高頻壓力計和水聽器在長距離輸水管線中的運用

施凡榮

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200000）

1 引言

管道破裂或失效的主要原因是管道的惡化條件隨著時間的推移進一步加深，管道由于反復(fù)發(fā)生的壓力瞬變以及腐蝕而不斷遭受破壞。壓力瞬變可造成埋管、管配件和管附件產(chǎn)生小得看不見的裂紋，甚至會造成嚴重的管道破裂。通過在管道關(guān)鍵位置（正常設(shè)計是每800～1 000 m 設(shè)置一個安裝點）安裝高頻壓力傳感器（64～256 Hz 可選）和水聽儀的監(jiān)測，采集壓力瞬變信號和實時的音頻信號。通過安裝在管道上的多個壓力傳感器進行壓力瞬變（水錘）分析，結(jié)合供水管道材質(zhì)、管齡、管徑等參數(shù)，基于現(xiàn)場存在的壓力瞬變強度和數(shù)量，評估管網(wǎng)的爆管風險，并展示危險管線的區(qū)域。接收的壓力數(shù)據(jù)，通過特殊的算法，通過事前預(yù)測，事中定位和事后分析，以采取進一步的解決措施，這些措施對于確保通過閥門平緩操作、安裝水錘抑制設(shè)備或其他相關(guān)方式緩解這種具有破壞力的瞬變是極其重要的，能避免管路故障，實現(xiàn)供水管道的預(yù)防性維護，延長管道壽命。

2 基本原理

監(jiān)測系統(tǒng)平臺可實現(xiàn)基于負壓波法的管道泄漏監(jiān)測與定位，設(shè)計指標監(jiān)測4 L/s 以上的爆管漏損事件。識別和展示壓力瞬變水錘事件（施工、閥門操作、水泵啟停、排泥沖洗等），及時報警管理人員，定位瞬變源的位置或區(qū)域；同時驗證過渡過程的理論計算和水錘防護設(shè)施，并指導(dǎo)運行人員科學安全操作。當長距離輸水管道發(fā)生泄漏爆管事件時，由于瞬間壓力管道的變化造成壓力的內(nèi)外不平衡，特別是泄漏點壓力突然猛烈下降瞬間形成負壓波，負壓波向上延展、往下游方向進行快速傳播，并迅速衰減下來，通過在管道上安裝的高頻壓力計非常靈敏地捕捉瞬時的壓力參數(shù)，計算出瞬間壓降，通過軟件編制的算法自動判斷是否存在爆管。根據(jù)負壓波的傳遞速度、傳遞的路徑和到達兩端高頻壓力計的時間差，可以非常精確地計算出泄漏點的位置，并通過軟件系統(tǒng)（含有GIS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)），把具體位置呈現(xiàn)給用戶，用戶可以根據(jù)界面的圖示位置迅速找到爆管的位置。

通過時間差斷定爆管發(fā)生位置如圖1 所示。

圖1 爆管的定位圖

3 細微漏損——水聽器（聲吶）技術(shù)

監(jiān)測傳感器安裝位置周邊（約300～500 m）跑冒滴漏的現(xiàn)象，實現(xiàn)微小漏水監(jiān)測，系統(tǒng)通過頻譜分析功能實現(xiàn)報警。當輸水管道因各種原因造成微小的腐蝕破壞，或因材料內(nèi)部的應(yīng)力或外力作用在管道上產(chǎn)生材質(zhì)破壞時，水在壓力管道的內(nèi)外壓力差的作用下不停地向外泄漏，管道開始不停地產(chǎn)生漏損，造成嚴重的水資源的損失。因為漏損的存在，產(chǎn)生了不同的音頻，音頻通過管道的傳輸形成聲波，水聽器通過捕捉聲波的是否異常，分析具體漏點，這就是細微漏失，一般發(fā)生過程比較緩慢，不會產(chǎn)生劇烈的壓力瞬變現(xiàn)象。針對此現(xiàn)象，系統(tǒng)采用聲學技術(shù)分析來判斷小漏事件，通常能夠?qū)崿F(xiàn)5 L/min 以上的微小漏損監(jiān)測，系統(tǒng)軟件基于采集到的原水管內(nèi)聲學數(shù)據(jù)，判斷是否具有泄漏，確定漏水的區(qū)域。軟件系統(tǒng)提供便捷的分析工具方便用戶分析判斷。軟件系統(tǒng)平臺還設(shè)有頻譜分析功能，并提供傅里葉變換后的強度-頻率圖；提供在線的相關(guān)性定位功能，提供分析操作界面及系統(tǒng)截圖。這樣才能迅速地查到細微漏損的實際位置，產(chǎn)生細微漏損時音頻的分析頻譜。

4 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能圖

5 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）現(xiàn)場硬件設(shè)備：

高頻壓力傳感器：采樣頻率為64 Hz/128 Hz/256 Hz；實際量程為0～2 068.5 kPa（0～300 psia）；精度≤0.1%FS（FS 表示滿量程）；響應(yīng)時間≤1 ms；電壓為5V±0.5V；輸出信號為0～30mV/100 mV。

