一种管道输水系统多点微小泄漏检测装置及方法与流程

本发明涉及管网系统漏损检测技术，具体涉及一种管道输水系统多点微小泄漏检测装置及方法。

背景技术：

管道泄漏是管道输送液体过程中一种普遍存在的现象，造成大量的资源损失、能量浪费和环境污染。管道漏损检测主要研究管道输水工程、输配水管网、城市排水管网中泄漏预警、监测和快速准确定位的理论和方法，以及控制和降低管道泄漏损失或者产销差的相关技术，为供排水管道的管理维护、高效稳定运行提供理论依据和技术参考。它是当前节水型社会建设的一个热点需求，具有重大的社会经济和现实意义。一直以来泄漏问题是油气输运、城镇市政给排水领域关注的重点，近年我国兴建了大量的长距离调水工程，尤其调水工程二期、三期的配套输配水管网工程、农村安全饮水工程干支管网、大型灌区管网工程等，都迫切需要相应的泄漏监测装置和控制理论方法进行技术支撑。

国内外都重视管道、管网漏失问题，多年积累的泄漏检测技术大体上可分为直接检测法和间接检测法两大类。前者主要是从监测和预警的角度研究，后者可归结于基于传感器、数据采集系统、仿真软件为一体的检测方法。水力瞬变检测法是国内外管道泄漏检测准确性、可靠性较高的一种方法，因为在瞬变条件下，即使微小的泄漏，管道的水压波形也存在着明显差别，与其它方法(如压力梯度法、负压波法等)相比，这一特点可以更准确的检测出泄漏和更好的确定泄漏发生位置。

常见管道输水系统的典型布置一般包括以下几种：

(1)泵站到管道，再到调节池(或者出水池、调压井、水库)，然后在调节池后接明渠或者管道，如引黄入晋输水工程，南水北调中线北京段有压管涵输水；

(2)调节池到管涵，再到调节池(或者保水堰)，然后在调节池后接明渠或者管涵，如南水北调中线天津段有压管涵输水系统；

(3)调节池(泵站)到管网，然后管网后接用户，如一般的市政供水系统。

上述管道输水系统的泄漏检测模型可归纳为：水库(调节池、泵站)到管道，再到阀门，这是目前国际上研究较多的概化物理模型，如图1所示。虽然现有水力瞬变泄漏检测法有很多优点，但却存在以下问题：

(1)现有针对输水系统的泄漏检测一般检测精度不太高。现代输水系统管道口径一般较大，从安全运行考虑，一般是中、低压，如正在建设的南水北调中线南干渠工程，单管直径4.7m，设计采用低压管涵自流输水方式；这种实际概况与目前水力瞬变泄漏检测方法需要的条件不符，因为管道压力越低，泄漏等引起的瞬变压力波就越不容易捕获，实测信号信噪比越低，尤其是当泄漏孔的直径较小时，由于泄漏量较小，真实信号常被掩盖在干扰信号下(比如环境噪声等)，致使现有的水力瞬变泄漏检测法失效。

(2)现有泄漏检测方法和装置无法多对泄漏孔的情况进行检测。由于泄漏点的辨识和定位方法一般都是针对某一处泄漏的检测，而实际输水系统或者市政管网受压力调控，当局部管段压力过高或者受磨蚀、磨损、震动等影响，有时会出现两处甚至多处同时泄漏，这种情况一般的恒定流检测方法常常失效，且两处泄漏所引起的瞬变水击波的衰减和畸变规律又跟单孔泄漏大不相同，所以只针对一处泄漏的检测方案不再适用。

(3)目前国内外研究提出的泄漏瞬变检测法利用管道末端阀门迅速全关或全开产生流量脉冲或等幅正弦周期扰动、方波扰动，管道承受的水击压较大，不符合设计、要求，寻求一种新的类似阀门关闭产生瞬变流效果的激励方式有待突破。尤其是大型管道工程，一般采用缓慢的阀门启闭速度，以减小管道承受的水击压力，或者防止管道因瞬时压力过低发生液体汽化现象，保证系统运行安全。

综上所述，亟需一种针对多点泄漏、小泄漏孔的泄漏监测方案，实现对多点泄漏、小泄漏孔的精确测量，且不受限于实际设计、运行要求，能够广泛应用，可靠性高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是设计一种针对多点泄漏、小泄漏孔的泄漏监测方案，实现对多点泄漏、小泄漏孔的精确测量，且不受限于实际设计、运行要求，能够广泛应用，安全性和可靠性高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种管道输水系统多点微小泄漏检测方法，包括以下步骤：

