一、前言:
城鎮(zhèn)供水管網(wǎng),長輸供水工程管線,作為現(xiàn)代城市不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,對于保障市民的日常生活用水發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而,由于管道使用年限較長、環(huán)境因素的影響等多種原因,管網(wǎng)漏水問題成為了一種普遍現(xiàn)象。
在我國,由于城市化建設(shè)的加快,供水網(wǎng)絡(luò)漏損的問題越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計,我國每年漏損量約為80億噸,2018年—2020年漏損率分別為14.62%、14.12%、13.39%,雖然呈現(xiàn)逐年下降趨勢,但仍距“水十條”及“到2025年,全國城市公共供水管網(wǎng)漏損率力爭控制在9%以內(nèi)”的近景目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。此外,漏水可能是公共衛(wèi)生健康問題的根源,供水管道的破裂易導(dǎo)致污染物進入;甚至可能導(dǎo)致供水中斷,給市民的生活帶來極大的不便。因此,管道泄漏檢測工作,對于水量漏損的控制愈發(fā)重要,供水行業(yè)需要漏損控制措施,以減少漏損帶來的損失并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效應(yīng),它不僅有助于確保管網(wǎng)的正常運行,還能有效減少損失和污染,對于維護城市供水的穩(wěn)定性和可持續(xù)性具有重要意義。
二、技術(shù)說明
早期供水管道泄漏檢測技術(shù)是基于各類傳感器的人工聽漏或簡易數(shù)據(jù)分析檢漏,漏損問題往往在事件發(fā)生相當(dāng)長的時間后才被發(fā)現(xiàn),即便采用聽漏儀、紅外熱成像儀、各類機器人等被動檢測技術(shù),開展檢漏工作也很難挽回已造成的大量經(jīng)濟損失。
隨著各類傳感器、通信、水力模型、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展,管道信息數(shù)據(jù)的采集、通信和處理使得供水管道泄漏檢測技術(shù)趨往準(zhǔn)確性、時效性和系統(tǒng)性發(fā)展為主要特點。供水管線管網(wǎng)管道漏損檢測技術(shù)也在不斷進步,作為現(xiàn)代科技的產(chǎn)物,管道漏損檢測檢測技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)代科技的發(fā)展緊密相連。隨著技術(shù)的持續(xù)更新和完善,漏水檢測技術(shù)也在不斷改進,如今已經(jīng)涌現(xiàn)出多種先進的檢測方法。其中,水聽器壓力管道泄漏檢測法、分布式光纖管道泄露檢測法等是較為常見的方法。接下來,我們將對這兩種方法進行詳細(xì)的介紹。
2.1、水聽器壓力管道泄漏檢測法
該方法可融合到DMA系統(tǒng)中,DMA檢測技術(shù)是基于傳統(tǒng)網(wǎng)格(流量/壓力信息)建模與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合,通過截斷管網(wǎng)或關(guān)閉閥門的方式將供水管網(wǎng)劃分成若干個獨立計量區(qū)域,能夠有效縮小漏點的范圍。同時,DMA分區(qū)計量能夠持續(xù)穩(wěn)定控制供水量,降低企業(yè)產(chǎn)銷差,以精細(xì)化的數(shù)據(jù)分析達到降低漏損量的目的,實現(xiàn)節(jié)能減耗。而在此基礎(chǔ)上,通過進一步優(yōu)化DMA分區(qū)中傳感器放置點的選取,加強供水管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壓力測量和壓力敏感度分析等方式,能夠明顯提升DMA模型的搜索效率。
(1)、構(gòu)成
供水管道泄漏檢測技術(shù)-水聽器壓力管道泄漏檢測法是通過在供水管道閥門井內(nèi)布設(shè)高靈敏水聽器、高頻壓力傳感器,智能數(shù)據(jù)采集終端RTU可實時采集水聲信息、管壓等數(shù)據(jù),前端硬件設(shè)現(xiàn)地監(jiān)測站,它通過4G、5G等無線通訊方式將信息直接傳輸至監(jiān)控中心,系統(tǒng)通過綜合各監(jiān)測點的實時管壓、水聲信息,檢測水錘、泄漏和爆管等事件。監(jiān)測站配備設(shè)備有高頻壓力傳感器+水聽器套件、數(shù)據(jù)采集單元、通訊模塊及相應(yīng)的信號及控制線路、防雷設(shè)備、風(fēng)電互補供電系統(tǒng)(太陽能供電系統(tǒng))等。
