高校配水管道漏水检测及对策研究

张军，谢雨欣，邢培振

（河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008）

1 国内外研究现状

管道漏损在高校后勤建设中时有发生，该问题一定程度上影响后勤信息化发展。国内外研究学者通过漏损检测及定位算法等方法研究管道漏损发生的原因及修复办法，例如：Fatih Kayaalp 等提出根据监测点的压力数据，通过使用多标签学习方法来进行侧漏的检测和定位。Tom Nrgaard Jensen 等提出通过建立管网模型，使用数据驱动模型及敏感性分析进行漏损点定位，但该方法建立的模型扩展性弱、模型复杂性强。王通等提出通过施加激励信号，检测信号的动态变化进行漏点定位，但该方法实际应用难度较大。王洪超等提出运用负压波进行侧漏检测，该方法具有灵敏度高、响应速度快的优点，但其面对复杂情况时漏损误判率较高。

结合以上研究进展，文章结合流量平衡、负压波原理，发挥管道输水特点，提出了一种漏损判断及定位方法。该方法一方面提高流量平衡检测水阀开合、水泵启停的误判能力；另一方面发挥负压波能快速、精准定位漏损点的优势。

2 流量平衡漏检原理

流量平衡漏损判断的原理为一根密闭的管道，由于没有漏损点，因此管道出入口的流量值相等，若管道中出现漏损点，则管道的出口流量一定小于入口流量。但在实际供水过程中，存在一个差值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）。

当供水管道无漏损点时，流量阈值ε的值为管道出入口流量最大差值的绝对值，即：ε=|Δmaxδ（t）|。

通过以上计算公式，在保障管道无其他障碍信息的前提下，得出管道出入口流量差Δδ′与流量阈值ε的关系如下：

Δδ′＞ε管道发生侧漏；Δδ′＜ε管道未发生侧漏。

3 负压波漏损点定位原理

3.1 负压波产生机理

随着供水管道发生泄漏事故，该场景下造成管内水压大于管外，水能迅速从泄漏点流失，从而造成泄漏点处压力急剧下降。同时供水具有流动性且管道泄漏点处存在内外水压差，因此泄漏点附近的水流会向泄漏点的位置补充，泄漏点会产生一个向管道两端传播的负压波。若管道发生漏损，则在管道漏损点位置会产生压降ΔP。

式中：ΔP：管道压力变化值；ρ：水的密度（1×103kg/m3）；g：重力加速度（9.8 m/s2）；v：负压波在管道的传播速度（m/s）；vi：无漏损时管内水的流速（m/s）；vl：发生泄漏时管内水的流速（m/s）。

3.2 定位供水系统漏损点

校园供水系统的漏损点定位原理如图1所示。

图1 校园供水系统工况分析图

A、B分别为安装在管道两端的水压传感器，待测管道的总长度为X；X1、X2为漏损点距离管道入口与出口的距离；vl为发生泄漏事故时管内水的流速；v为负压波沿管线的传播速度，Δt（Δt=t1-t2）为负压波传播到管道出入口两端传感器的时间差。

负压波的传播速度受管道壁厚和管道内物体等多方面影响，负压波沿管线的传播速度v为：

式中：v管内负压波的传播速度；K为液体的体积弹性系数，液体的弹性模量（水的为1.962×109Pa）；ρ为液体的密度；E为管材的弹性系数；D为管道的直径；e为管壁厚度；C1为与管道约束条件有关的修正系数。

3.3 配水漏点定位算法流程

研究计划设置一种管道侧漏定位算法，包括存储模块、计算模块、判断模块和报警模块。

存储模块包括第一传感器和第二传感器，存储负压波信号和应力波信号。按预设距离设置在管道上的，用于将负压波信号传至存储模块的第一传感器；根据预设距离，将应力波信号传至存储模块的第二传感器。

计算模块用于根据负压波信号计算管道上泄漏点第一位置，以及根据应力波信号计算管道上泄漏点第二位置。

其中管道上泄漏点第一位置的计算公式如下：

式中：d为泄漏点距一第一传感器的距离；L为传感器间长度；v为负压波传播速度；Δt为负压波从泄漏点传播到两第一传感器的时间差，Δt=t1-t2。

管道上泄漏点第二位置的计算公式如下：

式中：l为泄漏点距一第二传感器的距离；L为相邻两第二传感器间长度；c为应力波传播速度；ΔT为应力波从泄漏点传播到两第二传感器的时间差，ΔT=T1-T2。

判断模块用于判定两个位置的差值是否在预设范围内。

当两个位置的差值在预设范围内，报警模块输出第一报警信号；当两个位置的差值未在预设范围内时，输出第二位置报警信号。

判断和报警模块操作步骤如下：

根据计算模块计算所述第一位置与所述第二位置的差值X，其中，X=|l-d|。

4 仿真与实验结果研究

采用上述漏点定位方法对校园某供水管道进行仿真分析。将采集的数据在MATLAB R2016a软件环境下进行漏点检测，实验结果与误差计算如表1所示。

表1 实验结果与误差表

由表1可知：

泄漏量小于4%时，由于传感器灵敏度不够，造成噪声干扰比较大，相对定位误差较大。因此这种情况检测结果不一定准确，无法判断出管道是否发生泄漏。

当泄漏量＞4%时，此时相对定位误差值＜6%，随着泄漏量变大，精度随之提高，但精度有上限值，不会随着泄漏量增加而不断提高。

4.1 定位误差分析

由公式（6）可知，定位误差受时间差Δt以及负压波波速v影响。

负压波波速计算误差：

公式（5）表明计算负压波波速时，管道内的传输速度受流体弹性系数、液体密度、管道的弹性模量以及管径的尺寸影响因素大。在计算负压波波速时，从表中选择的数据与实际值存在一定的误差，造成定位误差。

压力响应时间差：

当配水管道发生泄漏事故时，安装在管道两端的压力传感器的特性差异也会造成误差，因此实际中应采用同一类型的压力变送器。时间差可以通过负压波从首端传到末端的时间t1以及从末端传输到首端的时间t2之差得到。

假设首站端泄漏而产生负压波，传输到末站端，则计算时间t1、t2为：

若泄漏点发生在末端，负压波传输到首端，则计算时间t1、t2为：

两个时间差的绝对值：

若压力变送器响应时间不存在误差，则Δts=0。若Δts≠0，则压力变送器的响应时间为首端产生的负压波传输到末端的时间和末端产生的负压波传输到首端的时间之间差值的一半，即：

Δt1为负压波从首端传输到末端的时间差，Δt2为负压波从末端传输到首端的时间差。

5 总结

研究提供的管道泄漏定位系统，按预设距离设置在管道上设置第一传感器与第二传感器，第一传感器用于获取预设距离间的负压波，第二传感器用于获取预设距离之间的应力波；计算模块根据负压波信号计算管道上泄漏点第一位置，根据应力波信号计算管道上泄漏点第二位置；当第一位置与第二位置的差值是处于预设范围内时，不仅能够准确确定该预设距离内出现泄漏点，避免误报，也能够缩小泄漏点的范围，实现精确定位。