步骤1、根据管道承压能力，在被检测管网系统的管道末端安装瞬变激励信号产生设备，在管道末端靠近端瞬变激励信号产生设备处安装单点压力传感单元，监测管道上游已知压力位置与瞬变激励信号产生设备之间的微小泄漏点；

步骤2、启用瞬变激励信号产生设备，产生短时激励信号，单点压力传感单元同步采集瞬变压力信号；

步骤3、分析瞬变压力信号，对信号的首相压力波的压力突变点对应的时刻和降低幅值进行解析；

步骤4、根据首相压力波的压力突变点的个数，辨识泄漏点个数；依据每个压力突变点对应的时刻和降低幅值计算每个泄漏点位置和泄漏参数。

在上述方法中，每个泄漏点位置确定公式为：tx-t0＝2x/a；

其中，t0为瞬变产生的时刻；tx为压力波经泄漏点反射回激励位置的时间；x为是各泄漏点到下游激励位置的距离；a为水击波速。

在上述方法中，泄漏参数的确定公式为：

其中，h1–h0为第一个升压波压力波峰与初始恒定压力的差值，h0为初始时刻该点的压力值；h1–h2为第一个压力突变点的下降幅值；h2–h3为第二个压力突变点的下降幅值；h3–h4为第三个压力突变点的下降幅值；hn–hn+1为第n个压力突变点的下降幅值；(cdag)1为第一个泄漏孔的大小；(cdag)2为第二个泄漏孔的大小；(cdag)3为第三个泄漏孔的大小；(cdag)n为第n个泄漏孔的大小；

a为水击波速，g为重力加速度；a为管道过流面积。

本发名还提供了一种管道输水系统多点微小泄漏检测装置，包括：

瞬变激励信号产生设备，安装在被检测管网系统管道末端，用于产生短时激励信号；

单点压力传感单元，设置在管道末端靠近端瞬变激励信号产生设备处，同步实时采集瞬变压力信号；

数据分析计算单元，接收所述单点压力传感单元同步实时采集瞬变压力信号；分析瞬变压力信号，解析瞬变压力信号的首相压力波的压力突变点对应的时刻和降低幅值，并根据首相压力波的压力突变点的个数，辨识泄漏点个数，依据每个压力突变点对应的时刻和降低幅值计算每个泄漏点位置和泄漏参数。

在上述装置中，

所述瞬变激励信号产生设备为低强度瞬变流激发器或者末端激励阀门；

所述单点压力传感单元采用高精度压阻式压力传感器。

在上述装置中，所述低强度瞬变流激发器包括：

蓄能器空气罐，用于储存压缩空气和水体；

磁致伸缩式液位计，设置在所述蓄能器空气罐上，用于实时测量所述蓄能器空气罐内水位降落幅度和速度；

压力表，设置在所述蓄能器空气罐顶部，用于实时测量所述蓄能器空气罐空气的压力值；

出水管，一端与所述蓄能器空气罐底部连接，另一端通过一个控制球阀与管网系统末端管道连接，通过快速开或关所述控制球阀为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流。

在上述装置中，所述磁致伸缩式液位计包括浮球、导杆和压力显示单元；

所述浮球套装在由一定的磁致伸缩物质构成的所述导杆上，竖直设置在所述蓄能器空气罐内部；

所述导杆下端固定在所述蓄能器空气罐底部，上端穿出所述蓄能器空气罐与所述压力显示单元固定连接；

水位上升或下降时，所述浮球随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿所述导杆的波导丝传到所述压力显示单元，所述压力显示单元根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。

在上述装置中，所述由空气蓄能器和压力罐组成；

所述空气蓄能器顶部设置所述压力表，底部通过法兰连接所述压力罐顶部；

所述压力罐上设有所述磁致伸缩式液位计，所述磁致伸缩式液位计的导杆竖直设置在所述压力罐内部，所述导杆下端固定在所述压力罐底部，上端穿出所述压力罐与所述磁致伸缩式液位计的压力显示单元固定连接。

在上述装置中，包括以下关键设计参数：

蓄能器空气罐整体高度h0；

蓄能器空气罐的直径dv；

蓄能器空气罐初始内部水位高度h；

出水管长度l0及直径d0，反映到综合流量系数为cdag。

在上述装置中，所述关键参数的最佳取值范围为：h0＝1.1-1.3m；dv＝300-500mm，h＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；l0＝1.0-1.5m。

