基于壓力敏感性分析的集中冷卻系統(tǒng)泄漏診斷

劉倩，張揚(yáng)，徐新華，謝軍龍，王飛飛

1華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

3華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074

基于壓力敏感性分析的集中冷卻系統(tǒng)泄漏診斷

劉倩1，張揚(yáng)2，徐新華1，謝軍龍3，王飛飛1

1華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

3華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074

針對(duì)艦船電子集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)的泄漏故障對(duì)系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行會(huì)造成危害的情況，提出一種應(yīng)用壓力敏感性分析法進(jìn)行泄漏診斷的方法。采用FlowMaster建立一個(gè)電子集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)水力模型，并根據(jù)管網(wǎng)實(shí)測(cè)水力特性進(jìn)行模型標(biāo)定，利用該模型模擬管網(wǎng)正常運(yùn)行及泄漏條件下的運(yùn)行參數(shù)，獲得不同泄漏故障方案下的相關(guān)性系數(shù)表，獲取管網(wǎng)不同泄漏故障方案的敏感性矩陣，并采用相關(guān)性函數(shù)法對(duì)實(shí)測(cè)余差向量與敏感性矩陣進(jìn)行相關(guān)性分析，得到故障分析相關(guān)性系數(shù)表。研究表明：相關(guān)性系數(shù)值越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的泄漏故障方案泄漏點(diǎn)出現(xiàn)泄漏的可能性越大。利用所建立的模型和診斷方法進(jìn)行了泄漏診斷分析，診斷結(jié)果與管網(wǎng)實(shí)際泄漏點(diǎn)吻合。關(guān)鍵詞：集中冷卻系統(tǒng)；泄漏故障；泄漏診斷；壓力敏感性分析；相關(guān)系數(shù)

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引用格式：劉倩，張揚(yáng)，徐新華，等.基于壓力敏感性分析的集中冷卻系統(tǒng)泄漏診斷［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（5）：128-133.

LIU Qian，ZHANG Yang，XU Xinhua，et al.Pressure sensitivity analysis-based leakage diagnosis of centralized refrigerant system for electronic devices［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：128-133.

0　引言

隨著艦船自動(dòng)化程度的提高，用于艦船上的電子設(shè)備也越來越多。電子元器件溫度過高是引起設(shè)備故障的重要原因之一［1］，因此，保障設(shè)備散熱良好可以大幅降低設(shè)備的故障率。艦船采用集中冷卻系統(tǒng)不僅可以保證電子設(shè)備正常穩(wěn)定地運(yùn)行，還可以提高全船設(shè)備管理的維護(hù)效率。但是，船舶管路處于高溫潮濕的工作環(huán)境，冷卻水管路承受著較大熱應(yīng)力，加上管道管程短且管道復(fù)雜，接口斷續(xù)多，易造成管道泄漏［2-4］，影響電子設(shè)備正常工作，甚至可能引起電子設(shè)備燒毀。集中冷卻系統(tǒng)作為艦船重要輔助設(shè)備，若戰(zhàn)時(shí)管道損壞導(dǎo)致管道泄漏或破損，將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備工作甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此，需要對(duì)艦船集中冷卻水系統(tǒng)泄漏進(jìn)行快速有效診斷，以便采取相應(yīng)措施保證系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行。

國(guó)外多將船舶管系泄漏納入船舶故障進(jìn)行診斷［2］。系統(tǒng)故障診斷技術(shù)發(fā)展已久，但是其在不同領(lǐng)域的發(fā)展方向與分類方法均不相同。對(duì)空調(diào)領(lǐng)域，一般通過檢測(cè)系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行故障診斷［5］，可分為基于數(shù)學(xué)模型的方法、基于信號(hào)處理的方法和基于知識(shí)的診斷方法3大類［6-7］。對(duì)城市供水、石油、燃?xì)夤芫W(wǎng)等系統(tǒng)的管道泄漏故障檢測(cè)與定位通常分為直接法和間接法。直接法是通過檢測(cè)設(shè)備對(duì)泄漏的直接檢測(cè)，有聽漏棒、電子聽漏儀等［8］。間接法則是對(duì)泄漏引起的壓力、流量的流體參數(shù)變化進(jìn)行檢測(cè)或通過模型進(jìn)行分析，間接實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)與定位［7］，如壓力敏感性分析法［9-11］、壓力波動(dòng)瞬態(tài)分析法中的映射法（LRM）、逆瞬態(tài)分析法（ITA）與駐波差分法（SWDM）［12-15］和狀態(tài)空間法［16］等。

