一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測裝置及方法與流程

本發明涉及管網系統漏損檢測技術，具體涉及一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測裝置及方法。

背景技術：

管道泄漏是管道輸送液體過程中一種普遍存在的現象，造成大量的資源損失、能量浪費和環境污染。管道漏損檢測主要研究管道輸水工程、輸配水管網、城市排水管網中泄漏預警、監測和快速準確定位的理論和方法，以及控制和降低管道泄漏損失或者產銷差的相關技術，為供排水管道的管理維護、高效穩定運行提供理論依據和技術參考。它是當前節水型社會建設的一個熱點需求，具有重大的社會經濟和現實意義。一直以來泄漏問題是油氣輸運、城鎮市政給排水領域關注的重點，近年我國興建了大量的長距離調水工程，尤其調水工程二期、三期的配套輸配水管網工程、農村安全飲水工程干支管網、大型灌區管網工程等，都迫切需要相應的泄漏監測裝置和控制理論方法進行技術支撐。

國內外都重視管道、管網漏失問題，多年積累的泄漏檢測技術大體上可分為直接檢測法和間接檢測法兩大類。前者主要是從監測和預警的角度研究，后者可歸結于基于傳感器、數據采集系統、仿真軟件為一體的檢測方法。水力瞬變檢測法是國內外管道泄漏檢測準確性、可靠性較高的一種方法，因為在瞬變條件下，即使微小的泄漏，管道的水壓波形也存在著明顯差別，與其它方法(如壓力梯度法、負壓波法等)相比，這一特點可以更準確的檢測出泄漏和更好的確定泄漏發生位置。

常見管道輸水系統的典型布置一般包括以下幾種：

(1)泵站到管道，再到調節池(或者出水池、調壓井、水庫)，然后在調節池后接明渠或者管道，如引黃入晉輸水工程，南水北調中線北京段有壓管涵輸水；

(2)調節池到管涵，再到調節池(或者保水堰)，然后在調節池后接明渠或者管涵，如南水北調中線天津段有壓管涵輸水系統；

(3)調節池(泵站)到管網，然后管網后接用戶，如一般的市政供水系統。

上述管道輸水系統的泄漏檢測模型可歸納為：水庫(調節池、泵站)到管道，再到閥門，這是目前國際上研究較多的概化物理模型，如圖1所示。雖然現有水力瞬變泄漏檢測法有很多優點，但卻存在以下問題：

(1)現有針對輸水系統的泄漏檢測一般檢測精度不太高。現代輸水系統管道口徑一般較大，從安全運行考慮，一般是中、低壓，如正在建設的南水北調中線南干渠工程，單管直徑4.7m，設計采用低壓管涵自流輸水方式；這種實際概況與目前水力瞬變泄漏檢測方法需要的條件不符，因為管道壓力越低，泄漏等引起的瞬變壓力波就越不容易捕獲，實測信號信噪比越低，尤其是當泄漏孔的直徑較小時，由于泄漏量較小，真實信號常被掩蓋在干擾信號下(比如環境噪聲等)，致使現有的水力瞬變泄漏檢測法失效。

(2)現有泄漏檢測方法和裝置無法多對泄漏孔的情況進行檢測。由于泄漏點的辨識和定位方法一般都是針對某一處泄漏的檢測，而實際輸水系統或者市政管網受壓力調控，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，且兩處泄漏所引起的瞬變水擊波的衰減和畸變規律又跟單孔泄漏大不相同，所以只針對一處泄漏的檢測方案不再適用。

(3)目前國內外研究提出的泄漏瞬變檢測法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、方波擾動，管道承受的水擊壓較大，不符合設計、要求，尋求一種新的類似閥門關閉產生瞬變流效果的激勵方式有待突破。尤其是大型管道工程，一般采用緩慢的閥門啟閉速度，以減小管道承受的水擊壓力，或者防止管道因瞬時壓力過低發生液體汽化現象，保證系統運行安全。

