高校配水管道漏水檢測(cè)及對(duì)策研究

張軍，謝雨欣，邢培振

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

管道漏損在高校后勤建設(shè)中時(shí)有發(fā)生，該問(wèn)題一定程度上影響后勤信息化發(fā)展。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)漏損檢測(cè)及定位算法等方法研究管道漏損發(fā)生的原因及修復(fù)辦法，例如：Fatih Kayaalp 等提出根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)使用多標(biāo)簽學(xué)習(xí)方法來(lái)進(jìn)行側(cè)漏的檢測(cè)和定位。Tom Nrgaard Jensen 等提出通過(guò)建立管網(wǎng)模型，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型及敏感性分析進(jìn)行漏損點(diǎn)定位，但該方法建立的模型擴(kuò)展性弱、模型復(fù)雜性強(qiáng)。王通等提出通過(guò)施加激勵(lì)信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行漏點(diǎn)定位，但該方法實(shí)際應(yīng)用難度較大。王洪超等提出運(yùn)用負(fù)壓波進(jìn)行側(cè)漏檢測(cè)，該方法具有靈敏度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其面對(duì)復(fù)雜情況時(shí)漏損誤判率較高。

結(jié)合以上研究進(jìn)展，文章結(jié)合流量平衡、負(fù)壓波原理，發(fā)揮管道輸水特點(diǎn)，提出了一種漏損判斷及定位方法。該方法一方面提高流量平衡檢測(cè)水閥開(kāi)合、水泵啟停的誤判能力；另一方面發(fā)揮負(fù)壓波能快速、精準(zhǔn)定位漏損點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

2 流量平衡漏檢原理

流量平衡漏損判斷的原理為一根密閉的管道，由于沒(méi)有漏損點(diǎn)，因此管道出入口的流量值相等，若管道中出現(xiàn)漏損點(diǎn)，則管道的出口流量一定小于入口流量。但在實(shí)際供水過(guò)程中，存在一個(gè)差值Δδ（t）使得管道入口的流量值并不完全等于出口流量值。其中Δδ（t）的公式如下：

式中：δi（t）：管道入口流量值（m3）；δo（t）：管道出口流量值（m3）；Δδ（t）：管道流量差值（m3）。

當(dāng)供水管道無(wú)漏損點(diǎn)時(shí)，流量閾值ε的值為管道出入口流量最大差值的絕對(duì)值，即：ε=|Δmaxδ（t）|。

通過(guò)以上計(jì)算公式，在保障管道無(wú)其他障礙信息的前提下，得出管道出入口流量差Δδ′與流量閾值ε的關(guān)系如下：

Δδ′＞ε管道發(fā)生側(cè)漏；Δδ′＜ε管道未發(fā)生側(cè)漏。

3 負(fù)壓波漏損點(diǎn)定位原理

3.1 負(fù)壓波產(chǎn)生機(jī)理

隨著供水管道發(fā)生泄漏事故，該場(chǎng)景下造成管內(nèi)水壓大于管外，水能迅速?gòu)男孤c(diǎn)流失，從而造成泄漏點(diǎn)處壓力急劇下降。同時(shí)供水具有流動(dòng)性且管道泄漏點(diǎn)處存在內(nèi)外水壓差，因此泄漏點(diǎn)附近的水流會(huì)向泄漏點(diǎn)的位置補(bǔ)充，泄漏點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向管道兩端傳播的負(fù)壓波。若管道發(fā)生漏損，則在管道漏損點(diǎn)位置會(huì)產(chǎn)生壓降ΔP。

式中：ΔP：管道壓力變化值；ρ：水的密度（1×103kg/m3）；g：重力加速度（9.8 m/s2）；v：負(fù)壓波在管道的傳播速度（m/s）；vi：無(wú)漏損時(shí)管內(nèi)水的流速（m/s）；vl：發(fā)生泄漏時(shí)管內(nèi)水的流速（m/s）。

3.2 定位供水系統(tǒng)漏損點(diǎn)

校園供水系統(tǒng)的漏損點(diǎn)定位原理如圖1所示。

圖1 校園供水系統(tǒng)工況分析圖

A、B分別為安裝在管道兩端的水壓傳感器，待測(cè)管道的總長(zhǎng)度為X；X1、X2為漏損點(diǎn)距離管道入口與出口的距離；vl為發(fā)生泄漏事故時(shí)管內(nèi)水的流速；v為負(fù)壓波沿管線的傳播速度，Δt（Δt=t1-t2）為負(fù)壓波傳播到管道出入口兩端傳感器的時(shí)間差。

負(fù)壓波的傳播速度受管道壁厚和管道內(nèi)物體等多方面影響，負(fù)壓波沿管線的傳播速度v為：

式中：v管內(nèi)負(fù)壓波的傳播速度；K為液體的體積彈性系數(shù)，液體的彈性模量（水的為1.962×109Pa）；ρ為液體的密度；E為管材的彈性系數(shù)；D為管道的直徑；e為管壁厚度；C1為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。

3.3 配水漏點(diǎn)定位算法流程

研究計(jì)劃設(shè)置一種管道側(cè)漏定位算法，包括存儲(chǔ)模塊、計(jì)算模塊、判斷模塊和報(bào)警模塊。

存儲(chǔ)模塊包括第一傳感器和第二傳感器，存儲(chǔ)負(fù)壓波信號(hào)和應(yīng)力波信號(hào)。按預(yù)設(shè)距離設(shè)置在管道上的，用于將負(fù)壓波信號(hào)傳至存儲(chǔ)模塊的第一傳感器；根據(jù)預(yù)設(shè)距離，將應(yīng)力波信號(hào)傳至存儲(chǔ)模塊的第二傳感器。

