冬奧賽區(qū)承壓管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

王占英 顏景潤(rùn)* 郝云鋒 馮 旭 馬冬梅

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000;2.張家口市特種設(shè)備智慧監(jiān)測(cè)運(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

0 前 言

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展、京張聯(lián)合舉辦冬奧會(huì)，張家口作為冬奧舉辦城市對(duì)賽區(qū)的供水承壓管網(wǎng)的安全、高效的監(jiān)測(cè)提出的更高的要求.

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M冬奧管網(wǎng)，旨在及時(shí)找到漏損點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)漏損點(diǎn)的準(zhǔn)確定位.

實(shí)驗(yàn)室建立物理模型.設(shè)置管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)，及時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壓力、流量、流速和流向等實(shí)際情況.對(duì)漏水點(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報(bào)警，為管網(wǎng)檢漏及管線改造提供技術(shù)依據(jù).

基于研究，制定的實(shí)驗(yàn)物理模型實(shí)物圖如圖1，2，3.

圖1 恒壓供水控制系統(tǒng)

圖2 壓力管道試驗(yàn)平臺(tái)

圖3 壓力管道聲發(fā)射定位試驗(yàn)平臺(tái)

1 傳統(tǒng)壓力、流量監(jiān)測(cè)

通過(guò)管道中設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，在管道的出口和進(jìn)口處加裝壓力變送器和流量變送器.通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)處的水壓值、流量信號(hào)監(jiān)測(cè)出某一管段存在泄露點(diǎn).當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生泄漏時(shí)，出口壓力下降，流量少量上升.進(jìn)口壓力、流量都有所下降.

通過(guò)該壓力、流量聯(lián)合監(jiān)測(cè)方法判斷是否發(fā)生泄漏，只能得到某一管段的泄露，無(wú)法準(zhǔn)確定位，差生很大的偏差.

本文在傳動(dòng)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，將聲發(fā)射和基于絕緣電阻的銅線信號(hào)線同時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn).進(jìn)而建立一套管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng).

2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，可以有效地探測(cè)到被測(cè)物本身具備的能量信息.在實(shí)際的承壓管道聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量中，聲發(fā)射傳感器檢測(cè)到的信號(hào)屬于次聲波信號(hào).當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏的一瞬間，聲發(fā)射信號(hào)會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)檢測(cè)到的應(yīng)力波超出規(guī)定數(shù)值范圍時(shí)，就可以判斷管道發(fā)生泄露情況.

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，聲信號(hào)沿管壁傳播到傳感器位置，使聲發(fā)射傳感器表面產(chǎn)生位移，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器將信號(hào)放大，放大后的信號(hào)傳輸?shù)铰暟l(fā)射信號(hào)采集器中，信號(hào)采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理最終將信號(hào)呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上.

為模擬壓力管道內(nèi)水流從泄漏點(diǎn)噴出發(fā)聲，并帶動(dòng)周?chē)橘|(zhì)振動(dòng)的情況，我們建立了冬奧賽區(qū)供水管網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室模型，采用聲發(fā)射傳感器采集聲頻信號(hào)并進(jìn)行處理與分析.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由恒壓供水罐與數(shù)根圓管組成.如圖3.通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)處，聲發(fā)射傳感器使用磁吸附夾具固定在管道特定位置，傳感器的位置根據(jù)泄漏點(diǎn)的不同可以作出響應(yīng)調(diào)整.傳感器通過(guò)外置放大器與聲發(fā)射采集器相連并由其供電，計(jì)算機(jī)將采集到的泄漏點(diǎn)的聲波信號(hào)與各項(xiàng)參數(shù)在屏幕中顯示，以便進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理與分析.通過(guò)采集不同節(jié)點(diǎn)及條件下的泄漏聲波信號(hào)，分析泄漏聲信號(hào)時(shí)域和頻域特征，可以得到泄漏處聲信號(hào)特征與管道泄漏條件(如漏損孔徑、周?chē)橘|(zhì)、管內(nèi)流量、有無(wú)管道附件)的關(guān)系.

通過(guò)人機(jī)交互界面，在電腦中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄露點(diǎn)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采集.獲得漏水點(diǎn)的信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和簡(jiǎn)單處理分析.如圖4.

圖4 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)人機(jī)交互界面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該檢測(cè)系統(tǒng)能夠詳細(xì)提供供水系統(tǒng)的聲發(fā)射信息分布情況,對(duì)漏水點(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報(bào)警,克服了以往聲發(fā)射傳感器在采集信號(hào)過(guò)程中的衰減和無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)谋锥?

3 基于絕緣電阻的銅線信號(hào)線管道泄漏監(jiān)測(cè)

銅線監(jiān)測(cè)對(duì)漏損點(diǎn)的敏感性無(wú)與倫比.

(1)原理

通過(guò)檢測(cè)保溫層中銅線與工作管之間的絕緣電阻、泄漏電壓來(lái)判斷保溫層的潮濕或浸水情況，通過(guò)獲得的絕緣電阻和泄露電壓以及環(huán)路電阻等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出狀態(tài)判斷.圖5.

(2)系統(tǒng)構(gòu)成

主要功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，就是管道泄漏信息的采集.本實(shí)驗(yàn)采用TH2684絕緣電阻測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集.對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警查看、報(bào)警設(shè)置、趨勢(shì)分析和數(shù)據(jù)分析.通過(guò)通信系統(tǒng)給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合.

實(shí)驗(yàn)研究表明：對(duì)較小的潮濕點(diǎn)進(jìn)行定位，一個(gè)普通接頭一半長(zhǎng)度的保溫層潮濕即可發(fā)現(xiàn)和定位.當(dāng)被測(cè)報(bào)警線的長(zhǎng)度在1000m時(shí)，定位的精度在1m以?xún)?nèi).在潮濕并為造成短路的情況下，可以檢測(cè)到多個(gè)潮濕點(diǎn).

圖5 基于絕緣電阻的銅線信號(hào)線管道泄漏監(jiān)測(cè)原理

4 建立一套承壓管道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用MCGS組態(tài)建立承壓管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng).與聲發(fā)射系統(tǒng)、絕緣電阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，可以快速、方便的用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警.從而建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)、泄漏診斷系統(tǒng).