國(guó)內(nèi)實(shí)船對(duì)管系泄漏的檢測(cè)主要采用浮子法、雙層管泄漏檢測(cè)、滲透檢測(cè)等方法［2］。但是，這些方法效率低、人員工作強(qiáng)度大，無法滿足現(xiàn)代船舶的自動(dòng)化要求。而發(fā)達(dá)國(guó)家的艦船損管控制技術(shù)自動(dòng)化與智能化水平較高，已能實(shí)現(xiàn)全船自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警與輔助決策［17-18］。目前，國(guó)內(nèi)、外針對(duì)復(fù)雜的船舶集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)泄漏問題的公開研究資料較少。張杰［3］采用超聲波與流量平衡法相結(jié)合進(jìn)行了船舶管系泄漏檢測(cè)。石昌峰［4］采用基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)船舶冷卻水系統(tǒng)泄漏故障進(jìn)行診斷，但該方法尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

艦船集中冷卻水系統(tǒng)管路復(fù)雜，而隨著現(xiàn)代船舶自動(dòng)化程度的提高，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必不可少。本文擬提出采用壓力敏感性分析法進(jìn)行艦船集中冷卻水系統(tǒng)的泄漏故障診斷。該方法是一種定位泄漏點(diǎn)區(qū)域的穩(wěn)態(tài)分析方法。本文還將采用該方法對(duì)某艦船電子設(shè)備集中冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情形下的泄漏診斷進(jìn)行模擬分析，以證明該方法對(duì)泄漏點(diǎn)所在區(qū)域定位的有效性。

1　基于壓力敏感性模型的泄漏診斷法

基于壓力敏感性模型的診斷方法是根據(jù)系統(tǒng)不同位置的測(cè)量壓力對(duì)系統(tǒng)泄漏時(shí)的敏感性進(jìn)行泄漏診斷的一種方法。余差向量r（k）定義為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)各時(shí)刻k下的系統(tǒng)壓力測(cè)量值與系統(tǒng)非正常（泄漏）時(shí)的系統(tǒng)壓力測(cè)量值之差，余差向量r（k）的長(zhǎng)度i等于系統(tǒng)的壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)。

式中：p（k）為系統(tǒng)非正常運(yùn)行（泄漏）時(shí)，k時(shí)刻系統(tǒng)的各測(cè)點(diǎn)壓力測(cè)量值；為系統(tǒng)正常運(yùn)行（無泄漏）時(shí)，k時(shí)刻系統(tǒng)的各測(cè)點(diǎn)壓力測(cè)量值。

壓力敏感性矩陣S（k）包含了余差與泄漏故障之間關(guān)系的信息。管網(wǎng)某泄漏點(diǎn)可能的泄漏量稱為標(biāo)稱泄漏量f。矩陣S（k）的每一列向量為管網(wǎng)某單個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)標(biāo)稱泄漏量（f即故障方案）時(shí)各測(cè)壓點(diǎn)的壓力測(cè)量值與管網(wǎng)無泄漏時(shí)各測(cè)壓點(diǎn)測(cè)量值的余差。從模型的角度而言，管網(wǎng)所有可能的泄漏點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的故障方案構(gòu)成泄漏故障方案陣列f=｛f1'f2'…'fj｝，因此，壓力敏感性矩陣S（k）的列數(shù)j等于管網(wǎng)所有可能的泄漏方案數(shù)，行數(shù)i為管網(wǎng)的壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)（即余差向量r（k）的長(zhǎng)度），如表1所示。

表1　敏感性矩陣S（k）Tab.1Sensitivity matrix S（k）

各壓力測(cè)點(diǎn)在所有可能的泄漏（故障方案）下的余差如式（2）所示

式中：pifj（k）為k時(shí)刻故障fj作用下測(cè)壓點(diǎn)i的壓力測(cè)量值；p?i0（k）為k時(shí)刻無故障（即無泄漏）時(shí)測(cè)壓點(diǎn)i的壓力測(cè)量值。

