基于流量壓力法的艦船管網(wǎng)系統(tǒng)泄露判定模擬驗(yàn)證

張軒1，馮超，閻瀚章3，喬瑜

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.湖南理工學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006)

大型艦船往往分布體積龐大而復(fù)雜的液體管網(wǎng)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外以往對(duì)于管道泄露檢測(cè)已有多種方法，尤其針對(duì)輸油管道、輸氣管道、城市管網(wǎng)系統(tǒng)等，其檢測(cè)方法包括內(nèi)外壁檢測(cè)法、直接/間接檢測(cè)法、管壁狀態(tài)監(jiān)測(cè)法、管內(nèi)流動(dòng)監(jiān)測(cè)法等[1-3]。以上方法并不能直接應(yīng)用于艦船作業(yè)環(huán)境。例如，較為常用的如外壁檢測(cè)法，即通過(guò)人工定期巡視完成，檢測(cè)過(guò)程盲目費(fèi)工，同時(shí)有些遮蔽、隱蔽管路不便直接觀(guān)察；遙感檢測(cè)[4]、光纖檢測(cè)[5]、聲發(fā)射檢測(cè)[6]、探球漏磁檢測(cè)等通過(guò)鋪設(shè)新型儀器設(shè)備或傳感材料實(shí)現(xiàn)管道泄露檢測(cè)的方法，由于艦船管道的布局復(fù)雜而應(yīng)用成本高昂，同時(shí)檢測(cè)信號(hào)易受到外部(如機(jī)艙)噪音的嚴(yán)重干擾[7]。管道系統(tǒng)泄露還可以通過(guò)采集分析管道的實(shí)時(shí)流量、壓力信號(hào)的方法得出，包括流量平衡法、壓力點(diǎn)分析法、壓力梯度法等[8]。通過(guò)在艦船管網(wǎng)關(guān)鍵部位分布流量、壓力傳感器即可實(shí)現(xiàn)泄露情況監(jiān)測(cè)及泄漏點(diǎn)的判斷，同時(shí)兼顧管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性的連續(xù)監(jiān)測(cè)功能。因此，大型管網(wǎng)系統(tǒng)的泄露快速定位方法的選擇還需結(jié)合管網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用需求情況進(jìn)行設(shè)定。為此，以某艦船冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)為例，通過(guò)軟件模擬分析，對(duì)基于流量、壓力監(jiān)測(cè)的管網(wǎng)泄露定位方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 方法

1.1 管網(wǎng)系統(tǒng)介紹

泄露快速定位方法研究針對(duì)的是某艦船水力管網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的管路連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，在供回水管路關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)做了數(shù)字標(biāo)號(hào)(如“1”點(diǎn)指的是泵組供水端與供水干路的連接點(diǎn)，“1’”點(diǎn)指的是泵組回水端與回水干路的連接點(diǎn)，“3”點(diǎn)指的是分水器上游管段與設(shè)備1上游管段與供水干路的連接點(diǎn)，“管段3-4”即為連接點(diǎn)3處與分水器之間的連接管段，下文標(biāo)號(hào)使用方法類(lèi)同)。

圖1 某艦船水力管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

如圖1所示，液體通過(guò)泵組實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在供水端通過(guò)板式換熱器實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)后，分別進(jìn)入設(shè)備1—8，繼而通過(guò)回水管路回到水泵；設(shè)備1為單獨(dú)支路，設(shè)備2—8經(jīng)由分集水器連通后，設(shè)備2為單獨(dú)支路，設(shè)備3—5共用一條并聯(lián)支路，設(shè)備6—8共用一條并聯(lián)支路；系統(tǒng)靠近泵回水端的干路設(shè)置定壓補(bǔ)水裝置以確保水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)由泵組到各設(shè)備的連接管路泄露情況及泄露點(diǎn)的判定。泄露前，系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí)水力特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)各節(jié)點(diǎn)處水力特性參數(shù)

1.2 泄露判定原理

1.2.1 流量平衡法

管網(wǎng)正常運(yùn)行過(guò)程，管段的供回兩端流量應(yīng)保持不變；當(dāng)某處出現(xiàn)泄露點(diǎn)時(shí)，其上下游/供回兩端流量發(fā)生變化，上游(供水端)流量變大，下游(回水端)流量變小。假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)某支路供水端流量為Q1，回水端流量為Q2，則有流量差值變化比為

(1)

