管網故障水力瞬變檢測實驗系統研發

郭新蕾，馬慧敏，王 濤，付 輝，黃 偉，李甲振

（中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

管道漏損及阻塞是供水管網或壓力輸水管道常見的故障，由此引發的管網跑、冒、滴、漏以及加壓泵站能量損耗一直是全球供水行業的熱點問題［1］。管道漏損及阻塞的原因有自然因素，如管道老化、阻塞、磨損、斷裂、供水壓力過高或突變、基坑不均勻沉降等，也有人為因素，如施工質量差、管線設計不當、用戶私自打孔外接管線等。對亞洲28個城市和地區的漏損率現狀調研表明，各城市的漏損率現狀與經濟發展水平基本匹配，其中以東京（日本）為最優（約3%），加爾各答（印度）相對較差（高達60%）［2］。中國近年城市供水管網平均產銷差也達17.9%，遠低于我國《水污染防治行動計劃》提出的供水管網漏損率控制在10%以內的要求［3］。因此，開展管道輸水工程及城市供水管網故障預警、監測和定位理論及方法的研究，既符合我國節水型社會建設的迫切需要，也具有重大的社會經濟和現實意義。

國際上管道漏損、阻塞檢測方法可分為兩類:直接檢測法和間接檢測法。前者主要是基于硬件設備，從監測和預警的角度研究，通過分析事先安裝在管道沿線上的硬件設備檢測到的數據，判斷泄漏發生的位置，該方法主要包括人工在線觀察或巡查、聲學方法［4］、物理化學方法［5］、光纖檢漏法［6］等。后者是一種實時的動態檢測方法［7-8］，利用數據采集系統獲得管道沿線的流體壓力、流量、溫度等參數，根據參數的變化，通過仿真軟件實現對管道的泄漏檢測和定位，主要基于壓力波法［9］、壓力梯度法［10］、流量或質量平衡法、管道實時模型法等。瞬變檢測法屬于管道實時模型法的一種，是正在發展的一種檢測技術，也是目前國內外管道漏失、堵塞檢測的一個熱點和前沿［11］。國外Mpesha［12］、Shamloo［13］、Ferrante［14］、Vitkovsky［15］、Lee［16］等，國內楊開林［17］、白莉［18］、王通［19］、伍悅濱［20］、劉志勇［21］等學者研究了與之相關的基于瞬變流數學模型時域頻域檢測方法，研究表明無論是時域還是頻域，瞬變檢測在處理小泄漏孔泄漏或者局部阻塞有其獨特的優勢。

近年來，為了提升供水行業漏損或故障檢測能力和技術管理水平，國內外各大水司均在大力發展智慧水務。智慧管網作為智慧水務重要的組成部分，核心之一在于構建管網SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統并與管網實時水力模型、大數據分析模型相結合，進而基于軟、硬件開展管網信息采集、感知、管理和故障的監測、預警、定位及智能決策。在具體應用上述檢測方法之前，首要的關鍵基礎工作是開展水力模型和物理仿真模型的校驗測試，之后才能推廣到實際工程。然而，目前國內外在管網系統和模型相結合開展管道漏損的檢測和控制方面還存在以下不足。（1）由于管網恒定流、非恒定流模型參數的不確定性和模型本身假設常常出現模擬結果和實際監測數據誤差較大的問題，此時需要通過系列的物理模型校驗來提高水力模型的精確性并在之后應用相應的檢測技術。而在這方面，國內外尚缺乏系統性的故障辨識和診斷實驗平臺來支撐二者的校驗和驗證相應的水力模型。（2）現有常規檢測方法和裝置一般針對單一故障或單管，而實際輸水系統或者管網受壓力調控，當局部管段壓力過高或者受磨蝕、磨損、震動等影響，有時甚至會出現兩處甚至多處同時泄漏，這種情況一般的恒定流檢測方法常常失效，而多點故障所引起的瞬變壓力信號的衰減和畸變規律又跟單一故障或單管大不相同。顯然，針對多點泄漏或阻塞，有必要發展新的檢測方法和技術。再者，與管道泄漏相似，管道阻塞也將改變管道內流體的水力特性，它所引起的水頭損失一般是阻塞物尺寸和平均流量的函數，從這點來看，阻塞對水流的作用可等效為管道系統中有一未完全關閉的閥門或者一根較短的細管［22］。在這方面，國內目前也缺乏管道局部阻塞方面的檢測基礎理論和方法，更沒有兼顧泄漏、阻塞一體化模擬的檢測實驗平臺。

