前海区域集中供冷管网泄漏监测报警系统应用研究

聂武兵

摘要：通过对区域集中供冷的管网水泄漏的特征研究，利用电阻抗和超声波的检测原理，构建供冷管道全管网水泄漏监测系统。

关键词：前海;供冷管网;电阻抗;超声波;泄漏;报警

一.引言

区域集中供冷系统，管网的安全、稳定运行是首要的要求。供冷管网长时间运行，其安全性将逐渐降低，因此提前预知管道的泄漏情况至关重要。

目前，区域集中供冷管网泄漏报警系统通常使用保温管内含电阻抗线的电阻分析判断管道是否泄露，在国内南方供冷管网有较少应用，应用相对不成功，原因为南方天气潮湿多雨、土壤水分较多，施工及运行阶段水容易渗透进入管道保温发泡层，如利用管道自带的电阻抗方式进行检测，成功率较低。国内北方供热管道有较多管道泄漏测量应用经验，部分应用相对成功，成功应用主要原因为北方天气干燥少雨，管道安装阶段基本无水介质进入管道发泡层，且密封不严少量水进入发泡层，供热管道的热量可以将发泡层的水蒸发，从而不影响阻值测量。

现有的管网泄漏检测报警系统主要有三种应用方式：电阻抗线测量、超声波测量、光纤感温线测量。其原理分别为：电阻抗线测量管道两根电阻抗线的阻值;超声波测量利用泄漏时水流与钢管之间声波进行测量;光纤感温线需要与管道同步敷设，检测管道附近的温度进行测量。由于前海供冷管道均已提前敷设，且地下土壤与供冷管的温差较小，光纤感温测量不适用于区域集中供冷管道，适用供热管道测量。

前海区域集中供冷管网均采用直埋保温管内含电阻抗线管道，目前前海二单元供冷管网已敷设完成并正在建设管网泄漏报警系统。此次主要基于电阻抗式管道泄漏检测技术进行分析研究，并在部分电阻抗线断线或阻值低的管道上，结合应用超声波测量管道泄漏。

二.现场缺陷

使用电阻抗线测量要求管道发泡层干燥无凝结水，在南方供冷管网在施工阶段如遇下雨天或管道保护层包封不严，容易有水进入至发泡层，从而影响测量。目前整个中国南方供冷管网泄漏检测基本无成功应用案例。针对以上情况，前海区域集中供冷管网泄漏报警系统建设结合以下方式建设：

1）分段布点。一般按设计院图纸，一个现场检测单元检测全供回水管道的电阻抗，如其中一段阻值低或断线，则后端管道检测数据无法检测。前海区域集中供冷管道深化设计后，每个阀门井（约200米左右）均布置一个现场监测单元，其中一段阻值低或断线问题，也不影响后端管道测量;

2）降低电阻值标准。规范要求电阻抗值500MΩ以上电阻值合格，由于南方潮湿天气及供冷管网易产生冷凝水特性，阻值可以相应降低标准，如500Ω即可满足要求，并保存实施管网泄漏报警系统前的电阻抗值作为基准值进行比较，如实际检测值低于基准值则可判断此部分管道存在泄露的可能。

3）结合超声波测量一起使用。部分管道存在电阻抗线断线的情况导致该部分管道无法测量，为了保证全管道泄漏的监测，此部分管道使用超声波测量，现场存在泄漏，管道钢管泄漏点流速较大产生声波，超声波的检测装置监测钢管声波从而判断是否有漏点。声波测量的缺点为漏点流速较小时声波较小，无法反馈漏点声波。

三.检测方案

前海二单元管网泄漏检测系统由现场检测单元和中央监测管理平台组成。现场检测单元根据现场实际情况安装在用户地块、绿化带或阀门井内，每套现场检测单元可独立运行，通过无线、总线技术传输数据至中央监测管理平台;中央监测管理平台安装于值班室，具有自动监控、泄漏报警、精确定位、无线传输、人机互动、数据存储、趋势分析、功能拓展、支持多种数据传输方式、维护操作简单等特点。