綜上所述，亟需一種針對多點泄漏、小泄漏孔的泄漏監測方案，實現對多點泄漏、小泄漏孔的精確測量，且不受限于實際設計、運行要求，能夠廣泛應用，可靠性高。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是設計一種針對多點泄漏、小泄漏孔的泄漏監測方案，實現對多點泄漏、小泄漏孔的精確測量，且不受限于實際設計、運行要求，能夠廣泛應用，安全性和可靠性高的問題。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是提供一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測方法，包括以下步驟：

步驟1、根據管道承壓能力，在被檢測管網系統的管道末端安裝瞬變激勵信號產生設備，在管道末端靠近端瞬變激勵信號產生設備處安裝單點壓力傳感單元，監測管道上游已知壓力位置與瞬變激勵信號產生設備之間的微小泄漏點；

步驟2、啟用瞬變激勵信號產生設備，產生短時激勵信號，單點壓力傳感單元同步采集瞬變壓力信號；

步驟3、分析瞬變壓力信號，對信號的首相壓力波的壓力突變點對應的時刻和降低幅值進行解析；

步驟4、根據首相壓力波的壓力突變點的個數，辨識泄漏點個數；依據每個壓力突變點對應的時刻和降低幅值計算每個泄漏點位置和泄漏參數。

在上述方法中，每個泄漏點位置確定公式為：tx-t0＝2x/a；

其中，t0為瞬變產生的時刻；tx為壓力波經泄漏點反射回激勵位置的時間；x為是各泄漏點到下游激勵位置的距離；a為水擊波速。

在上述方法中，泄漏參數的確定公式為：

其中，h1–h0為第一個升壓波壓力波峰與初始恒定壓力的差值，h0為初始時刻該點的壓力值；h1–h2為第一個壓力突變點的下降幅值；h2–h3為第二個壓力突變點的下降幅值；h3–h4為第三個壓力突變點的下降幅值；hn–hn+1為第n個壓力突變點的下降幅值；(cdag)1為第一個泄漏孔的大小；(cdag)2為第二個泄漏孔的大小；(cdag)3為第三個泄漏孔的大小；(cdag)n為第n個泄漏孔的大小；

a為水擊波速，g為重力加速度；a為管道過流面積。

本發名還提供了一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測裝置，包括：

瞬變激勵信號產生設備，安裝在被檢測管網系統管道末端，用于產生短時激勵信號；

單點壓力傳感單元，設置在管道末端靠近端瞬變激勵信號產生設備處，同步實時采集瞬變壓力信號；

數據分析計算單元，接收所述單點壓力傳感單元同步實時采集瞬變壓力信號；分析瞬變壓力信號，解析瞬變壓力信號的首相壓力波的壓力突變點對應的時刻和降低幅值，并根據首相壓力波的壓力突變點的個數，辨識泄漏點個數，依據每個壓力突變點對應的時刻和降低幅值計算每個泄漏點位置和泄漏參數。