本发明利用瞬变水击的第一个压力波的衰减和畸变规律跟单孔泄漏不同，进行多点、微小泄漏的辨识，简单有效，定位公式也较其他方法易于理解；定位时仅需要关心压力波第一次反射到管道末端处的信号，对于管道内部流动机理及其后的衰减过程并不要求了解，因此只需在阀门处设置一个压力传感装置，需要采集的数据量小；同时本发明是基于瞬变流水击波分析，因此检测信号相对恒定流情况有所放大，且信噪比高，能克服传统方法对于微小缓慢泄漏不能快速检出的不足，而且避免了全时段上瞬变过程的模拟，无需模拟管道非恒定摩阻。

附图说明

图1为目前管道输水系统的泄漏检测模型示意图；

图2为本发明提供的一种管道输水系统多点微小泄漏检测装置的布置示意图；

图3为本发明中低强度瞬变流激发器的结构示意图；

图4为本发明中低强度瞬变流激发器为分体式的结构示意图；

图5为本发明提供的一种管道输水系统多点微小泄漏检测方法的流程图；

图6为瞬变激励信号产生设备关闭后为瞬态压力波的传播特征线；

图7为不同泄漏参数(多点泄漏)时，瞬变水击第一个压力波衰减形态示意图；

图8为无泄漏工况时压力传感单元测量的压力波形态图；

图9为有两个泄漏孔泄漏工况时压力传感单元测量的压力波形态图。

具体实施方式

本发明应用于管道输水系统(包括长距离管道输水、市政供水管道)小泄漏孔、多点泄漏检测的方案，仅依靠少量传感信息便能快速准确定位管道输水工程、输配水管道发生多点泄漏的技术，尤其适用于多点且是微小泄漏孔的复杂情况。其中，本发明检测对象是微小泄漏，对微小泄漏的人定义是：ag/a<0.5％，其中ag为泄漏孔面积，a为对应的管道过流面积。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图2所示，为本发明提供的一种管道输水系统多点微小泄漏检测装置的布置示意图，本发明的一种管道输水系统多点微小泄漏检测装置包括：

瞬变激励信号产生设备100，安装在被检测管网系统管道末端，用于产生短时激励信号；

单点压力传感单元200，设置在管道末端靠近端瞬变激励信号产生设备100处，同步实时采集瞬变压力信号，在本发明中，单点压力传感单元200采用高精度压阻式压力传感器；

数据分析计算单元，接收所述单点压力传感单元200同步实时采集瞬变压力信号；分析瞬变压力信号，解析瞬变压力信号的首相压力波的压力突变点对应的时刻和降低幅值，并根据首相压力波的压力突变点的个数，辨识泄漏点个数，依据每个压力突变点对应的时刻和降低幅值计算每个泄漏点位置和泄漏参数。

在本发明中，瞬变激励信号产生设备为低强度瞬变流激发器或者管道末端的激励阀门7(当被测输水管道承压能力高的时候采用)。其中，如图3所示，低强度瞬变流激发器包括：

蓄能器空气罐10，用于储存压缩空气和水体，在本发明中，由于圆柱体受力好，且最常见，蓄能器空气罐10一般为圆柱形。

磁致伸缩式液位计20，设置在蓄能器空气罐10上，用于实时测量蓄能器空气罐10内水位降落幅度和速度；其中，磁致伸缩式液位计20包括浮球21、导杆22和压力显示单元23，其中，浮球21套装在由一定的磁致伸缩物质构成的导杆22上，竖直设置在蓄能器空气罐10内部，导杆22下端固定在蓄能器空气罐10底部，上端穿出蓄能器空气罐10与显示单元23固定连接；水位上升或下降时，浮球21随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿导杆22的波导丝传到压力显示单元23，压力显示单元23根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。

压力表30，设置在蓄能器空气罐10顶部，用于实时测量蓄能器空气罐10空气的压力值，

出水管40，一端与蓄能器空气罐10底部连接，另一端通过一个密封性好的控制球阀41与管网系统末端管道连接，通过开或关控制球阀41为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流，在本发明中，出水管40的直径要求较小，一般小于1cm。

本发明采用的低强度瞬变流激发器依靠流量突然变化产生水击激励波，实现了类似于传统阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果，且激发水击压力波压力值可控，可以根据管道可承受的压力值任意设定，方便灵活，另外，其关键部件均为成熟器件，组合起来简单，投资低，适合推广。

