高校配水管道漏水檢測及對策研究

張軍，謝雨欣，邢培振

（河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008）

1 國內外研究現狀

管道漏損在高校后勤建設中時有發生，該問題一定程度上影響后勤信息化發展。國內外研究學者通過漏損檢測及定位算法等方法研究管道漏損發生的原因及修復辦法，例如：Fatih Kayaalp 等提出根據監測點的壓力數據，通過使用多標簽學習方法來進行側漏的檢測和定位。Tom Nrgaard Jensen 等提出通過建立管網模型，使用數據驅動模型及敏感性分析進行漏損點定位，但該方法建立的模型擴展性弱、模型復雜性強。王通等提出通過施加激勵信號，檢測信號的動態變化進行漏點定位，但該方法實際應用難度較大。王洪超等提出運用負壓波進行側漏檢測，該方法具有靈敏度高、響應速度快的優點，但其面對復雜情況時漏損誤判率較高。

結合以上研究進展，文章結合流量平衡、負壓波原理，發揮管道輸水特點，提出了一種漏損判斷及定位方法。該方法一方面提高流量平衡檢測水閥開合、水泵啟停的誤判能力；另一方面發揮負壓波能快速、精準定位漏損點的優勢。

2 流量平衡漏檢原理

流量平衡漏損判斷的原理為一根密閉的管道，由于沒有漏損點，因此管道出入口的流量值相等，若管道中出現漏損點，則管道的出口流量一定小于入口流量。但在實際供水過程中，存在一個差值Δδ（t）使得管道入口的流量值并不完全等于出口流量值。其中Δδ（t）的公式如下：

式中：δi（t）：管道入口流量值（m3）；δo（t）：管道出口流量值（m3）；Δδ（t）：管道流量差值（m3）。

當供水管道無漏損點時，流量閾值ε的值為管道出入口流量最大差值的絕對值，即：ε=|Δmaxδ（t）|。

通過以上計算公式，在保障管道無其他障礙信息的前提下，得出管道出入口流量差Δδ′與流量閾值ε的關系如下：

Δδ′＞ε管道發生側漏；Δδ′＜ε管道未發生側漏。

3 負壓波漏損點定位原理

3.1 負壓波產生機理

隨著供水管道發生泄漏事故，該場景下造成管內水壓大于管外，水能迅速從泄漏點流失，從而造成泄漏點處壓力急劇下降。同時供水具有流動性且管道泄漏點處存在內外水壓差，因此泄漏點附近的水流會向泄漏點的位置補充，泄漏點會產生一個向管道兩端傳播的負壓波。若管道發生漏損，則在管道漏損點位置會產生壓降ΔP。

式中：ΔP：管道壓力變化值；ρ：水的密度（1×103kg/m3）；g：重力加速度（9.8 m/s2）；v：負壓波在管道的傳播速度（m/s）；vi：無漏損時管內水的流速（m/s）；vl：發生泄漏時管內水的流速（m/s）。

3.2 定位供水系統漏損點

校園供水系統的漏損點定位原理如圖1所示。

圖1 校園供水系統工況分析圖

A、B分別為安裝在管道兩端的水壓傳感器，待測管道的總長度為X；X1、X2為漏損點距離管道入口與出口的距離；vl為發生泄漏事故時管內水的流速；v為負壓波沿管線的傳播速度，Δt（Δt=t1-t2）為負壓波傳播到管道出入口兩端傳感器的時間差。

負壓波的傳播速度受管道壁厚和管道內物體等多方面影響，負壓波沿管線的傳播速度v為：

式中：v管內負壓波的傳播速度；K為液體的體積彈性系數，液體的彈性模量（水的為1.962×109Pa）；ρ為液體的密度；E為管材的彈性系數；D為管道的直徑；e為管壁厚度；C1為與管道約束條件有關的修正系數。

