基于流量壓力法的艦船管網系統泄露判定模擬驗證

張軒1，馮超，閻瀚章3，喬瑜

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074；3.湖南理工學院，湖南 岳陽 414006)

大型艦船往往分布體積龐大而復雜的液體管網系統。國內外以往對于管道泄露檢測已有多種方法，尤其針對輸油管道、輸氣管道、城市管網系統等，其檢測方法包括內外壁檢測法、直接/間接檢測法、管壁狀態監測法、管內流動監測法等[1-3]。以上方法并不能直接應用于艦船作業環境。例如，較為常用的如外壁檢測法，即通過人工定期巡視完成，檢測過程盲目費工，同時有些遮蔽、隱蔽管路不便直接觀察；遙感檢測[4]、光纖檢測[5]、聲發射檢測[6]、探球漏磁檢測等通過鋪設新型儀器設備或傳感材料實現管道泄露檢測的方法，由于艦船管道的布局復雜而應用成本高昂，同時檢測信號易受到外部(如機艙)噪音的嚴重干擾[7]。管道系統泄露還可以通過采集分析管道的實時流量、壓力信號的方法得出，包括流量平衡法、壓力點分析法、壓力梯度法等[8]。通過在艦船管網關鍵部位分布流量、壓力傳感器即可實現泄露情況監測及泄漏點的判斷，同時兼顧管網系統水力特性的連續監測功能。因此，大型管網系統的泄露快速定位方法的選擇還需結合管網系統的結構特點以及實際應用需求情況進行設定。為此，以某艦船冷卻管網系統為例，通過軟件模擬分析，對基于流量、壓力監測的管網泄露定位方法進行驗證。

1 方法

1.1 管網系統介紹

泄露快速定位方法研究針對的是某艦船水力管網系統，該系統的管路連接結構見圖1，在供回水管路關鍵連接節點做了數字標號(如“1”點指的是泵組供水端與供水干路的連接點，“1’”點指的是泵組回水端與回水干路的連接點，“3”點指的是分水器上游管段與設備1上游管段與供水干路的連接點，“管段3-4”即為連接點3處與分水器之間的連接管段，下文標號使用方法類同)。

圖1 某艦船水力管網系統結構示意

如圖1所示，液體通過泵組實現管網內循環運動，在供水端通過板式換熱器實現溫度調節后，分別進入設備1—8，繼而通過回水管路回到水泵；設備1為單獨支路，設備2—8經由分集水器連通后，設備2為單獨支路，設備3—5共用一條并聯支路，設備6—8共用一條并聯支路；系統靠近泵回水端的干路設置定壓補水裝置以確保水泵的正常運轉。重點關注系統由泵組到各設備的連接管路泄露情況及泄露點的判定。泄露前，系統各關鍵節點正常運行時水力特性參數見表1。

表1 管網系統正常運行時各節點處水力特性參數

1.2 泄露判定原理

1.2.1 流量平衡法

管網正常運行過程，管段的供回兩端流量應保持不變；當某處出現泄露點時，其上下游/供回兩端流量發生變化，上游(供水端)流量變大，下游(回水端)流量變小。假設系統穩定運行時某支路供水端流量為Q1，回水端流量為Q2，則有流量差值變化比為

(1)

當η=0時，管道液體正常流動，未發生泄露；當η>0時，管道發生泄露。由于大型管網涉及眾多閥門、設備等連接部位，難免出現滲漏、滴漏等對實際系統安全運行產生微小影響的情況，因此，參考《城市熱力網設計規范》常用供熱管網事故補水率設定建議，設定η>5%時，該管段發生泄露。

1.2.2 壓力波動法

管網正常運行過程，如無其他操作，管網各處壓力處于定值、且高于大氣壓；當某處出現泄漏點時，其附近液體壓力下降，距離泄漏點越近的點下降幅度越大。對于某點處壓力，正常運行時壓力值為P1，其附近出現泄漏點后，其壓力變為P2，則有

(2)

1.3 模擬

Flowmaster是著名的熱流體系統仿真分析軟件，常用于流體管道系統模擬的相關研究。Flowmaster元器件庫中提供了豐富的元件，公開的數學模型便于二次開發修正。基于Flowmaster軟件自帶元件參數建立模型，設定泄露情況并進行模擬研究。模擬泄露位置及泄漏量(占正常流量的比例)情況見表2。需要說明的是，為了簡化模擬研究，模擬管網設定比實際管網系統簡化許多：①默認所有管段均為直管連接，各節點間管段沿程阻力系數相同；②忽略閥門阻力特性，對帶入系統的參數內容進行簡化；③所有流量、壓力測點均參考實際情況，位于水泵及各設備供回接入點處，正常運行水力參數為實際實驗參數。借用該管網系統結構，但關注重點為泄露定位方法驗證，因此，以上簡化不會影響模擬分析結論。

