前海區域集中供冷管網泄漏監測報警系統應用研究

聶武兵

摘要：通過對區域集中供冷的管網水泄漏的特征研究，利用電阻抗和超聲波的檢測原理，構建供冷管道全管網水泄漏監測系統。

關鍵詞：前海;供冷管網;電阻抗;超聲波;泄漏;報警

一.引言

區域集中供冷系統，管網的安全、穩定運行是首要的要求。供冷管網長時間運行，其安全性將逐漸降低，因此提前預知管道的泄漏情況至關重要。

目前，區域集中供冷管網泄漏報警系統通常使用保溫管內含電阻抗線的電阻分析判斷管道是否泄露，在國內南方供冷管網有較少應用，應用相對不成功，原因為南方天氣潮濕多雨、土壤水分較多，施工及運行階段水容易滲透進入管道保溫發泡層，如利用管道自帶的電阻抗方式進行檢測，成功率較低。國內北方供熱管道有較多管道泄漏測量應用經驗，部分應用相對成功，成功應用主要原因為北方天氣干燥少雨，管道安裝階段基本無水介質進入管道發泡層，且密封不嚴少量水進入發泡層，供熱管道的熱量可以將發泡層的水蒸發，從而不影響阻值測量。

現有的管網泄漏檢測報警系統主要有三種應用方式：電阻抗線測量、超聲波測量、光纖感溫線測量。其原理分別為：電阻抗線測量管道兩根電阻抗線的阻值;超聲波測量利用泄漏時水流與鋼管之間聲波進行測量;光纖感溫線需要與管道同步敷設，檢測管道附近的溫度進行測量。由于前海供冷管道均已提前敷設，且地下土壤與供冷管的溫差較小，光纖感溫測量不適用于區域集中供冷管道，適用供熱管道測量。

前海區域集中供冷管網均采用直埋保溫管內含電阻抗線管道，目前前海二單元供冷管網已敷設完成并正在建設管網泄漏報警系統。此次主要基于電阻抗式管道泄漏檢測技術進行分析研究，并在部分電阻抗線斷線或阻值低的管道上，結合應用超聲波測量管道泄漏。

二.現場缺陷

使用電阻抗線測量要求管道發泡層干燥無凝結水，在南方供冷管網在施工階段如遇下雨天或管道保護層包封不嚴，容易有水進入至發泡層，從而影響測量。目前整個中國南方供冷管網泄漏檢測基本無成功應用案例。針對以上情況，前海區域集中供冷管網泄漏報警系統建設結合以下方式建設：

1）分段布點。一般按設計院圖紙，一個現場檢測單元檢測全供回水管道的電阻抗，如其中一段阻值低或斷線，則后端管道檢測數據無法檢測。前海區域集中供冷管道深化設計后，每個閥門井（約200米左右）均布置一個現場監測單元，其中一段阻值低或斷線問題，也不影響后端管道測量;

2）降低電阻值標準。規范要求電阻抗值500MΩ以上電阻值合格，由于南方潮濕天氣及供冷管網易產生冷凝水特性，阻值可以相應降低標準，如500Ω即可滿足要求，并保存實施管網泄漏報警系統前的電阻抗值作為基準值進行比較，如實際檢測值低于基準值則可判斷此部分管道存在泄露的可能。

3）結合超聲波測量一起使用。部分管道存在電阻抗線斷線的情況導致該部分管道無法測量，為了保證全管道泄漏的監測，此部分管道使用超聲波測量，現場存在泄漏，管道鋼管泄漏點流速較大產生聲波，超聲波的檢測裝置監測鋼管聲波從而判斷是否有漏點。聲波測量的缺點為漏點流速較小時聲波較小，無法反饋漏點聲波。

三.檢測方案

前海二單元管網泄漏檢測系統由現場檢測單元和中央監測管理平臺組成。現場檢測單元根據現場實際情況安裝在用戶地塊、綠化帶或閥門井內，每套現場檢測單元可獨立運行，通過無線、總線技術傳輸數據至中央監測管理平臺;中央監測管理平臺安裝于值班室，具有自動監控、泄漏報警、精確定位、無線傳輸、人機互動、數據存儲、趨勢分析、功能拓展、支持多種數據傳輸方式、維護操作簡單等特點。

