長距離輸水管道漏損及水錘在線監測系統設計

劉大偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海市 200092）

管道安全監測一直是市政給排水領域關注的重點，特別是長距離輸水管道，多為“城市生命線工程”，由于其口徑超大、壓力高的特點，一旦發生事故不僅會造成大量水量浪費，還會影響正常的輸水、供水，產生的經濟與社會影響不可估量。

目前管道安全監測主要依靠被動巡檢，單純依靠檢漏設備和技術人員，缺乏有效性和及時性。而在線式的主動監測手段相對較為匱乏，目前應用于實際工程案例中的在線式監測手段以壓力法、流量法為主，其主要功能為實現大水量爆管預警和定位，無法全面掌握管網運行的安全健康狀況，這與管網信息化、智慧化的發展要求不相符。因此尋找一種全面、及時且有效的管道安全在線監測系統成為完善市政供水長距離輸水管道設計迫在眉睫的任務[1]。

1 常規的管道在線監測系統急需解決的問題

1.1 長輸管道漏損監測及定位問題

管道漏損是供水行業普遍存在的問題，管道一旦發生漏水，嚴重時會干擾市民的正常用水和生活，同時對于供水企業來說，水量損失意味著增加了供水成本，對企業的經濟效益和社會效益造成直接影響。目前常規的管道在線監測系統主要是根據在線檢測的壓力和流量數據進行漏損監測及定位的模型方法，而這些模型基本都適用于虛擬的理想管網，當應用于實際管網時，會因為測量數據不足、測量誤差及水力模擬誤差等問題而影響模型的精度，導致定位偏差大、無法反映管道微小漏損等問題。

1.2 長輸管道水錘安全監測問題

水錘是壓力管道中由于流體的慣性作用而引起管道內流體產生流速的急劇變化進而造成管道內的壓強急劇升高或降低交替變化的一種水力過渡現象，是造成輸水管道破壞的主要原因，其演變過程如圖1 所示。目前普遍采用在管道沿線設置防水錘型空氣閥的方式來消除水錘的產生，但是水錘防護裝置是否達到預期的效果，目前國內仍沒有相應在線監測手段，運行過程中管道內是否有危害性的水錘無從得知。常規的管道在線監測系統主要基于穩態工況下的壓力、流量等數據采集和監測，采集時間間隔較長，而水錘發生的過程一般在幾秒至幾分鐘之間，受監測頻率的影響，傳統的監測并不能反映過渡過程中的流量或壓力變化以及水錘事件，而且基于水力模型軟件的水力過渡過程計算和安全防護分析報告，都是離線式的理論計算，很多邊界條件和運行工況在實際運行過程中無法掌握的，也無法進行驗證的計算和模擬的結果[2]。

2 系統解決方案

圖1：水錘破壞管道過程示意圖

圖2：各監測設備實物圖

鑒于以上問題，在常規的管道在線監測方案的基礎上，增加對管道壓力瞬變、異常噪聲的實時監測，并結合一定的算法及分析軟件，能夠達到準確定位漏損、及時發現微小漏損、識別水錘事件等功能。

方案采用在管道上安裝高頻壓力計和水聽器的方式實現對管道內壓力瞬變和噪聲信息的實時采集，同時在每個傳感器安裝點附近設置遠程采集終端RTU 設備，用于相關數據的匯聚上傳，圖2 為各監測設備實物圖。在管理中心設置數據服務器、應用服務器、操作員站等，并配置相應的計算、分析軟件，通過對現場監測點回傳數據的處理、分析，最終將分析結果展示給運行管理人員。高頻壓力計在線連續采集數據，監測壓力瞬變，采集頻率64～256Hz，精度≤0.1%FS，響應時間≤1ms；水聽器采用高靈敏度型，可偵聽到極小漏水聲，低于人耳能夠聽到的聲音強度水平，響應頻率范圍20Hz-20KHz，最大承受靜壓68Bar；遠程采集終端RTU 支持北斗/GPS 定位、時鐘同步精度≤1ms，支持模擬量和音頻信號接入，支持Modbus 標準總線采集現場其它設備數據，支持光纖有線和3G/4G 無線通訊。各傳感器的安裝密度和數量，可根據傳感器監測覆蓋的范圍、現場安裝的便捷性以及想要實現的在線監測效果等方面確定，針對管道內部壓力≤3bar 的金屬材質市政壓力管線，高頻壓力計布置間隔為1～1.5 公里，水聽器覆蓋周邊區域為500 米。

表1：系統軟件功能

圖3：漏損精準定位原理圖

圖4：排氣閥井位置的監測點各設備安裝示意圖

2.1 漏損精準定位

與常規的管道在線監測系統定位漏損方法比較，基于負壓波法的管道泄漏定位可以更精準地確定泄漏發生的位置，因為即使管道發生微小泄漏，泄漏前后的壓力波形都會存在一定的差異，而且負壓波法不需要建立復雜的數學模型[3]。

