高频压力计和水听器在长距离输水管线中的运用

施凡荣

（上海市政工程设计研究总院（集团）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恶化条件随着时间的推移进一步加深，管道由于反复发生的压力瞬变以及腐蚀而不断遭受破坏。压力瞬变可造成埋管、管配件和管附件产生小得看不见的裂纹，甚至会造成严重的管道破裂。通过在管道关键位置（正常设计是每800～1 000 m 设置一个安装点）安装高频压力传感器（64～256 Hz 可选）和水听仪的监测，采集压力瞬变信号和实时的音频信号。通过安装在管道上的多个压力传感器进行压力瞬变（水锤）分析，结合供水管道材质、管龄、管径等参数，基于现场存在的压力瞬变强度和数量，评估管网的爆管风险，并展示危险管线的区域。接收的压力数据，通过特殊的算法，通过事前预测，事中定位和事后分析，以采取进一步的解决措施，这些措施对于确保通过阀门平缓操作、安装水锤抑制设备或其他相关方式缓解这种具有破坏力的瞬变是极其重要的，能避免管路故障，实现供水管道的预防性维护，延长管道寿命。

2 基本原理

监测系统平台可实现基于负压波法的管道泄漏监测与定位，设计指标监测4 L/s 以上的爆管漏损事件。识别和展示压力瞬变水锤事件（施工、阀门操作、水泵启停、排泥冲洗等），及时报警管理人员，定位瞬变源的位置或区域；同时验证过渡过程的理论计算和水锤防护设施，并指导运行人员科学安全操作。当长距离输水管道发生泄漏爆管事件时，由于瞬间压力管道的变化造成压力的内外不平衡，特别是泄漏点压力突然猛烈下降瞬间形成负压波，负压波向上延展、往下游方向进行快速传播，并迅速衰减下来，通过在管道上安装的高频压力计非常灵敏地捕捉瞬时的压力参数，计算出瞬间压降，通过软件编制的算法自动判断是否存在爆管。根据负压波的传递速度、传递的路径和到达两端高频压力计的时间差，可以非常精确地计算出泄漏点的位置，并通过软件系统（含有GIS 系统的数据），把具体位置呈现给用户，用户可以根据界面的图示位置迅速找到爆管的位置。

通过时间差断定爆管发生位置如图1 所示。

图1 爆管的定位图

3 细微漏损——水听器（声呐）技术

监测传感器安装位置周边（约300～500 m）跑冒滴漏的现象，实现微小漏水监测，系统通过频谱分析功能实现报警。当输水管道因各种原因造成微小的腐蚀破坏，或因材料内部的应力或外力作用在管道上产生材质破坏时，水在压力管道的内外压力差的作用下不停地向外泄漏，管道开始不停地产生漏损，造成严重的水资源的损失。因为漏损的存在，产生了不同的音频，音频通过管道的传输形成声波，水听器通过捕捉声波的是否异常，分析具体漏点，这就是细微漏失，一般发生过程比较缓慢，不会产生剧烈的压力瞬变现象。针对此现象，系统采用声学技术分析来判断小漏事件，通常能够实现5 L/min 以上的微小漏损监测，系统软件基于采集到的原水管内声学数据，判断是否具有泄漏，确定漏水的区域。软件系统提供便捷的分析工具方便用户分析判断。软件系统平台还设有频谱分析功能，并提供傅里叶变换后的强度-频率图；提供在线的相关性定位功能，提供分析操作界面及系统截图。这样才能迅速地查到细微漏损的实际位置，产生细微漏损时音频的分析频谱。

4 监测系统结构和功能

监测系统结构和功能如图2 所示。

图2 监测系统结构和功能图

5 监测系统结构

1）现场硬件设备：

高频压力传感器：采样频率为64 Hz/128 Hz/256 Hz；实际量程为0～2 068.5 kPa（0～300 psia）；精度≤0.1%FS（FS 表示满量程）；响应时间≤1 ms；电压为5V±0.5V；输出信号为0～30mV/100 mV。

