長(zhǎng)距離輸水管線壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理研究

黃偉軍

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

長(zhǎng)距離輸水管線壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理研究

黃偉軍

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

為了解長(zhǎng)距離輸水管線上輸水設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，使工程運(yùn)行安全有保障，需要對(duì)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文以穩(wěn)壓塔為例，對(duì)其高程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明： ?高程隨時(shí)間變化的過(guò)程曲線，若是采集間隔為1s時(shí)則能夠呈現(xiàn)一定的波動(dòng)規(guī)律； ?高程數(shù)據(jù)采用正弦波公式進(jìn)行擬合，可得到可決系數(shù)較高的參數(shù)，為分析長(zhǎng)距離輸水管線的水力特性提供有力的理論基礎(chǔ)。

長(zhǎng)距離輸水管線； 運(yùn)行安全； 穩(wěn)壓塔； 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程管線長(zhǎng)度約為154.4km，承擔(dān)遼寧中部六大城市撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤(pán)錦的供水任務(wù)，供水保證率95%，具有輸水距離長(zhǎng)、供水目標(biāo)多、供水量大的特點(diǎn)。全線布設(shè)多個(gè)壓力傳感器，自動(dòng)化采集傳輸?shù)娇刂浦行摹＿@些壓力檢測(cè)設(shè)施在工程中具有重大意義：監(jiān)視全線壓力穩(wěn)定；在調(diào)整各城市的供水量時(shí)，及時(shí)監(jiān)視壓力波動(dòng)情況，確保整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)的安全；在出現(xiàn)爆管等情況威脅管線安全時(shí)，壓力傳感器能夠迅速反映。另外，在平穩(wěn)狀態(tài)下，壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不是一條直線，而是存在微小波動(dòng)的，這是由于自動(dòng)化系統(tǒng)帶來(lái)的效應(yīng)以及管線安裝有排氣進(jìn)氣閥等共同作用的結(jié)果。若是管線中存在微小的泄漏，在壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輕微波動(dòng)中也有所反映。因此分析壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的微小波動(dòng)，有助于分析輸水系統(tǒng)中排氣進(jìn)氣閥的工作規(guī)律或微小泄漏的變化。已有許多方法能夠針對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析從而判斷泄漏，例如：小波變換法[1]、時(shí)域—頻域分析法[2]。然而這些方法運(yùn)用過(guò)程中容易將壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中能夠反映輸水系統(tǒng)的某些組件工作狀態(tài)(如：進(jìn)氣閥、出氣閥工作狀態(tài)發(fā)生變化[3])的信息丟失，這對(duì)于進(jìn)一步分析輸水系統(tǒng)的性質(zhì)是不利的。

本文將對(duì)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用數(shù)學(xué)擬合方法，擬合其波動(dòng)形式，并對(duì)其周期參數(shù)進(jìn)行分析，從而得到最優(yōu)的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合方案，為分析長(zhǎng)距離輸水管線的水力特性提供理論基礎(chǔ)。

1 壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)處理方法的提出

長(zhǎng)距離輸水工程中往往設(shè)有穩(wěn)壓塔，用以降低靜水壓線，保證管線壓力在工作壓力之內(nèi)，并將密閉長(zhǎng)輸水管線分割成若干個(gè)水力控制單元。穩(wěn)壓塔的壓力變化較其他水利設(shè)施較為平穩(wěn)。本文以穩(wěn)壓塔的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(以高程顯示)為分析對(duì)象進(jìn)行研究。

同一時(shí)間段，壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間不同，所呈現(xiàn)的波形不一樣。壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)若是以1min為采集間隔，所采集的波形表現(xiàn)為無(wú)規(guī)律的上下浮動(dòng)[4]，圖1(a)為穩(wěn)壓塔的高程變化數(shù)據(jù)，以1min為采集間隔，比較雜亂；若是以1s為采集間隔，所采集的波形比較有規(guī)律，見(jiàn)圖1(b)，同樣的起始時(shí)間段中，以1s為采集間隔。為充分利用數(shù)據(jù)間的波動(dòng)形式，本文將以1s為間隔的高程數(shù)據(jù)為對(duì)象進(jìn)行研究。

圖1 穩(wěn)壓塔高程變化中不同間隔時(shí)間的比較

高程波動(dòng)形式，本文采用數(shù)學(xué)擬合的方法進(jìn)行分析。圖1(b)所示波動(dòng)接近正弦波動(dòng)，給出正弦波動(dòng)擬合方程：

(1)

式中h(t)——t時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的高程，m；

A、B、C——擬合參數(shù)，A、B單位為m，C為角度參數(shù)；

T——該波動(dòng)的周期，s。

采用數(shù)學(xué)擬合的方法將參數(shù)A、B、C量化，以便為分析長(zhǎng)距離輸水管線的水力特性提供理論基礎(chǔ)。

圖1(b)中，在高程隨時(shí)間變化過(guò)程中，正弦波形存在微小的浮動(dòng)，這些微小的浮動(dòng)形成噪音，它們是由自動(dòng)化系統(tǒng)電氣特性造成的。

2 工程實(shí)例

以大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程中一穩(wěn)壓塔的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，圖1的波動(dòng)過(guò)程為該穩(wěn)壓塔高程數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化過(guò)程，時(shí)間間隔為1s，下文將對(duì)該段波動(dòng)進(jìn)行擬合。利用式(1)對(duì)圖1的波動(dòng)進(jìn)行擬合，T=261s。擬合得到的參數(shù)中A=58.276m，B=-0.045m，C=1.866。圖2給出擬合情況，擬合可決系數(shù)為0.674。