為解決上述問題，本文基于瞬變流檢測方法，研發一種能夠兼顧模擬不同及多個泄漏孔、局部阻塞在內的管網故障檢測實驗平臺系統，用于水力建模的校驗測試和故障檢測，并提出相應的故障辨識方法。

2 管網故障水力瞬變檢測實驗平臺

2.1 實驗平臺構成該實驗平臺由常規供水水箱、簡單管網、管網故障模擬裝置、新型低強度瞬變流激發器、實驗控制SCADA系統、變速泵系統等組成。供水水箱長×寬×高=2m×2m×6m，內置平水柵及液位變送器，主要功能是模擬調水工程、市政供水管網水庫或上游不同供水壓力和流量；管道故障模擬裝置由不同尺寸泄漏的圓形、方形縫隙孔以及模擬管道阻塞的閘板閥或細管組成；新型低強度瞬變流激發器可放置在管路末端，通過控制閥或消火栓與管道系統連接，用于制造壓力可控的瞬變水擊壓力波，產生流量突變。

水力實驗平臺物理模型如圖1所示。實驗管道為DN100 mm的鍍鋅鋼管，主管路環繞型鋪設，全長246.74 m，管壁厚度4.0 mm，管道中部人為制造兩個泄漏孔，本例兩個泄漏孔距離上游水箱分別為61.71 m，185.03 m，通過閥門和電磁流量計控制泄漏量；管道中部設有三通，為小型管網預留出接口；管道出口接尾水池。全程可設多個典型測壓點（本例設置P1—P8共8個），預留多個臨時測壓點（本例設置F1—F13共13個），進水閥、出水閥、兩個泄漏孔附近設置測壓點重點監測，一般測壓點可暫時沿主管線全程平均布置；上游水箱及下游尾水池安裝液位變送器監測水位。實驗平臺管網信息采集監測點布置見圖2，部分采集終端設備及典型參數如表1所示。

圖1 水力實驗平臺物理模型

表1 本例部分采集終端設備及典型參數

圖2 實驗控制SCADA系統界面示意

2.2 實驗控制SCADA系統管網SCADA系統是獲得管網靜態、動態信息的監測和控制系統。本文以RSView32組態軟件為基礎研發該監測控制系統。研發的SCADA系統主要操作界面如圖2所示，包括圖形化的管網拓撲結構、采集終端、各控制區域對應的位置以及控制參數的輸入，各采集區域對應的位置及采集數據實時顯示以及監控曲線、報表展示等。

研發的實驗平臺SCADA系統結構如圖3所示。其中，上位機主要控制水泵、閥門、激發器等部件的操作，同時顯示各儀表實時監測數據。PLC負責接受計算機命令，將控制信號輸出到相應的變頻器、水泵、伺服電機驅動器等，儀表采集到的監測數據經處理上傳給上位機。變速泵系統包括變頻器、水泵、流量計等，流量數據由電磁流量計實時量測，上位機再根據這一數據反饋調節變頻器的工作頻率，使得實驗過程中的流量穩定在設定值或按照一定的規則變化。平臺中設置閥門控制系統，用于模擬閥門的操作，該系統包括驅動器、螺桿升降機、位移傳感器等組件，驅動器接受PLC的信號并發出命令控制螺桿升降機的升降，進而控制閥門操作，位移傳感器則提供閥門的實時開度值以及運動速度，確保閥門運動過程和設定值一致，可以給定恒定的閥門啟閉速度或者給定算法來控制系統中閥門的操作。

圖3 實驗平臺SCADA系統結構

管網信息數據采集存儲是故障檢測的基礎，主要包括壓力、流量及液位的數據采集、傳輸和存儲。采集終端采集到的電流信號，通過信號線傳輸到PLC控制柜，轉化為數字信號，或者通過GPRS傳輸到服務器，存儲在SQL Server數據庫中，既可導入導出，也可以實時顯示。后期類似Epanet、InfoWorks-WS、Mike Net或者自開發的管網恒定流、非恒定流軟件可選取本系統數據庫中任意時段的數據進行模擬分析，進而通過比對完成相關水力模型的校驗和參數率定工作。本系統還研發了管道故障診斷及報警功能，當管道系統某一位置發生類似爆管故障，其監測的相鄰壓力計壓差超過某一閾值時，系統將發送故障預警，待確認故障后解除。該實驗平臺不僅可實現設備的控制，而且具備數據實時采集、展示和查詢、監測數據初步判斷和故障甄別等功能，且工控軟件支持二次開發，為后期功能擴展提供基礎。

