程度的提高，用于艦船上的電子設備也越來越多。電子元器件溫度過高是引起設備故障的重要原因之一［1］，因此，保障設備散熱良好可以大幅降低設備的故障率。艦船采用集中冷卻系統不僅可以保證電子設備正常穩定地運行，還可以提高全船設備管理的維護效率。但是，船舶管路處于高溫潮濕的工作環境，冷卻水管路承受著較大熱應力，加上管道管程短且管道復雜，接口斷續多，易造成管道泄漏［2-4］，影響電子設備正常工作，甚至可能引起電子設備燒毀。集中冷卻系統作為艦船重要輔助設備，若戰時管道損壞導致管道泄漏或破損，將會嚴重影響設備工作甚至導致系統癱瘓。因此，需要對艦船集中冷卻水系統泄漏進行快速有效診斷，以便采取相應措施保證系統正常、安全運行。

國外多將船舶管系泄漏納入船舶故障進行診斷［2］。系統故障診斷技術發展已久，但是其在不同領域的發展方向與分類方法均不相同。對空調領域，一般通過檢測系統溫度、壓力等參數進行故障診斷［5］，可分為基于數學模型的方法、基于信號處理的方法和基于知識的診斷方法3大類［6-7］。對城市供水、石油、燃氣管網等系統的管道泄漏故障檢測與定位通常分為直接法和間接法。直接法是通過檢測設備對泄漏的直接檢測，有聽漏棒、電子聽漏儀等［8］。間接法則是對泄漏引起的壓力、流量的流體參數變化進行檢測或通過模型進行分析，間接實現泄漏檢測與定位［7］，如壓力敏感性分析法［9-11］、壓力波動瞬態分析法中的映射法（LRM）、逆瞬態分析法（ITA）與駐波差分法（SWDM）［12-15］和狀態空間法［16］等。

國內實船對管系泄漏的檢測主要采用浮子法、雙層管泄漏檢測、滲透檢測等方法［2］。但是，這些方法效率低、人員工作強度大，無法滿足現代船舶的自動化要求。而發達國家的艦船損管控制技術自動化與智能化水平較高，已能實現全船自動監測、報警與輔助決策［17-18］。目前，國內、外針對復雜的船舶集中冷卻系統管網泄漏問題的公開研究資料較少。張杰［3］采用超聲波與流量平衡法相結合進行了船舶管系泄漏檢測。石昌峰［4］采用基于徑向基神經網絡模型對船舶冷卻水系統泄漏故障進行診斷，但該方法尚處于實驗研究階段。

艦船集中冷卻水系統管路復雜，而隨著現代船舶自動化程度的提高，監控與數據采集系統必不可少。本文擬提出采用壓力敏感性分析法進行艦船集中冷卻水系統的泄漏故障診斷。該方法是一種定位泄漏點區域的穩態分析方法。本文還將采用該方法對某艦船電子設備集中冷卻系統穩態情形下的泄漏診斷進行模擬分析，以證明該方法對泄漏點所在區域定位的有效性。

1　基于壓力敏感性模型的泄漏診斷法

基于壓力敏感性模型的診斷方法是根據系統不同位置的測量壓力對系統泄漏時的敏感性進行泄漏診斷的一種方法。余差向量r（k）定義為系統正常運行時各時刻k下的系統壓力測量值與系統非正常（泄漏）時的系統壓力測量值之差，余差向量r（k）的長度i等于系統的壓力測點數。

式中：p（k）為系統非正常運行（泄漏）時，k時刻系統的各測點壓力測量值；為系統正常運行（無泄漏）時，k時刻系統的各測點壓力測量值。

壓力敏感性矩陣S（k）包含了余差與泄漏故障之間關系的信息。管網某泄漏點可能的泄漏量稱為標稱泄漏量f。矩陣S（k）的每一列向量為管網某單個節點出現標稱泄漏量（f即故障方案）時各測壓點的壓力測量值與管網無泄漏時各測壓點測量值的余差。從模型的角度而言，管網所有可能的泄漏點所對應的故障方案構成泄漏故障方案陣列f=｛f1'f2'…'fj｝，因此，壓力敏感性矩陣S（k）的列數j等于管網所有可能的泄漏方案數，行數i為管網的壓力測點數（即余差向量r（k）的長度），如表1所示。