在上述裝置中，

所述瞬變激勵信號產生設備為低強度瞬變流激發器或者末端激勵閥門；

所述單點壓力傳感單元采用高精度壓阻式壓力傳感器。

在上述裝置中，所述低強度瞬變流激發器包括：

蓄能器空氣罐，用于儲存壓縮空氣和水體；

磁致伸縮式液位計，設置在所述蓄能器空氣罐上，用于實時測量所述蓄能器空氣罐內水位降落幅度和速度；

壓力表，設置在所述蓄能器空氣罐頂部，用于實時測量所述蓄能器空氣罐空氣的壓力值；

出水管，一端與所述蓄能器空氣罐底部連接，另一端通過一個控制球閥與管網系統末端管道連接，通過快速開或關所述控制球閥為管網系統提供較高壓的水體，并產生低強度瞬變流。

在上述裝置中，所述磁致伸縮式液位計包括浮球、導桿和壓力顯示單元；

所述浮球套裝在由一定的磁致伸縮物質構成的所述導桿上，豎直設置在所述蓄能器空氣罐內部；

所述導桿下端固定在所述蓄能器空氣罐底部，上端穿出所述蓄能器空氣罐與所述壓力顯示單元固定連接；

水位上升或下降時，所述浮球隨其做相應運動，產生電磁脈沖，電磁脈沖沿所述導桿的波導絲傳到所述壓力顯示單元，所述壓力顯示單元根據電磁脈沖時間差計算液位值，并顯示。

在上述裝置中，所述由空氣蓄能器和壓力罐組成；

所述空氣蓄能器頂部設置所述壓力表，底部通過法蘭連接所述壓力罐頂部；

所述壓力罐上設有所述磁致伸縮式液位計，所述磁致伸縮式液位計的導桿豎直設置在所述壓力罐內部，所述導桿下端固定在所述壓力罐底部，上端穿出所述壓力罐與所述磁致伸縮式液位計的壓力顯示單元固定連接。

在上述裝置中，包括以下關鍵設計參數：

蓄能器空氣罐整體高度h0；

蓄能器空氣罐的直徑dv；

蓄能器空氣罐初始內部水位高度h；

出水管長度l0及直徑d0，反映到綜合流量系數為cdag。

在上述裝置中，所述關鍵參數的最佳取值范圍為：h0＝1.1-1.3m；dv＝300-500mm，h＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；l0＝1.0-1.5m。

本發明利用瞬變水擊的第一個壓力波的衰減和畸變規律跟單孔泄漏不同，進行多點、微小泄漏的辨識，簡單有效，定位公式也較其他方法易于理解；定位時僅需要關心壓力波第一次反射到管道末端處的信號，對于管道內部流動機理及其后的衰減過程并不要求了解，因此只需在閥門處設置一個壓力傳感裝置，需要采集的數據量小；同時本發明是基于瞬變流水擊波分析，因此檢測信號相對恒定流情況有所放大，且信噪比高，能克服傳統方法對于微小緩慢泄漏不能快速檢出的不足，而且避免了全時段上瞬變過程的模擬，無需模擬管道非恒定摩阻。

附圖說明

圖1為目前管道輸水系統的泄漏檢測模型示意圖；

圖2為本發明提供的一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測裝置的布置示意圖；

圖3為本發明中低強度瞬變流激發器的結構示意圖；

圖4為本發明中低強度瞬變流激發器為分體式的結構示意圖；

圖5為本發明提供的一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測方法的流程圖；

圖6為瞬變激勵信號產生設備關閉后為瞬態壓力波的傳播特征線；

圖7為不同泄漏參數(多點泄漏)時，瞬變水擊第一個壓力波衰減形態示意圖；

圖8為無泄漏工況時壓力傳感單元測量的壓力波形態圖；

圖9為有兩個泄漏孔泄漏工況時壓力傳感單元測量的壓力波形態圖。

具體實施方式

本發明應用于管道輸水系統(包括長距離管道輸水、市政供水管道)小泄漏孔、多點泄漏檢測的方案，僅依靠少量傳感信息便能快速準確定位管道輸水工程、輸配水管道發生多點泄漏的技術，尤其適用于多點且是微小泄漏孔的復雜情況。其中，本發明檢測對象是微小泄漏，對微小泄漏的人定義是：ag/a<0.5％，其中ag為泄漏孔面積，a為對應的管道過流面積。

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明做出詳細的說明。

如圖2所示，為本發明提供的一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測裝置的布置示意圖，本發明的一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測裝置包括：

瞬變激勵信號產生設備100，安裝在被檢測管網系統管道末端，用于產生短時激勵信號；

單點壓力傳感單元200，設置在管道末端靠近端瞬變激勵信號產生設備100處，同步實時采集瞬變壓力信號，在本發明中，單點壓力傳感單元200采用高精度壓阻式壓力傳感器；