水听器：响应频率范围为20 Hz～20 kHz；

直流电源2.2～5V；通信数据传输装置RTU；

GSM（3G/4G）和同步授时时钟天线；

不锈钢控制箱及电源附件。

2）通信方式：3G/4G 无线通信。

3）监测分析平台软件：客户端服务器安装方式

4）电源：太阳能电源供电，带有锂电池，容量需满足现场传感器和RTU 传输装置没有日照20 d 情况，继续保持正常工作。

5）供电冗余：RTU 本体需内置锂电池和外部电源供电，互为备用。

5 软件功能具体展示

设计安全监测系统以用户友好界面应用基于地图的GIS实际数据可视化和交互：采集到高频压力计和水听器的数据，结合用户管道参数和设备实际的地理位置进行计算和分析，并在地图上进行展示。可提供用户一个可视化的界面，用于查看高频压力计和水听器的位置信息、长距离输水管线的布置和走向图和其他软件的分析结果，并会为用户提供可交互式的、统一的数据报警列表界面，便于用户直接查询到压力或漏损异常的实际位置。

能进行历史数据的查询与分析：通过多种展现方式展示高频压力采集来的数据（见图3），如按照不同的时间分辨率显示压力数据，支持数据的导出功能如图4 所示，可以查询水听器频谱数据展示及音频数据展示（见图5）。

图3 不同时间分辨率显示的压力数据

图4 高频压力数据（高频数据64 Hz）

图5 水听器频谱数据及音频数据

用鼠标选中或者使用套索工具选中后，系统弹出被选中站点的数据查询窗口，通过数据筛选器筛选出要查询的数据类型（如压力、声呐、设备电压等）、数据日期时间段、数据分辨率（压力最高256 Hz）。

系统提供一个图形化的数据展示工具，可以将筛选出来的数据以曲线图、柱状图等方式进行展示，同一个数据展示窗口可以叠加多个数据类型的数据，从而便于分析人员对数据进行组合分析。数据图形展示工具提供曲线拖动，数据分辨率选择、查询日期范围选择、图形转换等工具。

报警信息查看，并可叠加受影响站点压力信号，通过定位功能在系统中进行爆管位置定位。

6 系统对接

在线安全监测系统平台通过发布图层接口和WebService接口实现与其他系统的对接，提供数据分析结果、相关报警信息的数据共享。系统按照数据业务逻辑分为3 个层次：数据采集层、系统分析及发布层及系统集成层。

数据采集层：数据采集层将采用物联网技术通过远程终端设备RTU 通过在线仪表（高频压力仪、水听仪等）采集数据，并通过（3G/4G）移动物联网网络将采集到的数据传输至在线安全监测系统平台。

系统分析和发布层：系统分析和发布层的作用是将采集到的数据结合用户管网数据（或GIS 系统提供数据）进行计算和分析并在地图上进行展示。同时，将报警信息或压力瞬变分析结果封装成WebService 接口，实现系统与系统之间的交互。

可提供两种数据输出的方式（具体对接方式细节还需根据集成需求深入讨论）：

1）URL：系统发布在线安全监测系统URL 地址，其他系统可直接调用地址，访问在线安全监测系统平台，包含统一认证功能。

2）WebService 接口：WebService 接口提供了其他系统调用报警信息、数据分析结果的访问方式。系统可以通过该接口实时将报警信息推送至用户相关业务系统，共享监控和分析数据。

7 结论

目前，此系统已经在嘉兴市域外配水工程中得以应用，该工程是将优质原水（千岛湖）配送给嘉兴居民饮用的重大民生工程，嘉兴节点到大桥节点段为主干管，中途配水至嘉兴市区及五县市各受水点水厂。主干道全长75 km，双线设计，口径DN1 800～DN2 200 mm 不等，主体钢管连接处球墨铸铁，运行压力约0.4 MPa，运行最高压力可达1 MPa，管道起伏较频繁。业主最终采用长距离输水管线安全监测系统，126 套高频压力传感器和水听器设备，目前运行状态良好，完全能实现四大功能：水锤监测、漏水报警及实时监测、排气阀异常监测、管网风险评估。