表1　敏感性矩陣S（k）Tab.1Sensitivity matrix S（k）

各壓力測點在所有可能的泄漏（故障方案）下的余差如式（2）所示

式中：pifj（k）為k時刻故障fj作用下測壓點i的壓力測量值；p?i0（k）為k時刻無故障（即無泄漏）時測壓點i的壓力測量值。

余差向量r（k）與余差敏感性矩陣S（k）需要根據系統正常運行的壓力測點值，以及在給定的可能的泄漏（故障方案）下系統各壓力測點值進行計算。

故障診斷過程為診斷管網最有可能發生泄漏的實際節點位置或區域。該過程是將實際故障信息（即余差向量r（k））與敏感性矩陣S（k）進行對比分析。本文采用相關性函數法進行對比分析。相關性函數（皮爾遜相關系數）ρxi'xj用于衡量2個數據集合的相關性強度，如式（3）所示。

式中：xi'xj為列向量；cov（）為協方差。

該方法通過計算余差向量r（k）與敏感性矩陣S（k）的每一列向量二者的相關性函數，得到故障信息r（k）與由每一個故障方案fj獲得的理論故障信息間的相關系數，組成向量，該向量中最大的元素值對應故障方案fj，則該故障方案對應的泄漏點j為管網中最可能出現泄漏的節點。ρ值越大時，表示對應的泄漏點出現泄漏的可能性越大。

2　系統描述與模型

某艦船電子設備集中冷卻水系統如圖1所示。冷卻系統用戶側由A，B，C這3個大支路組成。大支路A，B，C供回水主干管管徑分別為DN40，DN32，DN25。整個系統的設計流量為16 m3/h，水泵的流量為18 m3/h，揚程為60 m H2O。管道材質為不銹鋼管。管道內介質為乙二醇防凍液。用戶側與源側間設有換熱器，進行間接換熱。大支路A由16個用戶支路組成，按照并聯方式連接，用戶支路管徑均為DN20。大支路A設計流量為8 m3/h，各用戶支路均設有一臺電子設備，且所有設備的額定流量均為0.5 m3/h。3個大支路的回水干管上裝設有靜態流量平衡閥，用于調節各大支路流量平衡。支路A主干管上設有流量傳感器及壓差傳感器（即壓力測點P0-1與P0-2）。16個小支路編號依次為Z1～Z16。每個支路兩端均設有1個壓力測點，用于獲得支路損失。16個小支路共計32個壓力測點（位于管網節點），編號為P1～P32。各用戶支路所設截止閥、球閥分別用于控制支路的開關與平衡調節。系統所安裝壓力傳感器量程為0.8 MPa，精度為0.5%。

圖1　冷卻水系統及測量示意圖Fig.1Schematic of refrigerant system and measurement

本研究采用FlowMaster進行管網流動特性仿真。為簡化描述和分析，上述管網系統中大支路A的16個小支路為研究對象。將圖1的整個水系統進行簡化，在支路A供回水管間設置水泵及支路阻力件（模擬其他支路損失）。管網模型如圖2所示。模型根據現場實測各管段的長度、管徑、閥件（閥門、三通、彎頭）數量及壓力測點布置位置等建立。通過元件流量源加載負流量模擬管網漏水。本模型通過現場實測管網水力參數進行了模型標定，以保證模擬的準確性。當16個小支路閥門均為全開，支路A主干管實驗測量流量與模擬流量均為8.019 m3/h，各用戶支路的壓差測量值與模擬值對比如表2所示，冷卻水系統管網仿真模型的模擬結果與實際測量誤差均在1%以內。

圖2　冷卻水系統管網仿真模型Fig.2Simulation model of refrigerant system network

表2　各用戶支路的壓力測量值與模擬值對比Tab.2Comparison between the simulated and measured values of consumer branches

3　泄漏診斷分析

由FlowMaster建立的冷卻水系統管網仿真模型產生系統正常運行時的各壓力測點值，以及在管網的所有可能的泄漏（故障方案）下系統非正常（泄漏）運行時的各壓力測點值。泄漏故障方案均為單泄漏點方案，考慮可能的泄漏點j為管網節點P1～P32，對應32種故障方案fj（k）。

在實際工程中，管網發生破損時，系統會處于一個短暫的動態過程，如果破損不進一步擴大，系統會很快達到穩態過程。在本研究中，只考慮管網穩態情形下的泄漏診斷。假定管網各支路用戶流量及泄漏點漏水量均為恒定。考慮了各測點壓力值壓力傳感器的誤差，通過加載白噪聲的方式實現，噪聲上限為壓力模擬值的0.5%（實際安裝傳感器精度0.5%）。