表2 模擬泄露位置及泄漏量參數情況描述

2 結果與分析

2.1 流量平衡法驗證

設備3和管段16-17中點發生3種不同泄漏量情況下系統各關鍵節點處的流量、壓力變化見表3、4。

從表3可知，當泄露點位于設備3內、且泄露量參數為0.3時，水泵供液流量上升1.37%，供回液流量差變化比率為4.44%，設備3供液流量上升15.67%，供回液流量差變化比率為18.10%，其他設備供回液流量一致呈下降趨勢且供回液流量差為0。

當泄露點位于設備3內、且泄露量參數為0.6時，水泵供液流量上升3.63%，供回液流量差變化比率為12.12%，設備3供液流量上升43.02%，供回液流量差變化比率為40.85%，其他設備供回液流量一致呈下降趨勢且供回液流量差為0。

當泄露點位于設備3內、泄露量參數為0.9時，水泵供液流量上升8.64%，流量差變化比率為31.99%，設備3供液流量上升112.35%，流量差變化比率為76.12%，其他設備供回液流量一致呈下降趨勢且供回液流量差為0。

表3 設備3發生泄露時系統各節點流量壓力情況

表4 管段16-17中點發生泄露時系統各節點流量壓力情況

從表4可知，當泄露點位于管段16-17內、且泄露量參數為0.3時，水泵供液流量上升1.36%，供回液流量差變化比率為4.41%，管段16-17供液流量上升13.89%，供回液流量差變化比率為18.44%，其他設備供回液流量一致呈下降趨勢且供回液流量差為0。

當泄露點位于管段16-17內、且泄露量參數為0.6時，水泵供液流量上升3.47%，供回液流量差變化比率為11.69%，管段16-17內供液流量上升19.36%，供回液流量差變化比率為41.85%，其他設備供回液流量一致呈下降趨勢且供回液流量差為0。

當泄露點位于管段16-17內、且泄露量參數為0.9時，水泵供液流量上升7.29%，供回液流量差變化比率為28.43%，管段16-17內供液流量上升30.49%，供回液流量差變化比率為80.89%，其他設備供回液流量一致呈下降趨勢且供回液流量差為0。

以上模擬結果說明：①當設備或某管段內出現泄漏時，泄露設備的供液端流量顯著上升，回液端流量顯著下降，水泵及泄露設備的供回液流量差值變化比率>0；②當泄露量由正常流量的0.3升到0.9時，泄露設備或管段供液端流量升幅逐漸增大，回液端流量下降幅度逐漸增大，水泵及泄露設備/管段的供回液流量差值變化比率逐漸增大；③5%可以作為各設備/管段的流量差值變化比率的閾值用于判斷設備/管段泄露的發生。

2.2 壓力波動法驗證

從表3可知，當泄露點位于設備3內、且泄露量參數為0.3時，系統各處供回壓力均呈下降趨勢，設備3供液壓力變化量最大，其幅度為-7.94%，其次是設備4(-7.48%)和設備5(-6.89%)；當泄露點位于設備3內、且泄露量參數為0.6時，系統各處供回壓力均呈下降趨勢，設備3供液壓力變化量最大，其幅度為-22.04%，其次是設備4(-20.67%)和設備5(-19.06%)；當泄露點位于設備3內、且泄露量參數為0.9時，系統各處供回壓力均呈下降趨勢，設備3供液壓力變化量最大，其幅度為-57.66%，其次是設備4(-53.48%)和設備5(-49.51%)。

從表4可知，當泄露點位于管段16-17內、且泄露量參數為0.3時，系統各處供回壓力均呈下降趨勢，設備6供液壓力變化量最大，其幅度為-10.45%，其次是設備7(-4.14%)和設備8(-3.71%)；當泄露點位于管段16-17內、且泄露量參數為0.6時，系統各處供回壓力均呈下降趨勢，設備6供液壓力變化量最大，其幅度為-28.57%,其次是設備7(-10.76%)和設備8(-9.70%)；當泄露點位于管段16-17內、且泄露量參數為0.9時，系統各處供回壓力均呈下降趨勢，設備6供液壓力變化量最大，其幅度為-67.76%，其次是設備7(-23.43%)和設備8(-21.46%)。

以上模擬結果說明：①管網系統里壓力非操作變化導致系統壓力下降表明泄露的發生；②泄漏點附近壓力測點壓降幅度最大，其次是同支路測點；③隨著泄露量的提升，壓降幅度變大；④由于壓力與管徑、流量、管路結構相關，因此無法確定準確的判定閾值；⑤由于設備間連接管段無壓力測點，因此無法作為管段發生泄露的判據。

3 結論

1)針對研究的管網系統，流量平衡法既可作為設備發生泄露的判斷依據，也可作為干路、支路管段發生泄露的判定依據，而壓力波動法無法用于干路、支路管段發生泄露的判斷。

2)供回液流量差值變化比率η>5%作為某設備或某管段發生泄露的判定依據是有效的，從而實現泄漏點在設備還是某管段處的判定依據，而壓力與管徑、流量、管路結構相關，無法設定準確的判定閾值。

3)泄漏點附近壓力變化幅度最大，通過增加管段壓力測點有助于判定管段泄露具體位置。