當(dāng)η=0時(shí)，管道液體正常流動(dòng)，未發(fā)生泄露；當(dāng)η>0時(shí)，管道發(fā)生泄露。由于大型管網(wǎng)涉及眾多閥門(mén)、設(shè)備等連接部位，難免出現(xiàn)滲漏、滴漏等對(duì)實(shí)際系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生微小影響的情況，因此，參考《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》常用供熱管網(wǎng)事故補(bǔ)水率設(shè)定建議，設(shè)定η>5%時(shí)，該管段發(fā)生泄露。

1.2.2 壓力波動(dòng)法

管網(wǎng)正常運(yùn)行過(guò)程，如無(wú)其他操作，管網(wǎng)各處壓力處于定值、且高于大氣壓；當(dāng)某處出現(xiàn)泄漏點(diǎn)時(shí)，其附近液體壓力下降，距離泄漏點(diǎn)越近的點(diǎn)下降幅度越大。對(duì)于某點(diǎn)處壓力，正常運(yùn)行時(shí)壓力值為P1，其附近出現(xiàn)泄漏點(diǎn)后，其壓力變?yōu)镻2，則有

(2)

1.3 模擬

Flowmaster是著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件，常用于流體管道系統(tǒng)模擬的相關(guān)研究。Flowmaster元器件庫(kù)中提供了豐富的元件，公開(kāi)的數(shù)學(xué)模型便于二次開(kāi)發(fā)修正。基于Flowmaster軟件自帶元件參數(shù)建立模型，設(shè)定泄露情況并進(jìn)行模擬研究。模擬泄露位置及泄漏量(占正常流量的比例)情況見(jiàn)表2。需要說(shuō)明的是，為了簡(jiǎn)化模擬研究，模擬管網(wǎng)設(shè)定比實(shí)際管網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化許多：①默認(rèn)所有管段均為直管連接，各節(jié)點(diǎn)間管段沿程阻力系數(shù)相同；②忽略閥門(mén)阻力特性，對(duì)帶入系統(tǒng)的參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化；③所有流量、壓力測(cè)點(diǎn)均參考實(shí)際情況，位于水泵及各設(shè)備供回接入點(diǎn)處，正常運(yùn)行水力參數(shù)為實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)。借用該管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但關(guān)注重點(diǎn)為泄露定位方法驗(yàn)證，因此，以上簡(jiǎn)化不會(huì)影響模擬分析結(jié)論。

表2 模擬泄露位置及泄漏量參數(shù)情況描述

2 結(jié)果與分析

2.1 流量平衡法驗(yàn)證

設(shè)備3和管段16-17中點(diǎn)發(fā)生3種不同泄漏量情況下系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的流量、壓力變化見(jiàn)表3、4。

從表3可知，當(dāng)泄露點(diǎn)位于設(shè)備3內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.3時(shí)，水泵供液流量上升1.37%，供回液流量差變化比率為4.44%，設(shè)備3供液流量上升15.67%，供回液流量差變化比率為18.10%，其他設(shè)備供回液流量一致呈下降趨勢(shì)且供回液流量差為0。

當(dāng)泄露點(diǎn)位于設(shè)備3內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.6時(shí)，水泵供液流量上升3.63%，供回液流量差變化比率為12.12%，設(shè)備3供液流量上升43.02%，供回液流量差變化比率為40.85%，其他設(shè)備供回液流量一致呈下降趨勢(shì)且供回液流量差為0。

當(dāng)泄露點(diǎn)位于設(shè)備3內(nèi)、泄露量參數(shù)為0.9時(shí)，水泵供液流量上升8.64%，流量差變化比率為31.99%，設(shè)備3供液流量上升112.35%，流量差變化比率為76.12%，其他設(shè)備供回液流量一致呈下降趨勢(shì)且供回液流量差為0。

表3 設(shè)備3發(fā)生泄露時(shí)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)流量壓力情況

表4 管段16-17中點(diǎn)發(fā)生泄露時(shí)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)流量壓力情況

從表4可知，當(dāng)泄露點(diǎn)位于管段16-17內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.3時(shí)，水泵供液流量上升1.36%，供回液流量差變化比率為4.41%，管段16-17供液流量上升13.89%，供回液流量差變化比率為18.44%，其他設(shè)備供回液流量一致呈下降趨勢(shì)且供回液流量差為0。

當(dāng)泄露點(diǎn)位于管段16-17內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.6時(shí)，水泵供液流量上升3.47%，供回液流量差變化比率為11.69%，管段16-17內(nèi)供液流量上升19.36%，供回液流量差變化比率為41.85%，其他設(shè)備供回液流量一致呈下降趨勢(shì)且供回液流量差為0。