數據分析計算單元，接收所述單點壓力傳感單元200同步實時采集瞬變壓力信號；分析瞬變壓力信號，解析瞬變壓力信號的首相壓力波的壓力突變點對應的時刻和降低幅值，并根據首相壓力波的壓力突變點的個數，辨識泄漏點個數，依據每個壓力突變點對應的時刻和降低幅值計算每個泄漏點位置和泄漏參數。

在本發明中，瞬變激勵信號產生設備為低強度瞬變流激發器或者管道末端的激勵閥門7(當被測輸水管道承壓能力高的時候采用)。其中，如圖3所示，低強度瞬變流激發器包括：

蓄能器空氣罐10，用于儲存壓縮空氣和水體，在本發明中，由于圓柱體受力好，且最常見，蓄能器空氣罐10一般為圓柱形。

磁致伸縮式液位計20，設置在蓄能器空氣罐10上，用于實時測量蓄能器空氣罐10內水位降落幅度和速度；其中，磁致伸縮式液位計20包括浮球21、導桿22和壓力顯示單元23，其中，浮球21套裝在由一定的磁致伸縮物質構成的導桿22上，豎直設置在蓄能器空氣罐10內部，導桿22下端固定在蓄能器空氣罐10底部，上端穿出蓄能器空氣罐10與顯示單元23固定連接；水位上升或下降時，浮球21隨其做相應運動，產生電磁脈沖，電磁脈沖沿導桿22的波導絲傳到壓力顯示單元23，壓力顯示單元23根據電磁脈沖時間差計算液位值，并顯示。

壓力表30，設置在蓄能器空氣罐10頂部，用于實時測量蓄能器空氣罐10空氣的壓力值，

出水管40，一端與蓄能器空氣罐10底部連接，另一端通過一個密封性好的控制球閥41與管網系統末端管道連接，通過開或關控制球閥41為管網系統提供較高壓的水體，并產生低強度瞬變流，在本發明中，出水管40的直徑要求較小，一般小于1cm。

本發明采用的低強度瞬變流激發器依靠流量突然變化產生水擊激勵波，實現了類似于傳統閥門快速關閉產生水擊壓力波的相同效果，且激發水擊壓力波壓力值可控，可以根據管道可承受的壓力值任意設定，方便靈活，另外，其關鍵部件均為成熟器件，組合起來簡單，投資低，適合推廣。

如圖2所示，上游水庫1水壓恒定，待測管網系統上有兩個模擬泄漏的泄漏孔，分別為第一泄漏孔5和第二泄漏孔6，兩個泄漏孔待測管道分為第一管道2、第二管道3和第三管道4，在使用本發明提供的低強度瞬變流激發器代替傳統激勵閥門7安裝在管網系統末端時，關閉原有管網系統管道末端閥門7，將本發明的出水管40設有控制球閥41的一端接入末端管道或者供水管網消火栓出口。

在安裝前，要做以下準備：

(1)向蓄能器空氣罐10內充入一定體積的水體，一般滿足0.7<h/h0<0.9，其中，h0為蓄能器空氣罐整體高度，h為蓄能器空氣罐初始水位高度(即充入水體的高度)；

(2)利用充氣泵向蓄能器空氣罐10內打入氮氣等氣體，通過壓力表30得到蓄能器空氣罐10內壓縮空氣的壓力；

(3)關閉出水管40上的控制球閥41。

在安裝后，要運行檢測，具體如下：

手動快速打開控制球閥41，使得具有較高壓的水體沿著出水管40進入待檢測管網系統(或管道)，產生流量突變，進而激勵出低強度的瞬變流，利用單點壓力傳感單元200同步實時采集瞬變壓力信號，可以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。