3.1管网泄漏报警系统电阻抗测量漏点定位原理

前海二单元区域供冷管网泄漏检测系统为预制直埋保温管管道泄漏检测系统，预制直埋保温管主要由三部分组成工作管（钢管）、聚氨酯泡沫层、外护管（高密度聚乙烯）。在聚氨酯泡沫层中预埋泄漏检测线作为泄漏检测系统的信号线。信号线材质为1根镀锡铜线和1根裸铜线，两根低阻值铜线实际效果一直，为区分两根铜线，防止两端接错，其中一根镀锡。两根导线相隔一定距离，由于保温层是不导电，两根导线之间保持绝缘。管道运行时，在两根线的首端施加一个恒定电压，当管道全长的中段某一点发生泄漏事故时，管道内的水分会从内层的钢管溢出而浸入保温层，水量或湿气较大时会使相隔一定距离的镀锡铜线和裸铜线报警线和反馈线之间发生短路，根据电阻分压与电阻大小成正比，而电阻大小与导线长度成正比的原理，可推算出发生泄漏的位置。

管网泄漏报警系统电阻式反馈定位原理：在管道前端设置监测模块，监测模块中集成一个阶跃源定时发出方波或正弦波信号注入到被测的铜线，如果传输线阻抗连续均匀，此信号就沿着传输线向前传播。当传输线某一点出现管道泄漏时，水分会影响线路周围的电路分布参数，从而在故障点出现阻抗变化，此时，阶跃信号到达故障点时会有一部分信号被反射回，而剩余部分继续往前传播。反射回来的信号可被示波器采集到，并根据采集到的信号与发射源信号的时间关系，可计算出传输线阻抗发生变化的位置。

为了进行准确的定位，在管网建设完成初期，需绘制管网初始特性阻抗曲线图，在发生泄漏故障时，用故障曲线与初始曲线进行对比可找出故障点位置。

3.2 管网泄漏报警系统声波测量漏点定位原理

介质输送钢管的泄漏点就是一个噪声源，泄漏会产生至少四种噪声：1）水从泄漏点外流的水流声;2）水流与管壁摩擦的摩擦声 ;3）材料振动噪声 ;4）水流与管外物体的撞击声。以上四种噪声是与钢质管道水介质泄漏直接相关的特征噪声，采集到以上特征噪声，就能够反过来发现管道泄漏问题并对泄漏点进行定位测量。

根据应用经验表明，钢质管道水介质泄漏噪声的频率在一定的范围，一般高于300Hz，低于2000Hz，完全處于人类能够听见的声音频率范围。

监测系统报警给出泄漏点的大概位置信息后，采用便携式相关仪表至相关管段进行定位测量，所测出的结果仍然不能直接作为开发修复最终定位信息，必须经过地面听音确认漏点位置后才能进行作为最终开挖点精定位位置。

地面听音一般采用电子听漏仪通过噪声比较找到噪声水平最高的点，此噪声点即为漏点位置。

四.实施建议

本实施例的有益效果是：可以减少冷冻水损失、影响保温效果、管道腐蚀、造成水土流失及路面坍塌、影响客户用冷的情况发生。

本项目应用于人口密集的南方城市供冷管道，于现有单技术应用相比，本研究应用电阻抗线及超声波两种测量技术结合应用;太阳能光伏板及移动电池供电多种技术结合应用，现场检测设备分段布点等方式，覆盖全管道泄漏检测。

由于声波测量有以下缺陷：1）超声波测量管道不超过250米，监测距离受限;2）超声波测量在漏点流量较小的情况下无声波，无法检测漏点;3）受环境影响较大，如果上方为道路，经常有大型车辆通过会导致现场检测设备检测到声波，从而错误发出管道泄漏的报警;4）无法检测管道外漏，如果外护管（高密度聚乙烯）破损导致水与管道钢管接触，易腐蚀钢管。需要根据现场实际情况分析并应用。