2.3 低強度瞬變流激發器管網故障的瞬變檢測法中，國內外通常利用管道末端閥門迅速全關或全開產生流量脈沖或等幅正弦周期擾動或方波擾動［23］，但是這種方式在設計運行中存在以下問題:（1）對于管網供水系統，由于各種管材耐壓不同，閥門快速關閉激勵的壓力太大容易引發水錘問題，有增大發生爆管風險的可能，因此這種瞬變流激發方法可靠性不高；（2）利用管道末端閥門小開度迅速全關或全開產生流量脈沖在運行中不容易控制。雖然減小閥門開度后管道流量減小，再利用閥門的快速全開或全關激發的瞬變流壓力相對大開度降低不少，但閥門小開度流量系數不易確定，而且需要測定閥門關閉規律，即閥門開度與流量系數的關系；（3）當管道閥門完全關閉時間很短，則閥門流量的變化可以用脈沖函數表示，但當閥門關閉較緩慢時（手動快速關閉一般關閥時間也在0.2s左右），閥門流量的變化過程曲線形狀對管道中水力瞬變有很大影響，不能用脈沖函數描述閥門流量的變化，在此情況下，流量變化過程對水力瞬變有較大影響，必須考慮。

為解決上述問題，研制一種新的可控式低強度瞬變流激發裝置來取代常規的閥門激勵。該裝置包括圓柱形蓄能器空氣罐、磁致伸縮式液位計、壓力表、出水管和控制球閥、支座，其結構如圖4所示。實際操作方案是:手動快速開啟管道末端控制球閥，高壓水體沿著出水細管進入待測管道產生流量突變，由于管道流量突然改變，短時間內將激發出一個水擊激勵波，得到類似于傳統閥門快速關閉產生水擊壓力波的相同效果，且激發產生的流量變化相對檢測管道來說較小。該方法得到的水擊壓力波最大壓力值可控，一般可考慮控制為小于原管道管網壓力的30%，不會對管道本身產生較大影響，克服了傳統關閥易造成水錘波動過大和不易控制的不足。

對于管道末端邊界條件，傳統的閥門關閉被低強度瞬變流激發器Δt瞬間開啟產生的流量代替，壓縮空氣體積增大導致空氣罐內水體液位下降，由連續方程可得，激發器激發的瞬時流量為:

式中:Va0為蓄能器空氣罐的初始體積；Va1為開閥后經過Δt時間空氣罐的末了體積。

通過激發器出水細管的流量為:

式中:Cd為出水管球閥綜合流量系數；Ag為出水細管斷面面積；ha,t為空氣罐總壓力；hv,t為管道閥門接口（出水管與待測管道接口）的壓力；g為重力加速度。需要指出，流量公式應對應使用閥前、后壓力（閥的過流壓差），這里ha,t是空氣罐和閥門連接處總壓力，即空氣罐頂部壓力與內部水體壓力之和（前者靠壓力表讀取，后者靠磁致伸縮式液位計讀?。．斂紤]到細管較短，細管位置以上水頭相比空氣罐頂部壓力是一小量情況下，也可直接用空氣罐壓力代替。

激勵產生的水擊波最大值為:

式中:a為水擊波速；A為待測管道的直徑。

設球閥在0時刻，快速開啟后再經過時間t，空氣罐內水位下降值為ΔZ，則有:

式中:H為初始時刻空氣罐水位；Ht為末了時刻空氣罐水位；Dv為空氣罐直徑。其中H、Ht為磁致伸縮式液位計實測數值。

由上面的分析可知，激發器瞬時激發的水擊最大壓力值與出水管直徑、流量系數、空氣罐初始體積等有關，這也是激發器的關鍵設計參數，包括:（1）激發器整體高度H0；（2）激發器直徑Dv；（3）激發器初始體積即內部水位高度H；（4）出水細管直徑d0。

上述典型參數的敏感性選型分析如圖5所示，其中待檢測輸水系統管路參數是:管徑0.1 m，管長200 m，波速400 m/s，粗糙度0.01 mm，上游水箱壓力10 m，蓄能器空氣罐注入50 m的壓縮空氣。計算研究發現:在其它參數不變時，蓄能器直徑越大，激發出的第一個水擊波越平緩；出水細管直徑相對越大，激發壓力幅值越大；球閥開啟時間越短，水擊波越不平滑，更有利于檢測識別。優化后的激發器部件尺寸以H0=1.1～1.3 m；Dv=300～500 mm，H=0.8～1.1 m；d0=4～8 mm為宜。