管網標稱漏水量f為0.1 m3/h（約為管網支路A設計流量的1.25%）。在標稱泄漏量下，當泄漏點位于不同位置（節點P1～P32）時，獲得不同故障方案下的壓力點測量值，進一步計算出敏感性矩陣S（k）。當某處發生泄漏時（泄漏量設為0.11 m3/h），根據測量的壓力值計算實際故障信息（即余差向量r（k）），將該故障信息與敏感性矩陣S（k）進行對比分析，得到在不同故障方案下二者的相關性系數。在連續時間1～10 min時計算得到的相關系數ρ如圖3所示。顏色越深的單元格表示由該故障方案fj（k）對應的泄漏點（j管網節點）得到的相關系數ρ值越大，表示該節點出現泄漏的可能性越高。在時刻為1 min時，對應故障方案fp1（k）的P1節點得到的相關系數值0.81為最大，故P1節點出現泄漏的可能性最大。對應故障方案fp3（k）的P3節點得到的相關系數次之，值為0.74，故P3節點出現泄漏的可能性其次。事實上，在考慮的所有可能泄漏點（所有故障方案）中，P3離P1節點最近。結果進一步顯示，在連續時間1～ 10 min內，相關系數向量中最大的元素值均為0.8左右，且對應的故障位置基本均為節點P1，不同時刻P3和P5節點相關性系數次之。因此，診斷管網中最可能的泄漏點為P1節點或其附近所在區域，診斷結果與管網實際泄漏點（實際泄漏點位于P1處）相吻合。研究結果表明該泄漏診斷方法可以有效實現對泄漏點所在區域的定位。

4　結語

快速、有效診斷電子集中冷卻系統泄漏位置，并及時排除系統故障，能降低冷卻系統泄漏對設備正常工作等造成的損害，確保系統持續安全運行。本文提出采用壓力敏感性分析實現艦船集中冷卻水系統的泄漏故障診斷。該方法通過管網壓力敏感性分析獲得不同泄漏故障方案下的敏感性矩陣，并采用相關性函數法對實測余差向量與敏感性矩陣進行相關性分析，獲得實際泄漏故障信息（即余差向量）與泄漏故障方案信息（即敏感性矩陣）二者的相關性系數。由獲得的相關性系數大小診斷出泄漏點所在位置或附近區域，相關性系數值越大時，對應的泄漏點出現泄漏的可能性越大。管網在正常運行及泄漏時的壓力分布通過由FlowMaster所建立的實際集中冷卻系統管網水力模型得到，該模型根據現場實測管網水力參數進行了標定。

本文對一個電子集中冷卻系統的16個用戶支路進行了泄漏診斷分析，當某用戶支路上的壓力測點處出現泄漏時，根據上述方法獲得泄漏條件下的相關性系數表。根據該表中相關系數最大值所對應的故障泄漏方案可準確診斷出管網中最可能的泄漏點。經驗證，該診斷結果與管網實際泄漏點相吻合。

本文是對集中冷卻水系統泄漏故障診斷方法的初探。模型誤差、壓力測點的位置、標稱泄漏量的設計、管網實際泄漏量大小等對診斷敏感性的影響及診斷的有效性有待進一步研究。

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Pressure sensitivity analysis-based leakage diagnosis of centralized refrigerant system for electronic devices

LIU Qian1，ZHANG Yang2，XU Xinhua1，XIE Junlong3，WANG Feifei1
1 School of Environment Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
3 School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

A method based on pressure sensitivity analysis is proposed for the leakage diagnosis of a centralized refrigerant system for electronic devices，as leakages may affect the operational safety of the system.A pipe network model of a real centralized refrigerant system for electronic devices is established in the FlowMaster platform，and calibrated according to the actual hydraulic characteristics of the pipe network based on measurements.The model is used to simulate system operation when leakage is absent and present respectively.In addition，the correlation coefficient table under various leakage schemes is calculated when leakage occurs.The sensitivity matrix of various leakage schemes is obtained，and then the correlation coefficient table for leakage analysis can be obtained by comparing the sensitivity matrix with the measured residuals when leakage occurs.The larger the correlation coefficient value，the higher the possibility that the leakage point exists coincident to the leakage scheme.Finally，the leakage is diagnosed using the established model and proposed leakage diagnosis method.The results show that the diagnosed leakage point agrees well with the actual leakage point.

centralized refrigerant system；leakage fault；leakage diagnosis；pressure sensitivity analysis；correlation coefficient

U664.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.019

2016-01-13網絡出版時間：2016-9-21 14:06

新世紀優秀人才支持計劃資助項目（NCET110189）；教育部高等學校博士點專項基金資助項目（20120142110078）

劉倩，女，1992年生，碩士生。研究方向：冷卻水系統特性及故障診斷。

徐新華（通信作者），男，1972年生，博士，教授。研究方向：艙室大氣環境，水系統特性及故障診斷。E-mail：bexhxu@hust.edu.cn