智能基础建设研发

智能基础建设研发

多维度感应综合供水管网检漏方案

多维度感应综合供水管网检漏方案

监控、定位供水管网漏损是减少城市无收益水的重要组成部分。目前国内外市场上仍没有一种方法能有效准确的实时发现和定位管网的漏损点,而已经在应用的3种技术都各有优缺点:


压力波检漏

声波检漏

流量检漏(DMA分区)

管网类型

适用于所有类型的管网配置


适合于有效管理的分区系统

管道尺寸

适用于所有管径


适用于中大型管径的管道

管道材料

适用于所有管材

较适用于金属管道

适用于所有管材

感应覆盖

长距离,检测距离可达1~2Km

短距离,检测距离达100~300m


定位精度

依管网信息的完整程度,漏点定位精度可高达±50m

达到一定饱和度的布点,可定位到±5m的泄漏事件

无法精确定位

泄漏类型

可检测新发生的爆管事件

在没有环境噪音的情况下,可检测正在扩大的泄漏

在有效分区的情况下可检测所有泄漏



整合这些成熟技术的优点,再结合一些新的方式,我们整理出一套基于多维度感应的综合管网检漏方案,包含:压力波爆管监测,DMA分区计量,声波监测,管道机器人巡检。

image.png

这套方案大致分为几个步骤:

● 实时监测

对供水管网的实时监控管理包括供水压力管理和供水流量管理。

主要采用的传感器包括:用户智能水表,户外流速传感器,户外远程压力采集,以及针对管道内水压的高频率采集可捕捉到的管道内因异常产生的压力波:

image.png

image.png

供水压力是保障城市供水服务的重要因素,同时恰当和稳定的供水压力又是确保城市供水管网安全运行和有效控制物理漏失的基本条件,压力过高、过低或过度波动都不利于城市供水管网的安全高效运行,因此实时掌握城市供水管网的压力动态是管理供水系统不可或缺的内容。

供水管网的流量与供水压力有着密切的相关性,对管网流量的监测也是保障城市供水服务的另一个重要因素,在管网压力监测的基础上辅助流量的监测和分析,可以进一步保障供水安全和提升。

 

● 初步定位

DMA分区管理是控制城市供水系统水量漏失的有效方法之一,主要是通过对管网进行合理分区,实现不同层级的管网计量分区(DMA),如下图,从而有效监控管网的爆管和夜间流量,实现异常预警和漏失定位,提高管网管理效率,降低漏失率。

5b62cc6b04e73.png

5b62cc7db737e.png

通过压力波发现的相邻传感器的爆管事件,通过压力瞬变发生的时间差,可使用时差法捕获定位爆管地点。当然,由于压力波在复杂管网中的速度变化以及管网信息的误差,导致该方法的定位依然无法精确。

5b62cc9cda41c.png


● 精确定位

要精确定位漏点,我们需要结合更多的技术:

■ 管道听诊定位

下图转自郑州日报:2017-07-03《城市供水管网的深夜“听诊师”》

郑州供水做了13年的管网检漏工,仅凭听音,便能准确判断出深埋地下的地下供水管是否漏水、漏水位置、管网材质和漏点大小。凭借这项“听音断漏”本领,每年队伍能检出900多处供水管网暗漏。然而这种人工听诊的方法有着效率低下、受环境噪音影响大、比较难掌握等问题。据报道描述:“听音没有教程,都是师傅带徒弟,一般徒弟要三年才能出师”。

5b62ccb98d53a.png

■ 声波传感器

相比之下,使用声波传感器分析管道声波数据来模拟听诊师的人工听诊,可达到更好的自动化、智能化效果,大大提高效率和准确性。其特点为:

● 用于监测管道暗漏照成的声波特点来发现管道泄漏事件

● 用自动声波信号自动化采集、分析、判断来代替人工管道听诊

● 可分析长期变化规律提高监测准确性

● 采样频率范围(1000Hz ~ 10000Hz,每小时采集一次)

● 方便安装及移动

5b62ccce19a9a.png

水锤对管道损害的研究

水锤对管道损害的研究

在有压力管路中,由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵机组突然停车)使水的流速突然发生变化,从而引起水击,这种水力现象称为水击或水锤。因开泵、停泵、开关闸阀过于快速,使水的速度发生急剧变化,特别是突然停泵引起水锤,可以破坏管道、水泵、阀门、并引起水泵反转,管网压力降低等,所以,预防水锤发生极为重要。