在本發明中，為了便于拆卸和易于維護；蓄能器空氣罐10還可以設計成分體式，如圖4所示，將蓄能器空氣罐10分為單獨的空氣蓄能器11和壓力罐12；

空氣蓄能器11內部充滿壓縮空氣，頂部設置壓力表30，底部通過法蘭連接壓力罐12頂部；壓力罐12上設有磁致伸縮式液位計20，磁致伸縮式液位計20的導桿22豎直設置在壓力罐12內部，導桿22下端固定在壓力罐12底部，上端穿出壓力罐12與磁致伸縮式液位計20的顯示單元23固定連接。

本發明還包括一個支座或者可移動的小車50，支撐或移動蓄能器空氣罐10，便于安裝和操作運行。

在本發明中，低強度瞬變流激發器，包括以下關鍵設計參數：

(1)蓄能器空氣罐整體高度h0；

(2)蓄能器空氣罐的直徑dv；

(3)蓄能器空氣罐初始內部水位高度h；

(4)出水管長度l0及直徑d0，反映到綜合流量系數為cdag。

在其它參數不變的情況下：蓄能器直徑越大，第一個水擊波越平緩；出水管直徑相對越大，激發壓力越大；球閥開啟時間越短，水擊波越不平滑，即器件選擇和控制標準為蓄能器空氣罐直徑越大、控制球閥開啟時間越短越好。在本發明中，關鍵參數最佳取值范圍為：h0＝1.1-1.3m；dv＝300-500mm，h＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；l0＝1.0-1.5m。

如圖5所示，本發明提供了一種管道輸水系統多點微小泄漏檢測方法，包括以下步驟：

步驟1、根據管道承壓能力，在被檢測管網系統的管道末端安裝瞬變激勵信號產生設備，在管道末端靠近端瞬變激勵信號產生設備處安裝單點壓力傳感單元，實現監測水箱(或者管道上游已知壓力位置)與瞬變激勵信號產生設備之間的微小泄漏點；

步驟2、啟用瞬變激勵信號產生設備，產生短時激勵信號，單點壓力傳感單元同步采集瞬變壓力信號；

步驟3、對瞬變壓力信號進行檢測分析，對信號的首相壓力波的壓力突變點對應的時刻和降低幅值進行解析；

步驟4、根據首相壓力波的壓力突變點的個數，辨識泄漏點個數；依據每個壓力突變點對應的時刻和降低幅值計算每個泄漏點位置和泄漏參數。

(1)對于泄漏辨識的原理。

當管道系統存在多個小泄漏孔時，泄漏孔的位置和大小直接影響管道的系統特性，即泄漏將引起瞬變水擊波每一個波峰、波谷處的不連續，反映在第一個水擊增壓波上，波形上不同的壓力突變點的位置決定某一個泄漏的位置，在沒有分叉、堵塞等因素影響時，有幾個壓力突變點就有幾處泄漏，同時壓力突變點衰減的幅值決定泄漏量的大小，因此可根據多處泄漏時水擊第一個壓力波(首相壓力波)畸變表達的泄漏特征信息來進行泄漏的辨識。

(2)對于泄漏點位置的確定。

如圖2所示，設泄漏點距下游瞬變激勵信號產生設備l，管道全長為l，上游水箱初始水位為h0，管道的初始流量為q0(如用低強度瞬變激發器激發壓力，該值可通過測量激發前部壓力或者蓄能器空氣罐水位降低計算得到)，設瞬變產生的時刻為t0，圖6為瞬變激勵信號產生設備關閉后為瞬態壓力波的傳播特征線。

如圖6所示，定義點a、b分別為管道水庫和下游瞬變激勵信號產生設備的初始狀態，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瞬變激勵信號產生設備處。無泄漏時，由管道水擊理論，如果上游為水庫，在無摩擦的情況下，瞬變壓力波將無衰減的從激發處(瞬變激勵信號產生設備)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，管道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瞬變激勵信號產生設備處反射，類似與無泄漏時壓力波到達水庫后的反射。無泄漏時的水擊波在任何一個連續波峰對應的整個時間為2l/a，即水擊半反射時間，且固定不變。