余差向量r（k）與余差敏感性矩陣S（k）需要根據(jù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的壓力測(cè)點(diǎn)值，以及在給定的可能的泄漏（故障方案）下系統(tǒng)各壓力測(cè)點(diǎn)值進(jìn)行計(jì)算。

故障診斷過程為診斷管網(wǎng)最有可能發(fā)生泄漏的實(shí)際節(jié)點(diǎn)位置或區(qū)域。該過程是將實(shí)際故障信息（即余差向量r（k））與敏感性矩陣S（k）進(jìn)行對(duì)比分析。本文采用相關(guān)性函數(shù)法進(jìn)行對(duì)比分析。相關(guān)性函數(shù)（皮爾遜相關(guān)系數(shù)）ρxi'xj用于衡量2個(gè)數(shù)據(jù)集合的相關(guān)性強(qiáng)度，如式（3）所示。

式中：xi'xj為列向量；cov（）為協(xié)方差。

該方法通過計(jì)算余差向量r（k）與敏感性矩陣S（k）的每一列向量二者的相關(guān)性函數(shù)，得到故障信息r（k）與由每一個(gè)故障方案fj獲得的理論故障信息間的相關(guān)系數(shù)，組成向量，該向量中最大的元素值對(duì)應(yīng)故障方案fj，則該故障方案對(duì)應(yīng)的泄漏點(diǎn)j為管網(wǎng)中最可能出現(xiàn)泄漏的節(jié)點(diǎn)。ρ值越大時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的泄漏點(diǎn)出現(xiàn)泄漏的可能性越大。

2　系統(tǒng)描述與模型

某艦船電子設(shè)備集中冷卻水系統(tǒng)如圖1所示。冷卻系統(tǒng)用戶側(cè)由A，B，C這3個(gè)大支路組成。大支路A，B，C供回水主干管管徑分別為DN40，DN32，DN25。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為16 m3/h，水泵的流量為18 m3/h，揚(yáng)程為60 m H2O。管道材質(zhì)為不銹鋼管。管道內(nèi)介質(zhì)為乙二醇防凍液。用戶側(cè)與源側(cè)間設(shè)有換熱器，進(jìn)行間接換熱。大支路A由16個(gè)用戶支路組成，按照并聯(lián)方式連接，用戶支路管徑均為DN20。大支路A設(shè)計(jì)流量為8 m3/h，各用戶支路均設(shè)有一臺(tái)電子設(shè)備，且所有設(shè)備的額定流量均為0.5 m3/h。3個(gè)大支路的回水干管上裝設(shè)有靜態(tài)流量平衡閥，用于調(diào)節(jié)各大支路流量平衡。支路A主干管上設(shè)有流量傳感器及壓差傳感器（即壓力測(cè)點(diǎn)P0-1與P0-2）。16個(gè)小支路編號(hào)依次為Z1～Z16。每個(gè)支路兩端均設(shè)有1個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，用于獲得支路損失。16個(gè)小支路共計(jì)32個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)（位于管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)），編號(hào)為P1～P32。各用戶支路所設(shè)截止閥、球閥分別用于控制支路的開關(guān)與平衡調(diào)節(jié)。系統(tǒng)所安裝壓力傳感器量程為0.8 MPa，精度為0.5%。

圖1　冷卻水系統(tǒng)及測(cè)量示意圖Fig.1Schematic of refrigerant system and measurement

本研究采用FlowMaster進(jìn)行管網(wǎng)流動(dòng)特性仿真。為簡(jiǎn)化描述和分析，上述管網(wǎng)系統(tǒng)中大支路A的16個(gè)小支路為研究對(duì)象。將圖1的整個(gè)水系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在支路A供回水管間設(shè)置水泵及支路阻力件（模擬其他支路損失）。管網(wǎng)模型如圖2所示。模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各管段的長(zhǎng)度、管徑、閥件（閥門、三通、彎頭）數(shù)量及壓力測(cè)點(diǎn)布置位置等建立。通過元件流量源加載負(fù)流量模擬管網(wǎng)漏水。本模型通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)管網(wǎng)水力參數(shù)進(jìn)行了模型標(biāo)定，以保證模擬的準(zhǔn)確性。當(dāng)16個(gè)小支路閥門均為全開，支路A主干管實(shí)驗(yàn)測(cè)量流量與模擬流量均為8.019 m3/h，各用戶支路的壓差測(cè)量值與模擬值對(duì)比如表2所示，冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型的模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量誤差均在1%以內(nèi)。

