长距离输水管道漏损及水锤在线监测系统设计

刘大伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海市 200092）

管道安全监测一直是市政给排水领域关注的重点，特别是长距离输水管道，多为“城市生命线工程”，由于其口径超大、压力高的特点，一旦发生事故不仅会造成大量水量浪费，还会影响正常的输水、供水，产生的经济与社会影响不可估量。

目前管道安全监测主要依靠被动巡检，单纯依靠检漏设备和技术人员，缺乏有效性和及时性。而在线式的主动监测手段相对较为匮乏，目前应用于实际工程案例中的在线式监测手段以压力法、流量法为主，其主要功能为实现大水量爆管预警和定位，无法全面掌握管网运行的安全健康状况，这与管网信息化、智慧化的发展要求不相符。因此寻找一种全面、及时且有效的管道安全在线监测系统成为完善市政供水长距离输水管道设计迫在眉睫的任务[1]。

1 常规的管道在线监测系统急需解决的问题

1.1 长输管道漏损监测及定位问题

管道漏损是供水行业普遍存在的问题，管道一旦发生漏水，严重时会干扰市民的正常用水和生活，同时对于供水企业来说，水量损失意味着增加了供水成本，对企业的经济效益和社会效益造成直接影响。目前常规的管道在线监测系统主要是根据在线检测的压力和流量数据进行漏损监测及定位的模型方法，而这些模型基本都适用于虚拟的理想管网，当应用于实际管网时，会因为测量数据不足、测量误差及水力模拟误差等问题而影响模型的精度，导致定位偏差大、无法反映管道微小漏损等问题。

1.2 长输管道水锤安全监测问题

水锤是压力管道中由于流体的惯性作用而引起管道内流体产生流速的急剧变化进而造成管道内的压强急剧升高或降低交替变化的一种水力过渡现象，是造成输水管道破坏的主要原因，其演变过程如图1 所示。目前普遍采用在管道沿线设置防水锤型空气阀的方式来消除水锤的产生，但是水锤防护装置是否达到预期的效果，目前国内仍没有相应在线监测手段，运行过程中管道内是否有危害性的水锤无从得知。常规的管道在线监测系统主要基于稳态工况下的压力、流量等数据采集和监测，采集时间间隔较长，而水锤发生的过程一般在几秒至几分钟之间，受监测频率的影响，传统的监测并不能反映过渡过程中的流量或压力变化以及水锤事件，而且基于水力模型软件的水力过渡过程计算和安全防护分析报告，都是离线式的理论计算，很多边界条件和运行工况在实际运行过程中无法掌握的，也无法进行验证的计算和模拟的结果[2]。

2 系统解决方案

图1：水锤破坏管道过程示意图

图2：各监测设备实物图

鉴于以上问题，在常规的管道在线监测方案的基础上，增加对管道压力瞬变、异常噪声的实时监测，并结合一定的算法及分析软件，能够达到准确定位漏损、及时发现微小漏损、识别水锤事件等功能。

方案采用在管道上安装高频压力计和水听器的方式实现对管道内压力瞬变和噪声信息的实时采集，同时在每个传感器安装点附近设置远程采集终端RTU 设备，用于相关数据的汇聚上传，图2 为各监测设备实物图。在管理中心设置数据服务器、应用服务器、操作员站等，并配置相应的计算、分析软件，通过对现场监测点回传数据的处理、分析，最终将分析结果展示给运行管理人员。高频压力计在线连续采集数据，监测压力瞬变，采集频率64～256Hz，精度≤0.1%FS，响应时间≤1ms；水听器采用高灵敏度型，可侦听到极小漏水声，低于人耳能够听到的声音强度水平，响应频率范围20Hz-20KHz，最大承受静压68Bar；远程采集终端RTU 支持北斗/GPS 定位、时钟同步精度≤1ms，支持模拟量和音频信号接入，支持Modbus 标准总线采集现场其它设备数据，支持光纤有线和3G/4G 无线通讯。各传感器的安装密度和数量，可根据传感器监测覆盖的范围、现场安装的便捷性以及想要实现的在线监测效果等方面确定，针对管道内部压力≤3bar 的金属材质市政压力管线，高频压力计布置间隔为1～1.5 公里，水听器覆盖周边区域为500 米。

表1：系统软件功能

图3：漏损精准定位原理图

图4：排气阀井位置的监测点各设备安装示意图

2.1 漏损精准定位

与常规的管道在线监测系统定位漏损方法比较，基于负压波法的管道泄漏定位可以更精准地确定泄漏发生的位置，因为即使管道发生微小泄漏，泄漏前后的压力波形都会存在一定的差异，而且负压波法不需要建立复杂的数学模型[3]。