 

水锤发生的原因:关闭管道产生的弹性波从原点向上游和下游传递产生流速变化,

● 瞬时压力升高与波速 a 成正比,

● 波速 a 与管道径厚比 d/t 成反比,

瞬时压力产生的效果:

一段244米长的管道,水流速1.2m/s,下游阀门管路中的压力为0.41 MPa,如果阀门在10秒钟时间内关闭,则压力增加到0.57 MPa,即水锤将压力增加了0.15 MPa。

在同一条件下,停泵水锤比启动水锤和关阀水锤的危害性要大,直接水锤比间接水锤的危害性要大,但危害最大的是当管路中出现水柱分离而产生的断流弥合水锤。

5b62cce5939a9.png

水锤效应有极大的破坏性:由于水锤的产生,使得管道中压力急剧增大至超过正常压力的几倍甚至十几倍,其危害很大,会引起管道的破裂,影响生产和生活。压强过高,将引起管子的破裂,反之,压强过低又会导致管子的瘪塌,还会损坏阀门和固定件。

 

那么监测到水锤之后我们能采用哪些办法消除水锤呢?

 

a.开关阀门过快引起的水锤:

(1) 延长开阀和关阀时间。

(2) 离心泵和混凝泵应在阀门半闭15%-30%时而不是全关时停泵。

b.泵引起的水锤

(1) 排除管道内的空气,使管道内充满水后再开启水泵,凡是长距离输水管道的高起部位都应设自动排气阀。

(2) 停泵水锤主要因出水管止回阀关闭过快引起,因此,取消止回阀可以消除停水泵水锤的危害,并且可以减少水头损失,节约电耗;目前经过一些大城市的实验,认为一级泵房可以取消,二级泵房不宜取消;取消止回阀时应进行停水锤压力计算,为减少和消除水锤,目前常在大口径管道上安装微阻缓闭止回阀。采用缓冲止回阀、微闭蝶阀安装在大口径的水泵出水管上,可有效的消除停泵水锤,但因阀门动作时有一定的水量倒流,吸水井须有溢流管。紧靠止回阀并在其下游安装水锤消除器。

水锤消除器能在无需阻止流体流动的情况下,有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌发生的不规则水击波震荡,从而达到消除具有破坏性的冲击波,起到保护之目的。

 

水锤消除器的内部有一密闭的容气腔,下端为一活塞,当冲击波传入水锤消除器时,水击波作用于活塞上,活塞将往容气腔方向运动。活塞运动的行程与容气腔内的气体压力、水击波大小有关,活塞在一定压力的气体和不规则水击双重作用下,做上下运动,形成一个动态的平衡,这样就有效地消除了不规则的水击波震荡。

5b62ccfdd366f.png

长距离输水中的水锤危害

长距离输水中的水锤危害

水锤是影响长距离压力输水工程安全运行的一个重要因素,不少工程因水锤而引起爆管。我们这里着重研究长距离压力输水工程的一种管材:PCCP管。

 

预应力钢筒混凝土管( Prestressed Concrete Cylinder Pipe,简写PCCP)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝,再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。它是由薄钢板、高强钢 丝和混凝土构成的复合管材,它充分而又综合地发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能,具有高密封性、高强度和高抗渗的特性。

5b62cd11709e7.png

PCCP管道由于其结构设计的特点,为了追求节省钢材的目的,通过钢材的冷加工来提高屈服强度,同时,结构设计余量相对较小,因此,对设计计算负荷,使用环境,制造,安装和管道运行操作都提出了更高的要求。管道压力过高,或者是瞬时压力往往是PCCP失效的主要原因

 

高于设计压力可能会导致砂浆涂层开裂,以及可能影响管道耐用性,下图显示PCCP管道失效与内水压和断丝数量的关系,纵坐标为压力(100 psi=0.69 MPa),横坐标为断丝数量。黄色区域为管道需要修复的最高等级RP1,蓝线上方与黑线之间属第二级RP2待修理区域,如果计划管道线路大修,应将RP3区域考虑进去。

l RP1区域显示管道结构已超过强度极限,即将发生爆管,如果可能管道应尽快修理。

l RP2区域显示管道结构已超过强度极限状态,失效随时间发生,管道应尽快修复。

l RP3区域显示管道超过适用性极限,故障会发生在更长的时间之后,无需修理,但需定期检查。

5b62cd33f3714.png