計(jì)算模塊用于根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)計(jì)算管道上泄漏點(diǎn)第一位置，以及根據(jù)應(yīng)力波信號(hào)計(jì)算管道上泄漏點(diǎn)第二位置。

其中管道上泄漏點(diǎn)第一位置的計(jì)算公式如下：

式中：d為泄漏點(diǎn)距一第一傳感器的距離；L為傳感器間長(zhǎng)度；v為負(fù)壓波傳播速度；Δt為負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)傳播到兩第一傳感器的時(shí)間差，Δt=t1-t2。

管道上泄漏點(diǎn)第二位置的計(jì)算公式如下：

式中：l為泄漏點(diǎn)距一第二傳感器的距離；L為相鄰兩第二傳感器間長(zhǎng)度；c為應(yīng)力波傳播速度；ΔT為應(yīng)力波從泄漏點(diǎn)傳播到兩第二傳感器的時(shí)間差，ΔT=T1-T2。

判斷模塊用于判定兩個(gè)位置的差值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

當(dāng)兩個(gè)位置的差值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，報(bào)警模塊輸出第一報(bào)警信號(hào)；當(dāng)兩個(gè)位置的差值未在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，輸出第二位置報(bào)警信號(hào)。

判斷和報(bào)警模塊操作步驟如下：

根據(jù)計(jì)算模塊計(jì)算所述第一位置與所述第二位置的差值X，其中，X=|l-d|。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究

采用上述漏點(diǎn)定位方法對(duì)校園某供水管道進(jìn)行仿真分析。將采集的數(shù)據(jù)在MATLAB R2016a軟件環(huán)境下進(jìn)行漏點(diǎn)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差計(jì)算如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差表

由表1可知：

泄漏量小于4%時(shí)，由于傳感器靈敏度不夠，造成噪聲干擾比較大，相對(duì)定位誤差較大。因此這種情況檢測(cè)結(jié)果不一定準(zhǔn)確，無(wú)法判斷出管道是否發(fā)生泄漏。

當(dāng)泄漏量＞4%時(shí)，此時(shí)相對(duì)定位誤差值＜6%，隨著泄漏量變大，精度隨之提高，但精度有上限值，不會(huì)隨著泄漏量增加而不斷提高。

4.1 定位誤差分析

由公式（6）可知，定位誤差受時(shí)間差Δt以及負(fù)壓波波速v影響。

負(fù)壓波波速計(jì)算誤差：

公式（5）表明計(jì)算負(fù)壓波波速時(shí)，管道內(nèi)的傳輸速度受流體彈性系數(shù)、液體密度、管道的彈性模量以及管徑的尺寸影響因素大。在計(jì)算負(fù)壓波波速時(shí)，從表中選擇的數(shù)據(jù)與實(shí)際值存在一定的誤差，造成定位誤差。

壓力響應(yīng)時(shí)間差：

當(dāng)配水管道發(fā)生泄漏事故時(shí)，安裝在管道兩端的壓力傳感器的特性差異也會(huì)造成誤差，因此實(shí)際中應(yīng)采用同一類型的壓力變送器。時(shí)間差可以通過(guò)負(fù)壓波從首端傳到末端的時(shí)間t1以及從末端傳輸?shù)绞锥说臅r(shí)間t2之差得到。

假設(shè)首站端泄漏而產(chǎn)生負(fù)壓波，傳輸?shù)侥┱径?，則計(jì)算時(shí)間t1、t2為：

若泄漏點(diǎn)發(fā)生在末端，負(fù)壓波傳輸?shù)绞锥耍瑒t計(jì)算時(shí)間t1、t2為：

兩個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值：

若壓力變送器響應(yīng)時(shí)間不存在誤差，則Δts=0。若Δts≠0，則壓力變送器的響應(yīng)時(shí)間為首端產(chǎn)生的負(fù)壓波傳輸?shù)侥┒说臅r(shí)間和末端產(chǎn)生的負(fù)壓波傳輸?shù)绞锥说臅r(shí)間之間差值的一半，即：

Δt1為負(fù)壓波從首端傳輸?shù)侥┒说臅r(shí)間差，Δt2為負(fù)壓波從末端傳輸?shù)绞锥说臅r(shí)間差。

5 總結(jié)

研究提供的管道泄漏定位系統(tǒng)，按預(yù)設(shè)距離設(shè)置在管道上設(shè)置第一傳感器與第二傳感器，第一傳感器用于獲取預(yù)設(shè)距離間的負(fù)壓波，第二傳感器用于獲取預(yù)設(shè)距離之間的應(yīng)力波；計(jì)算模塊根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)計(jì)算管道上泄漏點(diǎn)第一位置，根據(jù)應(yīng)力波信號(hào)計(jì)算管道上泄漏點(diǎn)第二位置；當(dāng)?shù)谝晃恢门c第二位置的差值是處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，不僅能夠準(zhǔn)確確定該預(yù)設(shè)距離內(nèi)出現(xiàn)泄漏點(diǎn)，避免誤報(bào)，也能夠縮小泄漏點(diǎn)的范圍，實(shí)現(xiàn)精確定位。