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，管道由于反復發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。通過在管道關鍵位置（正常設計是每800～1 000 m 設置一個安裝點）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，結合供水管道材質、管齡、管徑等參數，基于現場存在的壓力瞬變強度和數量，評估管網的爆管風險，并展示危險管線的區域。接收的壓力數據，通過特殊的算法，通過事前預測，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、安裝水錘抑制設備或其他相關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，實現供水管道的預防性維護，延長管道壽命。

2 基本原理

監測系統平臺可實現基于負壓波法的管道泄漏監測與定位，設計指標監測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域；同時驗證過渡過程的理論計算和水錘防護設施，并指導運行人員科學安全操作。當長距離輸水管道發生泄漏爆管事件時，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，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（含有GIS 系統的數據），把具體位置呈現給用戶，用戶可以根據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

監測傳感器安裝位置周邊（約300～500 m）跑冒滴漏的現象，實現微小漏水監測，系統通過頻譜分析功能實現報警。當輸水管道因各種原因造成微小的腐蝕破壞，或因材料內部的應力或外力作用在管道上產生材質破壞時，水在壓力管道的內外壓力差的作用下不停地向外泄漏，管道開始不停地產生漏損，造成嚴重的水資源的損失。因為漏損的存在，產生了不同的音頻，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，一般發生過程比較緩慢，不會產生劇烈的壓力瞬變現象。針對此現象，系統采用聲學技術分析來判斷小漏事件，通常能夠實現5 L/min 以上的微小漏損監測，系統軟件基于采集到的原水管內聲學數據，判斷是否具有泄漏，確定漏水的區域。軟件系統提供便捷的分析工具方便用戶分析判斷。軟件系統平臺還設有頻譜分析功能，并提供傅里葉變換后的強度-頻率圖；提供在線的相關性定位功能，提供分析操作界面及系統截圖。這樣才能迅速地查到細微漏損的實際位置，產生細微漏損時音頻的分析頻譜。

4 監測系統結構和功能

監測系統結構和功能如圖2 所示。

圖2 監測系統結構和功能圖

5 監測系統結構

1）現場硬件設備：

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）；響應時間≤1 ms；電壓為5V±0.5V；輸出信號為0～30mV/100 mV。

水聽器：響應頻率范圍為20 Hz～20 kHz；

直流電源2.2～5V；通信數據傳輸裝置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）監測分析平臺軟件：客戶端服務器安裝方式

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

5）供電冗余：RTU 本體需內置鋰電池和外部電源供電，互為備用。

5 軟件功能具體展示

設計安全監測系統以用戶友好界面應用基于地圖的GIS實際數據可視化和交互：采集到高頻壓力計和水聽器的數據，結合用戶管道參數和設備實際的地理位置進行計算和分析，并在地圖上進行展示。可提供用戶一個可視化的界面，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果，并會為用戶提供可交互式的、統一的數據報警列表界面，便于用戶直接查詢到壓力或漏損異常的實際位置。

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

圖3 不同時間分辨率顯示的壓力數據

圖4 高頻壓力數據（高頻數據64 Hz）

圖5 水聽器頻譜數據及音頻數據

用鼠標選中或者使用套索工具選中后，系統彈出被選中站點的數據查詢窗口，通過數據篩選器篩選出要查詢的數據類型（如壓力、聲吶、設備電壓等）、數據日期時間段、數據分辨率（壓力最高256 Hz）。

系統提供一個圖形化的數據展示工具，可以將篩選出來的數據以曲線圖、柱狀圖等方式進行展示，同一個數據展示窗口可以疊加多個數據類型的數據，從而便于分析人員對數據進行組合分析。數據圖形展示工具提供曲線拖動，數據分辨率選擇、查詢日期范圍選擇、圖形轉換等工具。

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中進行爆管位置定位。

6 系統對接

在線安全監測系統平臺通過發布圖層接口和WebService接口實現與其他系統的對接，提供數據分析結果、相關報警信息的數據共享。系統按照數據業務邏輯分為3 個層次：數據采集層、系統分析及發布層及系統集成層。

數據采集層：數據采集層將采用物聯網技術通過遠程終端設備RTU 通過在線儀表（高頻壓力儀、水聽儀等）采集數據，并通過（3G/4G）移動物聯網網絡將采集到的數據傳輸至在線安全監測系統平臺。

系統分析和發布層：系統分析和發布層的作用是將采集到的數據結合用戶管網數據（或GIS 系統提供數據）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果封裝成WebService 接口，實現系統與系統之間的交互。

可提供兩種數據輸出的方式（具體對接方式細節還需根據集成需求深入討論）：

1）URL：系統發布在線安全監測系統URL 地址，其他系統可直接調用地址，訪問在線安全監測系統平臺，包含統一認證功能。

2）WebService 接口：WebService 接口提供了其他系統調用報警信息、數據分析結果的訪問方式。系統可以通過該接口實時將報警信息推送至用戶相關業務系統，共享監控和分析數據。

7 結論

目前，此系統已經在嘉興市域外配水工程中得以應用，該工程是將優質原水（千島湖）配送給嘉興居民飲用的重大民生工程，嘉興節點到大橋節點段為主干管，中途配水至嘉興市區及五縣市各受水點水廠。主干道全長75 km，雙線設計，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。業主最終采用長距離輸水管線安全監測系統，126 套高頻壓力傳感器和水聽器設備，目前運行狀態良好，完全能實現四大功能：水錘監測、漏水報警及實時監測、排氣閥異常監測、管網風險評估。