(2)、主要參數(shù)
高頻壓力傳感器:
壓力監(jiān)測采集頻率64\128\256Hz,以滿足分析需求;
量程:0~200psia,更大量程可定制;需滿足負(fù)壓的監(jiān)測;
精度:≤0.1%FS
水聽器傳感器:
靈敏度:-172dB Vre: 1V/μPascal
響應(yīng)頻率范圍 :20Hz-20KHz
傳感器材質(zhì):PEEK(環(huán)保材料,可直接接觸水)
(3)、功能技術(shù)
供水管道泄漏檢測技術(shù)-水聽器壓力管道泄漏檢測法可監(jiān)測泄漏(漏損、滲漏、泄露),爆管、壓力波動等,當(dāng)系統(tǒng)捕獲到威脅管道健康的事件信號后,系統(tǒng)會利用內(nèi)部已構(gòu)建的事件特征庫來判別事件的類型,自動生成報警信息,儲存相關(guān)原始傳感數(shù)據(jù)的同時將報警記錄推送到監(jiān)控中心的用戶端界面上。該報警信息包含事件發(fā)生的時間,位置(系統(tǒng)完成標(biāo)定后可直接對應(yīng)到管道位置,并在GIS地圖上顯示)、事件類型等關(guān)健信息。管道運營單位可結(jié)合自身的運營管理規(guī)定,利用相關(guān)報警信息對相應(yīng)管道采取勘察或維護等措施。
① 數(shù)據(jù)分析及挖掘功能:
a. 波形圖和頻譜圖:系統(tǒng)的顯示方式包括信號的時域圖和頻域圖兩種.可調(diào)取實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行分析和展示,并且可通過管道、數(shù)據(jù)類型、圖表類型、時問段,測點等多種條件進行篩選。
b.頻譜瀑布圖:頻譜瀑布圖可展示頻率特征隨時間的變化的過程,幫助用戶以動態(tài)的方式分析信號的變化特征,提升問題的識別和解決能力。
c.趁勢分析:趁勢分析功能是一種對比分析技術(shù),可通過實時趨勢分析、歷史趨勢分析和相關(guān)趨勢的分析,形成特征曲線之問的相互對比,用以判別管道運營措施改進的有效性,提升管道健康管理水平。
② 智能預(yù)警報警功能:
系統(tǒng)會 24 小時不間斷的監(jiān)測管道運行狀態(tài),當(dāng)發(fā)生泄漏(泄露、漏損、滲漏)、爆管、壓力波動超過閾值時,監(jiān)測主機將自動判別并生成報警信息,推送到用戶軟件界面的報警通知組件中,報警信息會以列表的方式詳細(xì)呈現(xiàn)在軟件的前臺,并在管道地圖組件上標(biāo)識事件,展示時問、位置、類型等關(guān)鍵信息。該報警信息也可同時通過郵件或手機APP等方式推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人,及時獲知該報警,以便做出響應(yīng)。
③ 報警日志功能:記錄表中包括傳感各報警,管道報警等一切報警信息,用戶可根據(jù)感興趣的事件類型、時問范圍,空問范圍等維度對事件進行篩選,并可導(dǎo)出 excel版本的事件清單,便于事件的整體有效管理.
④ 智能評估功能:系統(tǒng)可對管道的健康狀態(tài)進行整體評估,并根據(jù)狀態(tài)評估結(jié)果,可視化的展示管道狀態(tài)。同時可根據(jù)用戶定制,定期生成狀態(tài)監(jiān)測運行報表。
⑤ 系統(tǒng)自診斷功能:系統(tǒng)具備自診斷功能,可監(jiān)測高頻壓力傳感器、水聽器傳感器、流量計及監(jiān)測主機的運行狀態(tài),當(dāng)異常發(fā)生后,采用標(biāo)準(zhǔn)流程進行設(shè)備恢復(fù)。
⑥ 壓力波動分析功能:系統(tǒng)可監(jiān)測和識別壓力波動信號,包含閥門開關(guān),水泵啟停、大客戶用水流量波動等引起的壓力浪動,尤其是水錘,可根據(jù)管道設(shè)計,評估壓力波動是否超標(biāo)、具有諧振性質(zhì)。
⑦ 水聽器信號分析功能:系統(tǒng)可監(jiān)測和識別水聲泄漏(泄露、漏損、滲漏)信號,具有很好的泄漏傳感能力??筛鶕?jù)水聽器信號還原評估水聲流動異常,協(xié)助用戶監(jiān)側(cè)管道泄漏,爆管等管道威脅事件,及時止損。
⑧ 智能巡查巡檢功能:系統(tǒng)可設(shè)置智能巡查巡檢功能,提升巡查頻次的同時,減少人力現(xiàn)場巡查的消耗。
⑨ 管道地圖組件:利用GIS地圖系統(tǒng)搭建了管道地圖組件,直接獲得管道健康事件發(fā)生的具體物理位置。管道的地理走向會直接繪制在管道地圖組件的界面上,事件發(fā)生時,也會在相應(yīng)的管道位置標(biāo)識事件。管理人員可利用 GPS 坐標(biāo)直接前往事件位置所在,及時阻止管道破壞事件的發(fā)生.
