長距離輸水隧洞管道運行故障監測方法設計

王仁江

(遼寧潤中供水有限責任公司，沈陽 110003)

由于各種自然或人為原因，不可避免地出現管道故障問題，不但會導致水資源的極大浪費，也會危及人們的生命和財產安全。因此，對工程各個階段的安全進行監控是十分必要的，對管道運行故障的監測技術進行深入的研究，既有理論上的指導作用，又有較大的實用價值[1]。當前，長距離輸水隧洞管道采用示蹤劑檢測法，在管道中添加一定量放射性示蹤劑，一旦管道出現泄漏問題時，管道內的示蹤劑就會隨著泄漏物質擴散到管道外，由此可以確定管道是否出現泄漏。使用電纜檢測法主要是利用平行于管道的電纜檢測管道是否出現故障，一旦出現故障，管道泄漏物質就會與電纜產生反應，改變電纜特性，根據電纜阻抗大小推測泄漏位置[2]。雖然檢測方法眾多，但對于小的泄漏點和緩慢泄漏問題還無法進行有效檢測。為此，本文提出長距離輸水隧洞管道運行故障監測設計方法。

1 長距離輸水隧洞管道故障監測的瞬變流數學模型構建

瞬變監測法是目前管道運行故障監測技術中的一個熱點和發展方向，它的基本原理是采用迅速關閉末端閥門來實現暫態流動，水錘波在穿過管道時會發生折射，從而引起管道內的壓力失真，因此通過改變閥端壓力，可以判斷出故障位置和程度[3]。在此基礎上，利用計算機對某一特定的邊界條件下的瞬變流量進行數值模擬，獲得管道壓力、流量相關參數，為管道的故障監測提供了模擬依據[4]。

為了便于建立數學模型，必須引入一定的基本假定條件：①管道中的液體是均勻的，并填滿整個管道，僅考慮管道中各個水力參數的變化；②在管道中，液體是一維的，也就是液體本身的變形是線性的。

采用瞬變監測法對長距離輸水隧洞管道進行失效監測，其主要步驟如下：

步驟一：讀取管網數據，并對管網穩定運行進行分析。

步驟二：分析各管段波速，并對管網進行統一時程計算。

步驟三：按照計算時間步長，對不同管道進行分段處理。

步驟四：由各個剖面上的流速求出不穩定的摩阻系數。

步驟五：利用目前周期內各個區段的流量、壓力，將其視為下一階段的初始狀態[5]。在每一個計算周期中，對瞬態過程的迭代處理可以分成兩個階段：第一階段是采用兩個可兼容的公式，求解管道內首末斷面的流量和壓力；第二階段是在迭代處理過程中，結合管段相鄰邊界條件方程，求解管道內首末斷面的流量和壓力。

步驟六：以所計算出的流量和壓力為下一階段的初值，并重復步驟四到步驟六，該計算循環一直持續到暫態運算完成為止。

根據以上步驟，設計管道故障監測瞬變流過程分析流程，見圖1。

圖1 管道故障監測瞬變流過程分析流程圖

在長距離輸水隧洞管道故障監測過程中，最大限度地減小測量值和計算值之間的差別，是進行管道失效監測的主要目的[6]。因此，其目標函數可表示為：

(1)

采用實時反問題分析方法，對長距離輸水隧洞管道中的瞬態流量進行仿真，并對其進行實時監控。管道故障對暫態壓力波幅值的衰減有很大影響，通過修改模型中的故障參數，減小測量結果和計算結果誤差，從而確定故障類型[7]。其實質是求解系統辨識中的逆向問題及參數識別問題，在給定初始故障狀態和故障位置后，對同一位置的同一物理量(流量和壓力)進行計算，如果計算結果與實際測量值基本一致，則說明通過構建的管道故障監測的瞬變流數學模型能夠提取精準瞬變參數[8]。

2 長距離輸水隧洞管道運行故障監測

通過上述獲取的瞬變參數信息，使用小波變換技術監測長距離輸水隧道管道運行故障問題。使用小波變換技術克服了以往單分辨率識別瞬變參數不精準的問題，通過對信號局部信息的時域和頻域表征，能夠根據信號特定調節方式確定信號發出的位置，進而實現故障精準定位[9]。對于低頻信號，可以使用較高的時域分辨率改善頻域窗口；而對于高頻信號，則可以用較低的頻域分辨率來交換精確的時域位置[10]。基于此，設計長距離輸水隧洞管道運行故障監測模型，見圖2。

圖2 長距離輸水隧洞管道運行故障監測模型

由圖2可知，首先利用小波分析技術對采集到的流量、壓力信號進行去噪處理，然后利用小波分析進行流量奇異點檢測，最后使用相關分析法進行管道故障定位。

2.1 基于小波去噪的信號突變點分析

使用小波去噪方法分析信號突變點，首先是將小波分解后的各個層次系數中大于或等于一定閾值的系數進行去噪處理，然后使用反演方法重建去噪信號，最后對信號中不能使用的部分進行有效處理，從而使有效部分信號得到增強[11]。信號突變點監測是在不同的尺度上“磨光”原始信號，然后對磨光后信號的一階、二階導數的極值或零交點進行監測[12]。基于此，求取小波變換經過平滑處理后的一階、二階導數，公式為：

(2)

使用小波變換系數的過零點和局部極值點能夠監測故障信號突變點，其原理為：將小波變換視為平滑函數的一階導數時，小波變換的局部極值點就是信號的突變點[13]；將小波變換視為平滑函數的二階導數時，小波變換的過零點就是信號的突變點[14]。根據上述求取的小波變換后的一階、二階導數，對實際測得的信號采用高頻3細分量小波進行分解，見圖3。