圖2　冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型Fig.2Simulation model of refrigerant system network

表2　各用戶支路的壓力測(cè)量值與模擬值對(duì)比Tab.2Comparison between the simulated and measured values of consumer branches

3　泄漏診斷分析

由FlowMaster建立的冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型產(chǎn)生系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的各壓力測(cè)點(diǎn)值，以及在管網(wǎng)的所有可能的泄漏（故障方案）下系統(tǒng)非正常（泄漏）運(yùn)行時(shí)的各壓力測(cè)點(diǎn)值。泄漏故障方案均為單泄漏點(diǎn)方案，考慮可能的泄漏點(diǎn)j為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)P1～P32，對(duì)應(yīng)32種故障方案fj（k）。

在實(shí)際工程中，管網(wǎng)發(fā)生破損時(shí)，系統(tǒng)會(huì)處于一個(gè)短暫的動(dòng)態(tài)過程，如果破損不進(jìn)一步擴(kuò)大，系統(tǒng)會(huì)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程。在本研究中，只考慮管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)情形下的泄漏診斷。假定管網(wǎng)各支路用戶流量及泄漏點(diǎn)漏水量均為恒定。考慮了各測(cè)點(diǎn)壓力值壓力傳感器的誤差，通過加載白噪聲的方式實(shí)現(xiàn)，噪聲上限為壓力模擬值的0.5%（實(shí)際安裝傳感器精度0.5%）。

管網(wǎng)標(biāo)稱漏水量f為0.1 m3/h（約為管網(wǎng)支路A設(shè)計(jì)流量的1.25%）。在標(biāo)稱泄漏量下，當(dāng)泄漏點(diǎn)位于不同位置（節(jié)點(diǎn)P1～P32）時(shí)，獲得不同故障方案下的壓力點(diǎn)測(cè)量值，進(jìn)一步計(jì)算出敏感性矩陣S（k）。當(dāng)某處發(fā)生泄漏時(shí)（泄漏量設(shè)為0.11 m3/h），根據(jù)測(cè)量的壓力值計(jì)算實(shí)際故障信息（即余差向量r（k）），將該故障信息與敏感性矩陣S（k）進(jìn)行對(duì)比分析，得到在不同故障方案下二者的相關(guān)性系數(shù)。在連續(xù)時(shí)間1～10 min時(shí)計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)ρ如圖3所示。顏色越深的單元格表示由該故障方案fj（k）對(duì)應(yīng)的泄漏點(diǎn)（j管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）得到的相關(guān)系數(shù)ρ值越大，表示該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)泄漏的可能性越高。在時(shí)刻為1 min時(shí)，對(duì)應(yīng)故障方案fp1（k）的P1節(jié)點(diǎn)得到的相關(guān)系數(shù)值0.81為最大，故P1節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)泄漏的可能性最大。對(duì)應(yīng)故障方案fp3（k）的P3節(jié)點(diǎn)得到的相關(guān)系數(shù)次之，值為0.74，故P3節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)泄漏的可能性其次。事實(shí)上，在考慮的所有可能泄漏點(diǎn)（所有故障方案）中，P3離P1節(jié)點(diǎn)最近。結(jié)果進(jìn)一步顯示，在連續(xù)時(shí)間1～ 10 min內(nèi)，相關(guān)系數(shù)向量中最大的元素值均為0.8左右，且對(duì)應(yīng)的故障位置基本均為節(jié)點(diǎn)P1，不同時(shí)刻P3和P5節(jié)點(diǎn)相關(guān)性系數(shù)次之。因此，診斷管網(wǎng)中最可能的泄漏點(diǎn)為P1節(jié)點(diǎn)或其附近所在區(qū)域，診斷結(jié)果與管網(wǎng)實(shí)際泄漏點(diǎn)（實(shí)際泄漏點(diǎn)位于P1處）相吻合。研究結(jié)果表明該泄漏診斷方法可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)所在區(qū)域的定位。