当管道发生泄漏爆管事件时，由于管道内外压力不平衡，泄漏点压力突然下降产生负压波，负压波向上、下游传播，并逐渐衰减，利用安装在管道上下游的压力传感器监视管道压力参数，捕捉瞬时压降，可以判断管道泄漏是否发生。根据负压波向上游和下游传递的速度和到达两端压力变送器的时间差，可以计算出泄漏点的位置，如图3 所示。

系统具有高精度时钟（10-6秒）功能，实现所有传感器时钟同步，能够监测4 升/秒以上的爆管漏损事件，及时有效的告知用户突发的爆管事件，并更为精准的定位爆管位置，定位精度达到50 米左右。

2.2 微小漏损监测

微小漏损通常是由于输送管道因材质腐蚀老化产生腐蚀孔或其他外力作用产生裂纹时，管道内外的压力差使管内流体向外泄漏的现象。当管内介质通过腐蚀孔或裂纹向外喷射形式声源，然后与管道相互作用，声源向外辐射能量形成声波，一般情况下声波趋向于较高的频率，通常在300-3000Hz 之间。针对此现象，系统采用声学技术分析，设置水听器采集声音，通过信号分析及大数据算法识别管网中的异常噪声能量变化及漏水声，利用频谱分析技术，及时、有效监测一定程度的微小泄漏或随时间变化逐步发展的泄漏事件。同时水听器直接接触水体采集声音，背景声音少，监测范围广，较贴壁式噪声记录仪效果更好，能够实现5 升/分以上的微小漏损监测。

2.3 水锤事件监测

由于水锤传播速度非常快速，通常在1000 米/秒以上，只有高频、持续地采集管道内的动态压力，捕捉各类压力瞬变信号，才能反映出真实的水锤事件。

系统采用在管道关键位置设置高频压力计监测压力瞬变信号。一旦发生水锤事件，管道上多个传感器都能够接收到压力瞬变信号，上位的软件平台算法会根据压力瞬变信号的传播特性关联这些信号并找出瞬变的来源，将最可能的水锤源头标定出来，同时分析产生危害性水锤的原因，以采取进一步的解决措施。另外系统还会统计压力瞬变事件发生次数，识别可疑破坏性水锤，再结合管道的管径、管材、管龄等数据，评估现有水锤对管线的破坏风险，将有爆管风险的管道或区域标记出，采取对供水管网的预防性维护。

3 工程实例

以下针对我国西部地区某市水厂出厂输水管道工程实例说明本系统方案的效果，该工程输水管线分成2 段，第1 段长度约29 公里，从水厂到1#管理站配水池，DN1200/1000，双线布置，第2 段长度约14 公里，从1#管理站配水池到2#管理站配水池，DN1000，其中双线布置4 公里，单线布置10 公里。考虑到输水管道沿线地形高低起伏，管道内空气及水锤现象加剧，按照间隔约1.2 公里的标准在管道沿线设置防水锤型空气阀的方式来消除水锤的产生。

根据上文提到的各传感器监测覆盖范围，考虑到管道现场安装的便捷性，该工程现场监测布点主要布置在排气阀井所在位置，采用高频压力/水听器一体式传感器。为保证传感器能够一直接触到水，在排气阀连接管上增设一个通用的多口适配器内（包含法兰），在法兰一侧开口径 40mm 的管口用于安装传感器。在每个监测点现场设置远程采集终端RTU 设备，采用有线为主（自敷光缆）、无线为辅（运营商4G 网络）的方式将各类数据上传至管理中心，供电采用风光互补的自发电供电的方式，同时配置UPS 不间断电源提高供电安全性。图4 所示为排气阀井位置的监测点各设备安装示意图。

在管线管理中心设置数据服务器、应用服务器、操作员站等硬件设备，同时配置管道在线监测系统软件平台，嵌入各类功能服务模块，为用户提供一个可视化的界面查看传感器位置信息、管网图和其他的分析结果，并会为用户提供可交互式的、统一的报警列表界面，对于每一条系统报出的报警记录，用户都可以查看报警时刻前后时段的高频压力数据、低频数据、声呐数据，进行定位分析或进行更进一步的事件判断与分析，同时软件平台结合了机器学习、大数据分析以及多种信号分析算法，误报率极低。软件功能描述如表1 所示。

4 结语

本文的长距离输水管线在线监测系统方案，通过设置高频压力计和水听器的方式实现对管道内压力瞬变和噪声信息的实时采集，并结合一定的算法及分析软件，能够达到准确定位漏损、及时发现微小漏损、识别水锤事件等功能，同时还可以根据用户需求，整合流量计、水质传感器的数据，更加丰富输水管线实时状态数据，为输水管网的高效运行、科学调度和安全管理提供决策支持。