圖3 高頻3細分量小波分解

由圖3可知，在3層細分信號中，可確定最大位置點，也就是突變信號的位置。

2.2 基于相關分析法的管道故障定位

2.2.1 相關函數構建

對相關函數進行實時處理，能有效提取出微弱信號，而對于微小變化的信號進行相關性分析，則能得到比較明顯的結果[15]。對于兩個不同隨機噪聲β1(f)和β2(f)，這兩個噪聲的相關函數反映了它們在不同時刻的相似程度，在沒有出現管道故障情況下，可以將其看作均值為0的隨機噪聲，可表示為：

(3)

式中：τ為延遲時間；T為處理周期。

相關函數反映了兩種不同信號的相似性，可以用來描述兩種信號間的關系，也可以用來描述兩種信號的相似性。這種方法能有效去除噪聲，過濾不相關的成分，并對其進行監測與故障診斷。

2.2.2 故障監測定位

通過上述提取的微弱信號，構建連續信號離散化模型，見圖4。

圖4 連續信號離散化模型

通過構建的相關函數，對其進行離散化處理后，可將相關函數改為：

(4)

式中：N為離散次數；x為異常信號監測位置；y為噪聲信號位置。

在沒有故障的情況下，相關函數的數值幾乎為0；而在故障的情況下，相關函數的數值也會有明顯的改變。當該變化量到達臨界點時，就被視為管道出現了故障問題。在此基礎上，通過最大相關函數，求出兩個信號的延遲，由此根據定位公式(4)進行管道故障定位。

通過對故障位置處壓力信號和信號傳輸到傳感器的時間差分析，可確定故障點位置。其中，對于故障點位置的信號傳輸時間差，可以通過相關函數峰值來確定；由于壓力信號自身均值很大，在故障情況下，上下游壓力信號的相關性基本不變。所以，有必要把壓力信號變換成差壓信號，然后再進行相關分析。采用差壓信號求得的相關函數，不但消除了平均值，還能使上下游的壓力由下降沿向極值方向變化，對故障位置的定位更為有利。

3 實 驗

3.1 實驗環境

為了驗證長距離輸水隧洞管道運行故障監測方法設計合理性，布置了供水管網系統結構，見圖5。

圖5 供水管網系統結構布置示意圖

由圖5可知，所有節點高度都被設定為0，在上游，采用不變水壓的壓力池供給管網，壓力是25 m。穩態時，管道的下游出口流量為1 L/s。測試節點T6處發生泄漏，泄漏量為0.6 L/s，漏氣面積為0.000 03 m2。在下端與操縱閥門相連，在0.25 s內關閉。在T1-T6處設置6個測壓點，對水錘波在不漏水、滲漏條件下的衰減進行分析。

3.2 實驗裝置

水力實驗平臺物理模型見圖6。

圖6 水力實驗平臺物理模型

由圖6可知，實驗管道采用鍍鋅鋼管，管道采用環形布置。在管線中部，存在兩個人為的泄漏孔，并通過閥門和電磁流量計進行泄漏檢測；在管道中部，設有三通，分別是小型管網接口、管道出口、尾水管口。

3.3 測壓點分析

對于6個測試點，在有無泄漏工況下對管道壓力進行測試分析。其中T1、T2、T3與T6泄漏點之間存在一定距離，影響較小；而T4、T5與T6泄漏點之間距離較近，影響較大，其中T5與T6泄漏點之間距離最近，影響最大。

對于T1、T2、T3測試點管道壓力測試結果，見圖7。

圖7 T1、T2、T3測試點管道壓力測試

由圖7可知，T1、T2、T3測試點管道壓力測試結果均與實際值相差不大。其中，對于T1測試點，測試值與實際值基本一致，誤差最大為1 Pa；對于T2測試點，測試值與實際值在時間為0.7～0.8 s時，存在最大為0.5 Pa的偏差；對于T3測試點，測試值與實際值在時間為0.7～0.8 s時，存在最大為2.5 Pa的偏差。

對于T4測試點管道壓力測試結果，見圖8。

圖8 T4測試點管道壓力測試

由圖8可知，對于T4測試點，測試值僅與實際值存在最大為0.5 Pa的誤差，但與T1、T2、T3測試點相比，相差較大。產生這種現象的主要原因是該測試點與泄漏點T6在一側管道上，影響該點的壓力。

對于T5測試點管道壓力測試結果，見圖9。

圖9 T5測試點管道壓力測試

由圖9可知，對于T5測試點，測試值僅與實際值存在最大為0.4 Pa的誤差，但是與T1、T2、T3測試點的測試值相差較大，與T4測試點的測試值相差相對較小。產生這種現象的主要原因是，該測試點不僅與泄漏點T6在一側管道上，而且還與泄漏點T6相距最近。

通過上述分析結果可知，設計的長距離輸水隧洞管道運行故障監測方法監測結果不會受到外界因素影響，與實際值相差不大。

4 結 語

結合管道故障監測領域的最新研究進展，針對所研究的方法應用開展研究，涉及管道瞬態變化、數值仿真、小波去噪處理、離散化處理等步驟。首先，對管道瞬態進行了分析，并對其瞬態過程進行了總結。結合多個實例，對管道在不同的故障參數下的瞬變流場進行了數值仿真。采用小波去噪技術對管道壓力、流量信號進行去噪處理，結合小波奇性法進行了數值模擬。之后經過離散化的處理方法，提取出微弱信號，進而確定時間差，依據位置關系式進行故障點定位。通過實驗驗證結果可知，該方法解決了傳統監測方法存在的監測精準度低的問題，并能夠更加確切反映實際壓力的變化過程，對提高供水安全可靠性起到重要作用。