4　結(jié)語

快速、有效診斷電子集中冷卻系統(tǒng)泄漏位置，并及時(shí)排除系統(tǒng)故障，能降低冷卻系統(tǒng)泄漏對(duì)設(shè)備正常工作等造成的損害，確保系統(tǒng)持續(xù)安全運(yùn)行。本文提出采用壓力敏感性分析實(shí)現(xiàn)艦船集中冷卻水系統(tǒng)的泄漏故障診斷。該方法通過管網(wǎng)壓力敏感性分析獲得不同泄漏故障方案下的敏感性矩陣，并采用相關(guān)性函數(shù)法對(duì)實(shí)測(cè)余差向量與敏感性矩陣進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得實(shí)際泄漏故障信息（即余差向量）與泄漏故障方案信息（即敏感性矩陣）二者的相關(guān)性系數(shù)。由獲得的相關(guān)性系數(shù)大小診斷出泄漏點(diǎn)所在位置或附近區(qū)域，相關(guān)性系數(shù)值越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的泄漏點(diǎn)出現(xiàn)泄漏的可能性越大。管網(wǎng)在正常運(yùn)行及泄漏時(shí)的壓力分布通過由FlowMaster所建立的實(shí)際集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)水力模型得到，該模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)管網(wǎng)水力參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。

本文對(duì)一個(gè)電子集中冷卻系統(tǒng)的16個(gè)用戶支路進(jìn)行了泄漏診斷分析，當(dāng)某用戶支路上的壓力測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)泄漏時(shí)，根據(jù)上述方法獲得泄漏條件下的相關(guān)性系數(shù)表。根據(jù)該表中相關(guān)系數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的故障泄漏方案可準(zhǔn)確診斷出管網(wǎng)中最可能的泄漏點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，該診斷結(jié)果與管網(wǎng)實(shí)際泄漏點(diǎn)相吻合。

本文是對(duì)集中冷卻水系統(tǒng)泄漏故障診斷方法的初探。模型誤差、壓力測(cè)點(diǎn)的位置、標(biāo)稱泄漏量的設(shè)計(jì)、管網(wǎng)實(shí)際泄漏量大小等對(duì)診斷敏感性的影響及診斷的有效性有待進(jìn)一步研究。

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Pressure sensitivity analysis-based leakage diagnosis of centralized refrigerant system for electronic devices

LIU Qian1，ZHANG Yang2，XU Xinhua1，XIE Junlong3，WANG Feifei1
1 School of Environment Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
3 School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

A method based on pressure sensitivity analysis is proposed for the leakage diagnosis of a centralized refrigerant system for electronic devices，as leakages may affect the operational safety of the system.A pipe network model of a real centralized refrigerant system for electronic devices is established in the FlowMaster platform，and calibrated according to the actual hydraulic characteristics of the pipe network based on measurements.The model is used to simulate system operation when leakage is absent and present respectively.In addition，the correlation coefficient table under various leakage schemes is calculated when leakage occurs.The sensitivity matrix of various leakage schemes is obtained，and then the correlation coefficient table for leakage analysis can be obtained by comparing the sensitivity matrix with the measured residuals when leakage occurs.The larger the correlation coefficient value，the higher the possibility that the leakage point exists coincident to the leakage scheme.Finally，the leakage is diagnosed using the established model and proposed leakage diagnosis method.The results show that the diagnosed leakage point agrees well with the actual leakage point.

centralized refrigerant system；leakage fault；leakage diagnosis；pressure sensitivity analysis；correlation coefficient

U664.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.019

2016-01-13網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 14:06

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET110189）；教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（20120142110078）

劉倩，女，1992年生，碩士生。研究方向：冷卻水系統(tǒng)特性及故障診斷。

徐新華（通信作者），男，1972年生，博士，教授。研究方向：艙室大氣環(huán)境，水系統(tǒng)特性及故障診斷。E-mail：bexhxu@hust.edu.cn