水聽器：響應(yīng)頻率范圍為20 Hz～20 kHz；

直流電源2.2～5V；通信數(shù)據(jù)傳輸裝置RTU；

GSM（3G/4G）和同步授時時鐘天線；

不銹鋼控制箱及電源附件。

2）通信方式：3G/4G 無線通信。

3）監(jiān)測分析平臺軟件：客戶端服務(wù)器安裝方式

4）電源：太陽能電源供電，帶有鋰電池，容量需滿足現(xiàn)場傳感器和RTU 傳輸裝置沒有日照20 d 情況，繼續(xù)保持正常工作。

5）供電冗余：RTU 本體需內(nèi)置鋰電池和外部電源供電，互為備用。

5 軟件功能具體展示

設(shè)計安全監(jiān)測系統(tǒng)以用戶友好界面應(yīng)用基于地圖的GIS實際數(shù)據(jù)可視化和交互：采集到高頻壓力計和水聽器的數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶管道參數(shù)和設(shè)備實際的地理位置進行計算和分析，并在地圖上進行展示?？商峁┯脩粢粋€可視化的界面，用于查看高頻壓力計和水聽器的位置信息、長距離輸水管線的布置和走向圖和其他軟件的分析結(jié)果，并會為用戶提供可交互式的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報警列表界面，便于用戶直接查詢到壓力或漏損異常的實際位置。

能進行歷史數(shù)據(jù)的查詢與分析：通過多種展現(xiàn)方式展示高頻壓力采集來的數(shù)據(jù)（見圖3），如按照不同的時間分辨率顯示壓力數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能如圖4 所示，可以查詢水聽器頻譜數(shù)據(jù)展示及音頻數(shù)據(jù)展示（見圖5）。

圖3 不同時間分辨率顯示的壓力數(shù)據(jù)

圖4 高頻壓力數(shù)據(jù)（高頻數(shù)據(jù)64 Hz）

圖5 水聽器頻譜數(shù)據(jù)及音頻數(shù)據(jù)

用鼠標選中或者使用套索工具選中后，系統(tǒng)彈出被選中站點的數(shù)據(jù)查詢窗口，通過數(shù)據(jù)篩選器篩選出要查詢的數(shù)據(jù)類型（如壓力、聲吶、設(shè)備電壓等）、數(shù)據(jù)日期時間段、數(shù)據(jù)分辨率（壓力最高256 Hz）。

系統(tǒng)提供一個圖形化的數(shù)據(jù)展示工具，可以將篩選出來的數(shù)據(jù)以曲線圖、柱狀圖等方式進行展示，同一個數(shù)據(jù)展示窗口可以疊加多個數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，從而便于分析人員對數(shù)據(jù)進行組合分析。數(shù)據(jù)圖形展示工具提供曲線拖動，數(shù)據(jù)分辨率選擇、查詢?nèi)掌诜秶x擇、圖形轉(zhuǎn)換等工具。

報警信息查看，并可疊加受影響站點壓力信號，通過定位功能在系統(tǒng)中進行爆管位置定位。

6 系統(tǒng)對接

在線安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺通過發(fā)布圖層接口和WebService接口實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的對接，提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果、相關(guān)報警信息的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯分為3 個層次：數(shù)據(jù)采集層、系統(tǒng)分析及發(fā)布層及系統(tǒng)集成層。

數(shù)據(jù)采集層：數(shù)據(jù)采集層將采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過遠程終端設(shè)備RTU 通過在線儀表（高頻壓力儀、水聽儀等）采集數(shù)據(jù)，并通過（3G/4G）移動物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至在線安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺。

系統(tǒng)分析和發(fā)布層：系統(tǒng)分析和發(fā)布層的作用是將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合用戶管網(wǎng)數(shù)據(jù)（或GIS 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)）進行計算和分析并在地圖上進行展示。同時，將報警信息或壓力瞬變分析結(jié)果封裝成WebService 接口，實現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交互。

可提供兩種數(shù)據(jù)輸出的方式（具體對接方式細節(jié)還需根據(jù)集成需求深入討論）：

1）URL：系統(tǒng)發(fā)布在線安全監(jiān)測系統(tǒng)URL 地址，其他系統(tǒng)可直接調(diào)用地址，訪問在線安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺，包含統(tǒng)一認證功能。

2）WebService 接口：WebService 接口提供了其他系統(tǒng)調(diào)用報警信息、數(shù)據(jù)分析結(jié)果的訪問方式。系統(tǒng)可以通過該接口實時將報警信息推送至用戶相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，共享監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)。

7 結(jié)論

目前，此系統(tǒng)已經(jīng)在嘉興市域外配水工程中得以應(yīng)用，該工程是將優(yōu)質(zhì)原水（千島湖）配送給嘉興居民飲用的重大民生工程，嘉興節(jié)點到大橋節(jié)點段為主干管，中途配水至嘉興市區(qū)及五縣市各受水點水廠。主干道全長75 km，雙線設(shè)計，口徑DN1 800～DN2 200 mm 不等，主體鋼管連接處球墨鑄鐵，運行壓力約0.4 MPa，運行最高壓力可達1 MPa，管道起伏較頻繁。業(yè)主最終采用長距離輸水管線安全監(jiān)測系統(tǒng)，126 套高頻壓力傳感器和水聽器設(shè)備，目前運行狀態(tài)良好，完全能實現(xiàn)四大功能：水錘監(jiān)測、漏水報警及實時監(jiān)測、排氣閥異常監(jiān)測、管網(wǎng)風險評估。