3.1管網泄漏報警系統電阻抗測量漏點定位原理

前海二單元區域供冷管網泄漏檢測系統為預制直埋保溫管管道泄漏檢測系統，預制直埋保溫管主要由三部分組成工作管（鋼管）、聚氨酯泡沫層、外護管（高密度聚乙烯）。在聚氨酯泡沫層中預埋泄漏檢測線作為泄漏檢測系統的信號線。信號線材質為1根鍍錫銅線和1根裸銅線，兩根低阻值銅線實際效果一直，為區分兩根銅線，防止兩端接錯，其中一根鍍錫。兩根導線相隔一定距離，由于保溫層是不導電，兩根導線之間保持絕緣。管道運行時，在兩根線的首端施加一個恒定電壓，當管道全長的中段某一點發生泄漏事故時，管道內的水分會從內層的鋼管溢出而浸入保溫層，水量或濕氣較大時會使相隔一定距離的鍍錫銅線和裸銅線報警線和反饋線之間發生短路，根據電阻分壓與電阻大小成正比，而電阻大小與導線長度成正比的原理，可推算出發生泄漏的位置。

管網泄漏報警系統電阻式反饋定位原理：在管道前端設置監測模塊，監測模塊中集成一個階躍源定時發出方波或正弦波信號注入到被測的銅線，如果傳輸線阻抗連續均勻，此信號就沿著傳輸線向前傳播。當傳輸線某一點出現管道泄漏時，水分會影響線路周圍的電路分布參數，從而在故障點出現阻抗變化，此時，階躍信號到達故障點時會有一部分信號被反射回，而剩余部分繼續往前傳播。反射回來的信號可被示波器采集到，并根據采集到的信號與發射源信號的時間關系，可計算出傳輸線阻抗發生變化的位置。

為了進行準確的定位，在管網建設完成初期，需繪制管網初始特性阻抗曲線圖，在發生泄漏故障時，用故障曲線與初始曲線進行對比可找出故障點位置。

3.2 管網泄漏報警系統聲波測量漏點定位原理

介質輸送鋼管的泄漏點就是一個噪聲源，泄漏會產生至少四種噪聲：1）水從泄漏點外流的水流聲;2）水流與管壁摩擦的摩擦聲 ;3）材料振動噪聲 ;4）水流與管外物體的撞擊聲。以上四種噪聲是與鋼質管道水介質泄漏直接相關的特征噪聲，采集到以上特征噪聲，就能夠反過來發現管道泄漏問題并對泄漏點進行定位測量。

根據應用經驗表明，鋼質管道水介質泄漏噪聲的頻率在一定的范圍，一般高于300Hz，低于2000Hz，完全處于人類能夠聽見的聲音頻率范圍。

監測系統報警給出泄漏點的大概位置信息后，采用便攜式相關儀表至相關管段進行定位測量，所測出的結果仍然不能直接作為開發修復最終定位信息，必須經過地面聽音確認漏點位置后才能進行作為最終開挖點精定位位置。

地面聽音一般采用電子聽漏儀通過噪聲比較找到噪聲水平最高的點，此噪聲點即為漏點位置。

四.實施建議

本實施例的有益效果是：可以減少冷凍水損失、影響保溫效果、管道腐蝕、造成水土流失及路面坍塌、影響客戶用冷的情況發生。

本項目應用于人口密集的南方城市供冷管道，于現有單技術應用相比，本研究應用電阻抗線及超聲波兩種測量技術結合應用;太陽能光伏板及移動電池供電多種技術結合應用，現場檢測設備分段布點等方式，覆蓋全管道泄漏檢測。

由于聲波測量有以下缺陷：1）超聲波測量管道不超過250米，監測距離受限;2）超聲波測量在漏點流量較小的情況下無聲波，無法檢測漏點;3）受環境影響較大，如果上方為道路，經常有大型車輛通過會導致現場檢測設備檢測到聲波，從而錯誤發出管道泄漏的報警;4）無法檢測管道外漏，如果外護管（高密度聚乙烯）破損導致水與管道鋼管接觸，易腐蝕鋼管。需要根據現場實際情況分析并應用。