圖4 低強度管道瞬變流激發器剖面

圖5 低強度管道瞬變流激發器典型參數敏感性計算分析

3 管網故障檢測方法

3.1 模型及方法管內充分發展流動過程的瞬變流數學模型可以用動量方程和連續方程表示［24］:

式中:H為壓頭；x為沿管道中心線方向的距離；V為管道平均流速；t為時間；g為重力加速度；JS為穩態摩阻；JU為非恒定摩阻；a為水擊波速；α為管道傾角。穩態摩阻可表示為:

式中:D為管道直徑；f為Darcy-Weisbach摩阻系數，與表面粗糙度有關［25］。

關于管道非恒定摩阻，各學者提出了不同的模型［26］，如:CB模型，IAB模型，MIAB模型。其中，MIAB模型不適應閥門突然開啟的情況，IAB、CB模型均適用于下游閥門的關閉情況，但后者計算量大，程序設計不易。常用的IAB模型表達式為［27］:

式中:k3為Brunone系數，可寫為其中Re為雷諾數。

管道系統故障位置和大小直接影響著管道的系統特性，當在管路末端激勵瞬變流時，會造成瞬變水擊波每一個波峰、波谷處的不連續，波形上不同間斷點的位置反映了某一個故障的位置。于是，可根據管道閥門前水擊壓力波畸變處表達的特征信息來進行管道故障的定位和辨識。如用首相壓力波法檢測，考慮到非恒定摩阻項JU僅僅影響首相壓力波之后的衰減和畸變，可忽略該項，最終利用泄漏定位公式辨識；如采用故障檢測瞬變反問題分析法［28］，則需要考慮水力瞬變中非恒定摩阻的影響，將泄漏參數反映在建立的瞬變流時域或頻域數學模型中，或以實測和計算時頻域幅值的均方誤差為目標函數結合相應的尋優算法確定故障參數。

3.2 定位公式對于如圖6所示的輸水管道系統布置，假設管道全長L，上游水箱初始水位為H0，管道的初始流量為Q0，主管路故障為泄漏。

圖6 輸水管網系統布置圖

圖7表示了當管路末端激發瞬變流后壓力波的傳播過程。上游水箱和下游閥門的初始狀態分別對應A、B點，C為瞬態壓力波第一次到泄漏點處，D點為形成的負壓波反射回閥門處。由管道水擊理論，在無摩擦的情況下，瞬變壓力波將無衰減的從激發處向上游傳遞，當壓力波到達泄漏點時，泄漏量會因內外壓差的增大而增大，管內部泄漏點處的壓力會因泄漏量增大而相應減小，產生一個負壓波，此負壓波會向管道末端閥門處反射，類似與無泄漏時壓力波到達水庫后的反射。負壓波傳播到泄漏點處的時間與泄漏點的位置的關系為［29］:

圖7 閥門關閉后瞬態壓力波的傳播過程

式中:x為下游激勵位置至泄漏點的距離；t0為瞬變產生的時刻；t1為第一個水擊波波形間斷點發生的時刻。

根據水力瞬變檢測原理和方法，由如圖8所示水擊波的壓力形態導出主管路上3點泄漏大?。–dAg）1、（CdAg）2、（CdAg）3與水擊波幅值之間的一組關系式［29］:

式中:B=a/（gA）；H1、H2、H3分別為時刻t1、t2、t3間斷點位置出現的時刻所對應的水擊壓力值；（CdAg）1、（CdAg）2、（CdAg）3為反映各點泄漏孔大小的量。

從上式可以看出，只要準確獲得第一個水擊波的衰減形態過程，即獲得t1、t2、t3的間斷點位置出現的時刻和H1、H2、H3、H4的值，那么利用首相壓力波法的定位公式（10）和（11）即可完成泄漏檢測，該法對管道內部流動機理及其后的衰減過程并不要求準確模擬，只需在激發器與管路連接位置前設置一個壓力傳感器，且需要采集的數據量較小。