如图2所示，上游水库1水压恒定，待测管网系统上有两个模拟泄漏的泄漏孔，分别为第一泄漏孔5和第二泄漏孔6，两个泄漏孔待测管道分为第一管道2、第二管道3和第三管道4，在使用本发明提供的低强度瞬变流激发器代替传统激励阀门7安装在管网系统末端时，关闭原有管网系统管道末端阀门7，将本发明的出水管40设有控制球阀41的一端接入末端管道或者供水管网消火栓出口。

在安装前，要做以下准备：

(1)向蓄能器空气罐10内充入一定体积的水体，一般满足0.7<h/h0<0.9，其中，h0为蓄能器空气罐整体高度，h为蓄能器空气罐初始水位高度(即充入水体的高度)；

(2)利用充气泵向蓄能器空气罐10内打入氮气等气体，通过压力表30得到蓄能器空气罐10内压缩空气的压力；

(3)关闭出水管40上的控制球阀41。

在安装后，要运行检测，具体如下：

手动快速打开控制球阀41，使得具有较高压的水体沿着出水管40进入待检测管网系统(或管道)，产生流量突变，进而激励出低强度的瞬变流，利用单点压力传感单元200同步实时采集瞬变压力信号，可以得到类似于传统阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果。

在本发明中，为了便于拆卸和易于维护；蓄能器空气罐10还可以设计成分体式，如图4所示，将蓄能器空气罐10分为单独的空气蓄能器11和压力罐12；

空气蓄能器11内部充满压缩空气，顶部设置压力表30，底部通过法兰连接压力罐12顶部；压力罐12上设有磁致伸缩式液位计20，磁致伸缩式液位计20的导杆22竖直设置在压力罐12内部，导杆22下端固定在压力罐12底部，上端穿出压力罐12与磁致伸缩式液位计20的显示单元23固定连接。

本发明还包括一个支座或者可移动的小车50，支撑或移动蓄能器空气罐10，便于安装和操作运行。

在本发明中，低强度瞬变流激发器，包括以下关键设计参数：

(1)蓄能器空气罐整体高度h0；

(2)蓄能器空气罐的直径dv；

(3)蓄能器空气罐初始内部水位高度h；

(4)出水管长度l0及直径d0，反映到综合流量系数为cdag。

在其它参数不变的情况下：蓄能器直径越大，第一个水击波越平缓；出水管直径相对越大，激发压力越大；球阀开启时间越短，水击波越不平滑，即器件选择和控制标准为蓄能器空气罐直径越大、控制球阀开启时间越短越好。在本发明中，关键参数最佳取值范围为：h0＝1.1-1.3m；dv＝300-500mm，h＝0.9-1.1m；d0＝5-8mm；l0＝1.0-1.5m。

如图5所示，本发明提供了一种管道输水系统多点微小泄漏检测方法，包括以下步骤：

步骤1、根据管道承压能力，在被检测管网系统的管道末端安装瞬变激励信号产生设备，在管道末端靠近端瞬变激励信号产生设备处安装单点压力传感单元，实现监测水箱(或者管道上游已知压力位置)与瞬变激励信号产生设备之间的微小泄漏点；

步骤2、启用瞬变激励信号产生设备，产生短时激励信号，单点压力传感单元同步采集瞬变压力信号；

步骤3、对瞬变压力信号进行检测分析，对信号的首相压力波的压力突变点对应的时刻和降低幅值进行解析；

步骤4、根据首相压力波的压力突变点的个数，辨识泄漏点个数；依据每个压力突变点对应的时刻和降低幅值计算每个泄漏点位置和泄漏参数。

(1)对于泄漏辨识的原理。

当管道系统存在多个小泄漏孔时，泄漏孔的位置和大小直接影响管道的系统特性，即泄漏将引起瞬变水击波每一个波峰、波谷处的不连续，反映在第一个水击增压波上，波形上不同的压力突变点的位置决定某一个泄漏的位置，在没有分叉、堵塞等因素影响时，有几个压力突变点就有几处泄漏，同时压力突变点衰减的幅值决定泄漏量的大小，因此可根据多处泄漏时水击第一个压力波(首相压力波)畸变表达的泄漏特征信息来进行泄漏的辨识。

(2)对于泄漏点位置的确定。

如图2所示，设泄漏点距下游瞬变激励信号产生设备l，管道全长为l，上游水箱初始水位为h0，管道的初始流量为q0(如用低强度瞬变激发器激发压力，该值可通过测量激发前部压力或者蓄能器空气罐水位降低计算得到)，设瞬变产生的时刻为t0，图6为瞬变激励信号产生设备关闭后为瞬态压力波的传播特征线。