當(dāng)泄露點(diǎn)位于管段16-17內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.9時(shí)，水泵供液流量上升7.29%，供回液流量差變化比率為28.43%，管段16-17內(nèi)供液流量上升30.49%，供回液流量差變化比率為80.89%，其他設(shè)備供回液流量一致呈下降趨勢(shì)且供回液流量差為0。

以上模擬結(jié)果說(shuō)明：①當(dāng)設(shè)備或某管段內(nèi)出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄露設(shè)備的供液端流量顯著上升，回液端流量顯著下降，水泵及泄露設(shè)備的供回液流量差值變化比率>0；②當(dāng)泄露量由正常流量的0.3升到0.9時(shí)，泄露設(shè)備或管段供液端流量升幅逐漸增大，回液端流量下降幅度逐漸增大，水泵及泄露設(shè)備/管段的供回液流量差值變化比率逐漸增大；③5%可以作為各設(shè)備/管段的流量差值變化比率的閾值用于判斷設(shè)備/管段泄露的發(fā)生。

2.2 壓力波動(dòng)法驗(yàn)證

從表3可知，當(dāng)泄露點(diǎn)位于設(shè)備3內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.3時(shí)，系統(tǒng)各處供回壓力均呈下降趨勢(shì)，設(shè)備3供液壓力變化量最大，其幅度為-7.94%，其次是設(shè)備4(-7.48%)和設(shè)備5(-6.89%)；當(dāng)泄露點(diǎn)位于設(shè)備3內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.6時(shí)，系統(tǒng)各處供回壓力均呈下降趨勢(shì)，設(shè)備3供液壓力變化量最大，其幅度為-22.04%，其次是設(shè)備4(-20.67%)和設(shè)備5(-19.06%)；當(dāng)泄露點(diǎn)位于設(shè)備3內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.9時(shí)，系統(tǒng)各處供回壓力均呈下降趨勢(shì)，設(shè)備3供液壓力變化量最大，其幅度為-57.66%，其次是設(shè)備4(-53.48%)和設(shè)備5(-49.51%)。

從表4可知，當(dāng)泄露點(diǎn)位于管段16-17內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.3時(shí)，系統(tǒng)各處供回壓力均呈下降趨勢(shì)，設(shè)備6供液壓力變化量最大，其幅度為-10.45%，其次是設(shè)備7(-4.14%)和設(shè)備8(-3.71%)；當(dāng)泄露點(diǎn)位于管段16-17內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.6時(shí)，系統(tǒng)各處供回壓力均呈下降趨勢(shì)，設(shè)備6供液壓力變化量最大，其幅度為-28.57%,其次是設(shè)備7(-10.76%)和設(shè)備8(-9.70%)；當(dāng)泄露點(diǎn)位于管段16-17內(nèi)、且泄露量參數(shù)為0.9時(shí)，系統(tǒng)各處供回壓力均呈下降趨勢(shì)，設(shè)備6供液壓力變化量最大，其幅度為-67.76%，其次是設(shè)備7(-23.43%)和設(shè)備8(-21.46%)。

以上模擬結(jié)果說(shuō)明：①管網(wǎng)系統(tǒng)里壓力非操作變化導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降表明泄露的發(fā)生；②泄漏點(diǎn)附近壓力測(cè)點(diǎn)壓降幅度最大，其次是同支路測(cè)點(diǎn)；③隨著泄露量的提升，壓降幅度變大；④由于壓力與管徑、流量、管路結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此無(wú)法確定準(zhǔn)確的判定閾值；⑤由于設(shè)備間連接管段無(wú)壓力測(cè)點(diǎn)，因此無(wú)法作為管段發(fā)生泄露的判據(jù)。

3 結(jié)論

1)針對(duì)研究的管網(wǎng)系統(tǒng)，流量平衡法既可作為設(shè)備發(fā)生泄露的判斷依據(jù)，也可作為干路、支路管段發(fā)生泄露的判定依據(jù)，而壓力波動(dòng)法無(wú)法用于干路、支路管段發(fā)生泄露的判斷。

2)供回液流量差值變化比率η>5%作為某設(shè)備或某管段發(fā)生泄露的判定依據(jù)是有效的，從而實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)在設(shè)備還是某管段處的判定依據(jù)，而壓力與管徑、流量、管路結(jié)構(gòu)相關(guān)，無(wú)法設(shè)定準(zhǔn)確的判定閾值。

3)泄漏點(diǎn)附近壓力變化幅度最大，通過(guò)增加管段壓力測(cè)點(diǎn)有助于判定管段泄露具體位置。