當管道發生泄漏爆管事件時，由于管道內外壓力不平衡，泄漏點壓力突然下降產生負壓波，負壓波向上、下游傳播，并逐漸衰減，利用安裝在管道上下游的壓力傳感器監視管道壓力參數，捕捉瞬時壓降，可以判斷管道泄漏是否發生。根據負壓波向上游和下游傳遞的速度和到達兩端壓力變送器的時間差，可以計算出泄漏點的位置，如圖3 所示。

系統具有高精度時鐘（10-6秒）功能，實現所有傳感器時鐘同步，能夠監測4 升/秒以上的爆管漏損事件，及時有效的告知用戶突發的爆管事件，并更為精準的定位爆管位置，定位精度達到50 米左右。

2.2 微小漏損監測

微小漏損通常是由于輸送管道因材質腐蝕老化產生腐蝕孔或其他外力作用產生裂紋時，管道內外的壓力差使管內流體向外泄漏的現象。當管內介質通過腐蝕孔或裂紋向外噴射形式聲源，然后與管道相互作用，聲源向外輻射能量形成聲波，一般情況下聲波趨向于較高的頻率，通常在300-3000Hz 之間。針對此現象，系統采用聲學技術分析，設置水聽器采集聲音，通過信號分析及大數據算法識別管網中的異常噪聲能量變化及漏水聲，利用頻譜分析技術，及時、有效監測一定程度的微小泄漏或隨時間變化逐步發展的泄漏事件。同時水聽器直接接觸水體采集聲音，背景聲音少，監測范圍廣，較貼壁式噪聲記錄儀效果更好，能夠實現5 升/分以上的微小漏損監測。

2.3 水錘事件監測

由于水錘傳播速度非常快速，通常在1000 米/秒以上，只有高頻、持續地采集管道內的動態壓力，捕捉各類壓力瞬變信號，才能反映出真實的水錘事件。

系統采用在管道關鍵位置設置高頻壓力計監測壓力瞬變信號。一旦發生水錘事件，管道上多個傳感器都能夠接收到壓力瞬變信號，上位的軟件平臺算法會根據壓力瞬變信號的傳播特性關聯這些信號并找出瞬變的來源，將最可能的水錘源頭標定出來，同時分析產生危害性水錘的原因，以采取進一步的解決措施。另外系統還會統計壓力瞬變事件發生次數，識別可疑破壞性水錘，再結合管道的管徑、管材、管齡等數據，評估現有水錘對管線的破壞風險，將有爆管風險的管道或區域標記出，采取對供水管網的預防性維護。

3 工程實例

以下針對我國西部地區某市水廠出廠輸水管道工程實例說明本系統方案的效果，該工程輸水管線分成2 段，第1 段長度約29 公里，從水廠到1#管理站配水池，DN1200/1000，雙線布置，第2 段長度約14 公里，從1#管理站配水池到2#管理站配水池，DN1000，其中雙線布置4 公里，單線布置10 公里。考慮到輸水管道沿線地形高低起伏，管道內空氣及水錘現象加劇，按照間隔約1.2 公里的標準在管道沿線設置防水錘型空氣閥的方式來消除水錘的產生。

根據上文提到的各傳感器監測覆蓋范圍，考慮到管道現場安裝的便捷性，該工程現場監測布點主要布置在排氣閥井所在位置，采用高頻壓力/水聽器一體式傳感器。為保證傳感器能夠一直接觸到水，在排氣閥連接管上增設一個通用的多口適配器內（包含法蘭），在法蘭一側開口徑 40mm 的管口用于安裝傳感器。在每個監測點現場設置遠程采集終端RTU 設備，采用有線為主（自敷光纜）、無線為輔（運營商4G 網絡）的方式將各類數據上傳至管理中心，供電采用風光互補的自發電供電的方式，同時配置UPS 不間斷電源提高供電安全性。圖4 所示為排氣閥井位置的監測點各設備安裝示意圖。

在管線管理中心設置數據服務器、應用服務器、操作員站等硬件設備，同時配置管道在線監測系統軟件平臺，嵌入各類功能服務模塊，為用戶提供一個可視化的界面查看傳感器位置信息、管網圖和其他的分析結果，并會為用戶提供可交互式的、統一的報警列表界面，對于每一條系統報出的報警記錄，用戶都可以查看報警時刻前后時段的高頻壓力數據、低頻數據、聲吶數據，進行定位分析或進行更進一步的事件判斷與分析，同時軟件平臺結合了機器學習、大數據分析以及多種信號分析算法，誤報率極低。軟件功能描述如表1 所示。

4 結語

本文的長距離輸水管線在線監測系統方案，通過設置高頻壓力計和水聽器的方式實現對管道內壓力瞬變和噪聲信息的實時采集，并結合一定的算法及分析軟件，能夠達到準確定位漏損、及時發現微小漏損、識別水錘事件等功能，同時還可以根據用戶需求，整合流量計、水質傳感器的數據，更加豐富輸水管線實時狀態數據，為輸水管網的高效運行、科學調度和安全管理提供決策支持。