3.3 配水漏點定位算法流程

研究計劃設置一種管道側漏定位算法，包括存儲模塊、計算模塊、判斷模塊和報警模塊。

存儲模塊包括第一傳感器和第二傳感器，存儲負壓波信號和應力波信號。按預設距離設置在管道上的，用于將負壓波信號傳至存儲模塊的第一傳感器；根據預設距離，將應力波信號傳至存儲模塊的第二傳感器。

計算模塊用于根據負壓波信號計算管道上泄漏點第一位置，以及根據應力波信號計算管道上泄漏點第二位置。

其中管道上泄漏點第一位置的計算公式如下：

式中：d為泄漏點距一第一傳感器的距離；L為傳感器間長度；v為負壓波傳播速度；Δt為負壓波從泄漏點傳播到兩第一傳感器的時間差，Δt=t1-t2。

管道上泄漏點第二位置的計算公式如下：

式中：l為泄漏點距一第二傳感器的距離；L為相鄰兩第二傳感器間長度；c為應力波傳播速度；ΔT為應力波從泄漏點傳播到兩第二傳感器的時間差，ΔT=T1-T2。

判斷模塊用于判定兩個位置的差值是否在預設范圍內。

當兩個位置的差值在預設范圍內，報警模塊輸出第一報警信號；當兩個位置的差值未在預設范圍內時，輸出第二位置報警信號。

判斷和報警模塊操作步驟如下：

根據計算模塊計算所述第一位置與所述第二位置的差值X，其中，X=|l-d|。

4 仿真與實驗結果研究

采用上述漏點定位方法對校園某供水管道進行仿真分析。將采集的數據在MATLAB R2016a軟件環境下進行漏點檢測，實驗結果與誤差計算如表1所示。

表1 實驗結果與誤差表

由表1可知：

泄漏量小于4%時，由于傳感器靈敏度不夠，造成噪聲干擾比較大，相對定位誤差較大。因此這種情況檢測結果不一定準確，無法判斷出管道是否發生泄漏。

當泄漏量＞4%時，此時相對定位誤差值＜6%，隨著泄漏量變大，精度隨之提高，但精度有上限值，不會隨著泄漏量增加而不斷提高。

4.1 定位誤差分析

由公式（6）可知，定位誤差受時間差Δt以及負壓波波速v影響。

負壓波波速計算誤差：

公式（5）表明計算負壓波波速時，管道內的傳輸速度受流體彈性系數、液體密度、管道的彈性模量以及管徑的尺寸影響因素大。在計算負壓波波速時，從表中選擇的數據與實際值存在一定的誤差，造成定位誤差。

壓力響應時間差：

當配水管道發生泄漏事故時，安裝在管道兩端的壓力傳感器的特性差異也會造成誤差，因此實際中應采用同一類型的壓力變送器。時間差可以通過負壓波從首端傳到末端的時間t1以及從末端傳輸到首端的時間t2之差得到。

假設首站端泄漏而產生負壓波，傳輸到末站端，則計算時間t1、t2為：

若泄漏點發生在末端，負壓波傳輸到首端，則計算時間t1、t2為：

兩個時間差的絕對值：

若壓力變送器響應時間不存在誤差，則Δts=0。若Δts≠0，則壓力變送器的響應時間為首端產生的負壓波傳輸到末端的時間和末端產生的負壓波傳輸到首端的時間之間差值的一半，即：

Δt1為負壓波從首端傳輸到末端的時間差，Δt2為負壓波從末端傳輸到首端的時間差。

5 總結

研究提供的管道泄漏定位系統，按預設距離設置在管道上設置第一傳感器與第二傳感器，第一傳感器用于獲取預設距離間的負壓波，第二傳感器用于獲取預設距離之間的應力波；計算模塊根據負壓波信號計算管道上泄漏點第一位置，根據應力波信號計算管道上泄漏點第二位置；當第一位置與第二位置的差值是處于預設范圍內時，不僅能夠準確確定該預設距離內出現泄漏點，避免誤報，也能夠縮小泄漏點的范圍，實現精確定位。