3.3 管網故障實驗檢測步驟第一步進行初始穩態流調節，控制上下游水箱水位，使之滿足相應的管網上下游壓力，可調節模擬有無故障狀態的泄漏孔、阻塞孔；第二步進行管網靜態參數率定，即通過量測實測值率定出數學模型中的關鍵參數，如糙率、孔口水頭損失系數、閥門流量開度曲線等；第三步操作瞬變流激發器激發瞬變流，首先充入一定體積的水進入激發器空氣罐，然后利用充氣泵打入氮氣等氣體，獲得壓縮空氣壓力值；第四步管網故障水力瞬變檢測，快速打開激發器球閥，使得較高壓水體沿著出水口進入待檢測管道或管網，產生流量突變，激勵出低強度的瞬變流，同步利用SCADA系統采集分析各測點的壓力、流量、上下游水位、閥門開度過程，捕捉典型測壓點的壓力瞬變過程，最后利用上述檢測方法辨識故障參數。

3.4 激發效果模擬及泄漏檢測針對本實驗平臺，設計3種泄漏工況和1種阻塞工況。通過接入的SCADA系統和恒定流模型率定出管路參數，得到該管路綜合糙率為0.0076。本例管路基本參數如表2。其中激發器中蓄能器空氣罐直徑300 mm，高度1.2 m，空氣罐內初始水位0.8 m，蓄能器壓入P=30 m的壓縮空氣，此時壓力表讀數為0.3 MPa。出水管管長1 m，管徑6 mm，當量粗糙度0.01 mm，球閥在t0=0.2 s時刻經過0.05 s全開制造流量擾動，激勵出低強度的瞬變流。

圖8 不同泄漏參數（多點泄漏）水擊第一個壓力波衰減形態

表2 基本參數

實際故障工況如下:

泄漏工況1:泄漏孔直徑5 mm，即CdAg/A=0.16%，泄漏位置距離上游水箱185.03 m，穩態泄漏量0.1 L/s；

泄漏工況2:泄漏孔直徑5 mm，泄漏位置距離上游水箱61.71 m，穩態泄漏量0.1 L/s；

泄漏工況3:兩個泄漏孔，泄漏孔直徑均為5 mm，第一個泄漏位置距離上游水箱61.71 m，穩態泄漏量0.1 L/s，第二個泄漏位置距離上游水箱185.03 m，穩態泄漏量0.1 L/s；

阻塞工況4:局部阻塞，阻塞位置距離上游水箱61.71 m，阻塞長度0.5 m，這里利用直徑30 mm、長度0.5 m的管道模擬。

通過瞬變流激發器激發后，可獲得以上4種工況下的閥前壓力過程，如圖9所示。

圖9 管路系統有無阻塞故障時閥前壓力過程

表3 故障檢測結果

如采用上述泄漏定位公式進行故障檢測及定位，檢測結果如表3所示?？偟膩碚f，各工況定位距離較準確，與實際故障位置的偏差不超過1 m。這表明，上述實驗平臺不僅可實現可控式瞬變水擊波的激發，而且可用來開展模型校驗和故障的檢測定位，也初步驗證了檢測方法的有效性。

4 結論

研發了基于瞬變流模型方法的管網故障檢測實驗平臺系統，該系統具有以下特色:（1）SCADA系統的引入實現了水位、流量、壓力和閥門激勵動作等計算機自動控制以及實時監測和采集；（2）系統中瞬變流激發器裝置可取代傳統閥門，產生閥門關閉激發水擊波的類似效果，克服了傳統關閥易成壓力水錘波動過大和不易控制的缺點；（3）該系統可應用于管網水力模型（包括恒定流模型、非恒定流模型）和物理仿真模型的參數率定、校驗，初步具備支撐管網SCADA系統、管網實時水力模型、管網故障辨識數學模型三者耦合驗證的能力。

針對本實驗平臺，利用提出的故障檢測方法，設計了3種泄漏工況和1種阻塞工況進行激發效果模擬及泄漏檢測。算例表明上述實驗平臺不僅實現了可控式瞬變水擊波的激發，而且可用來開展故障的檢測和定位，定位精度較高，驗證了檢測方法的有效性。

本實驗平臺系統作為管網水力建模的模型校驗和測試平臺，拓展了管網實驗室漏失控制模擬和檢測的思路，為支撐和推廣實用化的智慧供水管網及故障檢測技術研究提供了手段。需要指出，實驗平臺還存在穩態模型和瞬態模型設備采集頻率不統一，管網拓撲結構單一的不足，此外，復雜拓撲結構管網及其規模對低強度瞬變水擊波的影響等也有待進一步研究。