在圖7中，依靠瞬變激勵信號產生設備激發引起的瞬變水擊第一個壓力波的衰減形態，各點的泄漏位置可以通過t1、t2、t3的壓力突變點位置出現的時刻來獲得；因反射時間tx不同，所以多點泄漏位置就不同，其中

tx-t0＝2x/a(1)；

其中，x是各泄漏點到下游激勵位置(管道末端)的距離，為實際管道長度，如圖7所示，有3個泄漏點，每個泄漏點到下游激勵位置的距離分別為x1、x2、x3；t0為瞬變產生的時刻；tx為壓力波經泄漏點反射回激勵位置的時間；a為水擊波速。

根據泄漏瞬變檢測原理和方法，可導出如下各壓力突變點泄漏孔大小與水擊波幅值之間的一組關系式為：

其中，h1–h0為第一個升壓波壓力波峰與初始恒定壓力的差值，h0為初始時刻該點的壓力值；h1–h2為第一個壓力突變點的下降幅值；h2–h3為第二個壓力突變點的下降幅值；h3–h4為第三個壓力突變點的下降幅值；hn–hn+1為第n個壓力突變點的下降幅值；(cdag)1為第一個泄漏孔的大小；(cdag)2為第二個泄漏孔的大小；(cdag)3為第三個泄漏孔的大小；(cdag)n為第n個泄漏孔的大小；a為水擊波速，g為重力加速度；a為管道過流面積。

從(2)式可以看出，只要準確獲得第一個水擊波的衰減形態過程，即獲得的壓力突變點位置出現的時刻t1、t2、t3和全程衰減的不同壓力值h1、h2、h3、h4，那么利用公式(1)和(2)即可完成泄漏點位置的確定，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，因此只需在激勵處設置一個壓力傳感裝置即可，且需要采集的數據量小。

下面通過具體實施例對本發明進行詳細說明，某水庫管道輸水系統如圖2所示，上游水箱水位10m，后接主管，管道基本參數如表1所示。

表1：管道基本參數表。

在管道末端布置一只壓力傳感單元，即量程100kpa的硅壓阻式差壓傳感器1只，分辨率為0.01kpa。應用本發明提出的低強度瞬變激發器產生激勵信號，其中蓄能器空氣罐直徑300mm，高度1.2m，蓄能器空氣罐初始水位0.8m，出水管管長1m，管徑7mm，粗糙度0.01mm。

以兩處泄漏為例進行說明，實際泄漏工況如下：

泄漏孔1直徑4mm，即ag/a＝0.16％，屬于微小泄漏孔，泄漏孔1位置距離上游水箱100m；泄漏孔2直徑也是4mm，即ag/a＝0.16％，泄漏孔2位置距離上游水箱300m。

根據本發明步驟2至步驟4，首先將蓄能器空氣罐中壓入p＝50m的壓縮空氣，壓力表讀數0.5mpa；球閥在t0＝0.2秒時刻經過0.1秒手動全開制造流量擾動，激勵低強度的瞬變流；同步測量壓力傳感單元的壓力，對測量所得的瞬變壓力信號進行檢測分析，對信號的首相壓力波尤其是壓力突變點對應的時刻和降低的多個幅值進行解析；利用本發明提出的定位公式(1)和(2)辨識參數。

圖8為無泄漏工況時壓力傳感單元測量的壓力波形態圖，圖9是有兩個泄漏孔泄漏工況時壓力傳感單元測量的壓力波形態圖。在圖9中，首相水擊波壓力突變點分別對應的時刻t1＝0.69s和t2＝1.69s，利用定位公式(1)得到泄漏孔位置分別距離上游98m和298m，定位精度十分高。此外，從圖9中讀出h1、h2、h3，利用公式(2)也可得到兩個泄漏孔的泄漏參數。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。