⑩ 事件處理組件:事件處理組件主要用于管道健康事件的閉環(huán)管理,系統(tǒng)不僅提供報警信息,管道運營管理人員可以利用該事件處理組件進行事件的完整管理。
? 權(quán)限管理組件:系統(tǒng)擁有權(quán)限管理的功能,可根據(jù)角色分工的不同,配置不同的系統(tǒng)權(quán)限。
? 系統(tǒng)集成組件(開放接口):系統(tǒng)擁有開放接口,中心系統(tǒng)可以通過開放接口獲得管道健康預(yù)警信息。同時,系統(tǒng)可與自動化系統(tǒng)進行聯(lián)動,以確保在發(fā)生管道威脅事件后,可以及時采取行動,關(guān)閉輸水作業(yè),減少損失和引起的次生災(zāi)害。
2.2、分布式光纖管道泄露檢測法
(1)、組成
供水管道泄漏檢測技術(shù)-分布式光纖管道泄露檢測法是通過在輸水管道內(nèi)布置傳感光纜(聲波振動光纜、溫度光纜、應(yīng)變沉降光纜),實現(xiàn)對管道的健康監(jiān)測,主要包含以下內(nèi)容:分布式光纖解調(diào)儀(聲波振動解調(diào)儀、溫度解調(diào)儀、應(yīng)變沉降解調(diào)儀)+傳感光統(tǒng)鋪設(shè)。
(2)主要參數(shù)
傳感光統(tǒng):具備抗拉伸能力,滿足 《 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管分布式光統(tǒng)聲監(jiān)測技術(shù)要求 》 GB/T41057-2021 的要求;
分布式光纖解調(diào)儀:
a .在人機界面上實時顯示監(jiān)測狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù);
b .主機配里高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備;計算機系統(tǒng)內(nèi)存容量、內(nèi)存帶寬,硬盤容盆和硬盤讀寫速度與系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行的要求相匹配;
c .其備定時發(fā)送模擬斷絲信號,沉降信號、入侵信號、泄漏信號的功能,通過能否檢測出模擬斷絲信號判斷其工作狀態(tài)是否正常;
d .具備故障報警和光纜斷纖報警功能;
e .具備數(shù)據(jù)庫功能,能夠?qū)嘟z監(jiān)測結(jié)果(位置、時問)寫入數(shù)據(jù)庫,支持用戶查閱歷史監(jiān)測記錄。
(3)、功能技術(shù)
供水管道泄漏檢測技術(shù)-分布式光纖管道泄露檢測法的功能技術(shù)跟水聽器壓力管道泄漏檢測法類似,在智能預(yù)警報警功能里有點區(qū)別,分布式光纖管道泄露檢測法是當(dāng)發(fā)生斷絲、爆管、位移沉降、挖掘、打樁時,分布式光纖解調(diào)儀將自動判別并生成報警信息。
該方法采用ANN(效仿人腦神經(jīng)的應(yīng)用,注重核心算法的不斷迭代升級,加強軟件程序的有效處理)的主動檢測技術(shù),ANN技術(shù)通過對數(shù)據(jù)采集技術(shù)(supervisory control and data acquisition,SCADA)與模型建立技術(shù)的結(jié)合使用,依賴瞬態(tài)分析技術(shù),對所獲得的數(shù)據(jù)進行分析,模仿人腦的不確定性概念判斷、推理思維方式,對于模型中所缺乏的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以及強非線性、大滯后的數(shù)據(jù),應(yīng)用模糊集合和模糊概念進行推理,確定漏點的位置。相較于傳統(tǒng)方法,這類方法的經(jīng)濟性和效率有了很大的提升。另外蟻群優(yōu)化算法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與聚類算法等進一步提升標(biāo)定漏點的位置。
三、技術(shù)對比
技術(shù)名稱 | 泄漏檢測原理 | 檢測儀器或系統(tǒng) | 泄漏識別度 | 定位準(zhǔn)確度 | 特點 | 運用場景 |
水聽器壓力管道泄漏檢測法 | 獲取泄漏點聲波和壓力信號來確定泄漏點位置 | 水聽器、高頻壓力傳感器(高頻壓力計)、RTU | 高 | 一般,跟安裝間距有關(guān) | 成本低,微小滲漏易檢測,接觸水,安裝簡單 | 供水引水管道、市政城市管網(wǎng) |
分布式光纖管道泄露檢測法 | 獲取泄漏點聲波振動信號、溫度差異、應(yīng)變進展來判別泄漏位置 | 光纖聲波振動解調(diào)儀、光纖溫度解調(diào)儀、光纖應(yīng)變沉降解調(diào)儀、傳感光纜 | 一般 | 高 | 成本較高,爆管易檢測,無源,安裝工藝較高 | 長距離輸水、輸油、輸氣工程 |
四、結(jié)語
本公司提供的這兩種供水管道泄漏檢測技術(shù)方法,無論是水聽器壓力管道泄漏檢測法還是分布式光纖管道泄露檢測法都比傳統(tǒng)人工聽音桿或者壓力流量檢漏法要更具有時效性、準(zhǔn)確性、主動性,在泄漏發(fā)生后的一定時間內(nèi)可主動縮小漏點的范圍,隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展使數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性大大增強,大幅提升了傳感器、用戶、管理平臺、數(shù)據(jù)處理后臺四者間的信息交互時效性,有效解決了供水管道漏損檢測技術(shù)中的信息滯后問題。