如图6所示，定义点a、b分别为管道水库和下游瞬变激励信号产生设备的初始状态，c为瞬态压力波第一次到泄漏点处，d点为形成的负压波反射回瞬变激励信号产生设备处。无泄漏时，由管道水击理论，如果上游为水库，在无摩擦的情况下，瞬变压力波将无衰减的从激发处(瞬变激励信号产生设备)向上游传递，当压力波到达泄漏点时，泄漏量会因内外压差的增大而增大，管道内部泄漏点处的压力会因泄漏量增大而相应减小，产生一个负压波，此负压波会向管道末端瞬变激励信号产生设备处反射，类似与无泄漏时压力波到达水库后的反射。无泄漏时的水击波在任何一个连续波峰对应的整个时间为2l/a，即水击半反射时间，且固定不变。

在图7中，依靠瞬变激励信号产生设备激发引起的瞬变水击第一个压力波的衰减形态，各点的泄漏位置可以通过t1、t2、t3的压力突变点位置出现的时刻来获得；因反射时间tx不同，所以多点泄漏位置就不同，其中

tx-t0＝2x/a(1)；

其中，x是各泄漏点到下游激励位置(管道末端)的距离，为实际管道长度，如图7所示，有3个泄漏点，每个泄漏点到下游激励位置的距离分别为x1、x2、x3；t0为瞬变产生的时刻；tx为压力波经泄漏点反射回激励位置的时间；a为水击波速。

根据泄漏瞬变检测原理和方法，可导出如下各压力突变点泄漏孔大小与水击波幅值之间的一组关系式为：

其中，h1–h0为第一个升压波压力波峰与初始恒定压力的差值，h0为初始时刻该点的压力值；h1–h2为第一个压力突变点的下降幅值；h2–h3为第二个压力突变点的下降幅值；h3–h4为第三个压力突变点的下降幅值；hn–hn+1为第n个压力突变点的下降幅值；(cdag)1为第一个泄漏孔的大小；(cdag)2为第二个泄漏孔的大小；(cdag)3为第三个泄漏孔的大小；(cdag)n为第n个泄漏孔的大小；a为水击波速，g为重力加速度；a为管道过流面积。

从(2)式可以看出，只要准确获得第一个水击波的衰减形态过程，即获得的压力突变点位置出现的时刻t1、t2、t3和全程衰减的不同压力值h1、h2、h3、h4，那么利用公式(1)和(2)即可完成泄漏点位置的确定，该法对管道内部流动机理及其后的衰减过程并不要求准确模拟，因此只需在激励处设置一个压力传感装置即可，且需要采集的数据量小。

下面通过具体实施例对本发明进行详细说明，某水库管道输水系统如图2所示，上游水箱水位10m，后接主管，管道基本参数如表1所示。

表1：管道基本参数表。

在管道末端布置一只压力传感单元，即量程100kpa的硅压阻式差压传感器1只，分辨率为0.01kpa。应用本发明提出的低强度瞬变激发器产生激励信号，其中蓄能器空气罐直径300mm，高度1.2m，蓄能器空气罐初始水位0.8m，出水管管长1m，管径7mm，粗糙度0.01mm。

以两处泄漏为例进行说明，实际泄漏工况如下：

泄漏孔1直径4mm，即ag/a＝0.16％，属于微小泄漏孔，泄漏孔1位置距离上游水箱100m；泄漏孔2直径也是4mm，即ag/a＝0.16％，泄漏孔2位置距离上游水箱300m。

根据本发明步骤2至步骤4，首先将蓄能器空气罐中压入p＝50m的压缩空气，压力表读数0.5mpa；球阀在t0＝0.2秒时刻经过0.1秒手动全开制造流量扰动，激励低强度的瞬变流；同步测量压力传感单元的压力，对测量所得的瞬变压力信号进行检测分析，对信号的首相压力波尤其是压力突变点对应的时刻和降低的多个幅值进行解析；利用本发明提出的定位公式(1)和(2)辨识参数。

图8为无泄漏工况时压力传感单元测量的压力波形态图，图9是有两个泄漏孔泄漏工况时压力传感单元测量的压力波形态图。在图9中，首相水击波压力突变点分别对应的时刻t1＝0.69s和t2＝1.69s，利用定位公式(1)得到泄漏孔位置分别距离上游98m和298m，定位精度十分高。此外，从图9中读出h1、h2、h3，利用公式(2)也可得到两个泄漏孔的泄漏参数。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。