圖2 該穩(wěn)壓塔的高程波形的擬合過(guò)程(T=261s)

其殘差見(jiàn)圖3，最大在0.07m以內(nèi)，即偏差最大不過(guò)0.1%，是可以接受的。從圖3中可以看出，殘差出現(xiàn)較大的地方(如：當(dāng)時(shí)間t=47s時(shí)，殘差-0.0593m；當(dāng)t=213s時(shí)，殘差-0.0618m)，都為圖1中高程偏離較大的地方，可見(jiàn)這些偏差并非由于本文計(jì)算方法帶來(lái)的，而是自動(dòng)化系統(tǒng)采集時(shí)因電氣效應(yīng)引起的，若將其刪除則有失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并不合理。

圖3 T=261s情況下的殘差

3 分 析

利用式(1)進(jìn)行擬合時(shí)，周期T的確定是個(gè)難點(diǎn)。圖4～圖7給出周期分別為240s、250s、260s、265s時(shí)的擬合情況。下頁(yè)表給出不同周期T的情況下詳細(xì)擬合參數(shù)。圖8給出不同周期T的情況下可決系數(shù)變化情況，從圖中可看出周期T越接近261s，擬合過(guò)程的可決系數(shù)越大。結(jié)合下頁(yè)表和圖8分析表明當(dāng)T=261s時(shí)，擬合可決系數(shù)最高，該組參數(shù)最能適應(yīng)該穩(wěn)壓塔在此時(shí)段中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)。

圖4 當(dāng)T=240s時(shí)該穩(wěn)壓塔的高程波形的擬合過(guò)程

圖5 當(dāng)T=250s時(shí)該穩(wěn)壓塔的高程波形的擬合過(guò)程

圖6 當(dāng)T=260s時(shí)該穩(wěn)壓塔的高程波形的擬合過(guò)程

圖7 當(dāng)T=265s時(shí)該穩(wěn)壓塔的高程波形的擬合過(guò)程

不同周期T的情況下的詳細(xì)擬合參數(shù)表

周期T/s擬合參數(shù)A/mB/mC可決系數(shù)最大殘差(絕對(duì)值)/m24058.2788-0.04451.5660.662000.065324558.2781-0.04471.6460.667070.063625058.2776-0.04481.7200.670590.062026058.2762-0.04511.8540.673800.068226158.2761-0.04511.8660.673880.061826258.2760-0.04511.8790.673930.069526558.2756-0.04521.9140.673880.071527058.2749-0.04531.9710.673190.0747

圖8 不同周期下的可決系數(shù)比較

4 結(jié) 語(yǔ)

為探索長(zhǎng)距離輸水管線水利設(shè)施壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在穩(wěn)定狀態(tài)下的變化規(guī)律，本文以大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程中一穩(wěn)壓塔為例，采用數(shù)學(xué)擬合方法分析其高程的波動(dòng)形態(tài)，得出以下結(jié)論：

a.高程隨時(shí)間變化的過(guò)程曲線，若以1s為采集間隔則能呈現(xiàn)一定的波動(dòng)規(guī)律，而非毫無(wú)波動(dòng)規(guī)律。

b.該穩(wěn)壓塔的高程數(shù)據(jù)采用正弦波公式擬合，可得到可決系數(shù)較高的參數(shù)，其殘差較大的地方均為數(shù)據(jù)本身偏離較大的地方，系為自動(dòng)化采集時(shí)，因電氣效應(yīng)引起的。

c.該穩(wěn)壓塔的高程變化采用正弦波公式擬合時(shí)，周期T的確定是個(gè)難點(diǎn)，本文針對(duì)不同周期T情況下比較擬合效果，結(jié)果表明當(dāng)周期T為261s時(shí)的擬合參數(shù)能得到最合適的正弦波形，為分析長(zhǎng)距離輸水管線的水力特性提供有力的理論基礎(chǔ)。

[1] 李劍平,趙喜萍.小波分析在輸水管道滲漏檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),2006,8(37):101-103.

[2] 郭新蕾,楊開(kāi)林.管道泄漏檢測(cè)的水力瞬變?nèi)l域數(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(10):1264-1271.

[3] 范建強(qiáng).有壓密閉輸水工程排氣性能研究與分析[J].水利建設(shè)與管理,2016,36(1):20-22.

[4] 李鳳濱.長(zhǎng)距離輸水管道滲漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理研究[J].水利建設(shè)與管理,2015(12):58-62.

Research on pressure monitoring data processing of long-distance water conveyance pipeline

HUANG Weijun

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110166,China)

The pressure monitoring data should be analyzed in order to understand the operation state of water transmission facilities on long-distance water conveyance pipelines and guarantee the operation safety of the project. In the paper, the voltage stabilizing tower is adopted as an example for fitting elevation data thereof. The results show that: ? the elevation process curve changing with time can display certain fluctuation rule when the collection interval is 1s; ? elevation data is fit with sine wave formula, obtaining parameters with higher coefficient of determination, thereby providing forcible theoretical foundation for analyzing the hydraulic characteristics of long-distance wate conveyance pipelines.

long-distance water conveyance pipeline; operation security; voltage stabilizing tower; monitoring data analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.021

TV672+.2

A

1005-4774(2017)03- 0081- 04