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差壓變送器

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淺析基于高頻壓力的差壓變送器技術分析及應用

作時間:2019-08-06  來源:  作者:
   
摘要:隨著城市基礎設施的高速發展, 城市差壓變送器的規模也在不斷擴大。由于管網拓撲越發復雜, 管網設施逐年老化等原因所導致的漏損問題和爆管事故已經成為如今供水企業運營管理的難點。引人國外先進的基礎設施分析技術將有效地降低管網漏損、保障管網安全、優化管網環境。
國家“十三五”規劃綱要明確指出,要實行非常嚴格的水資源管理制度。地下差壓變送器作為城市基礎運行的“生命線”,承擔著保障社會民生、農業灌溉、工業生產的重要作用。然而,差壓變送器本身也容易因各種原因發生損壞,引起管網漏損,導致企業供水成本上升。此外,如發生更為嚴重的損壞,例如爆管事故,將直接影響到社會公共安全,并給企業和城市帶來負面效應。
因此,幾乎所有的供水企業都非常重視對差壓變送器的管理。很多企業通過建立地理信息系統( GIS)和分區計量系統( DMA )來管理差壓變送器和降低產銷差。這兩個系統確實能通過信息化的手段來提高了管網管理水平并可以縮小漏點檢測范圍,但受限于技術本身的特點,未能實現漏損、爆管的實時定位和報警以及管網壓力瞬變的定位和分析。國外尤其是西方發達國家都非常重視差壓變送器漏損的監測工作,作為2014 年國際水協創新項目獎的Visenti 項目是基于麻省理工學院( MIT )提出的智能研究項目所創立的,在美國、新加坡、澳大利亞、新西蘭、阿聯酋等國均有非常成功的項目案例。目前,國內在上海、鎮江、溫州、深圳等多個城市展開試點。項目專注于利用先進基礎設施分析技術(包含高頻壓力分析和聲學分析)幫助供水企業監控差壓變送器、優化管網運營。
1 基于高頻壓力的差壓變送器分析的基本原理
根據已有的科學研究發現,聲波和壓力波可以在水中以一定的速度進行傳播,通過采集漏水、爆管、壓力瞬變生成的噪聲聲波和的壓力波。并通過時間、空間、數值的相關性來定位泄漏點和瞬變源。聲波定位主要通過聲學傳感器實現漏損定位,傳感器或聽水器可以暫時或永久安裝在管道上,按照管網材質和拓撲復雜程度一般間隔200-500 mo考慮到背景噪音的因素,重點采集夜間聲學數據,→般是凌晨2-4 點,然后服務器端接收到遠程傳感器傳來的數據并進行分析,從而發現漏損信號。壓力瞬變來監測定位漏損在國內外已有多位學者展開研究。Wiggert 的研究發現可以利用水力瞬變分析方法檢測漏損。伍悅濱等也提出來基于水力瞬變分析的漏失數值模擬理論框架。利用水力瞬變分析的漏損檢測也已經逐漸成熟,檢測原理主要通過短時間內收集到大量關于水流的數據。相對于穩態而言,瞬態的主要優勢是壓力波受摩擦影響較小。因此,對于摩擦系數無法確定的情況,也可以通過水力瞬變信息進行漏損檢測和校準。
許多基于瞬變流態的水力模型被用于檢測和定位漏損,例如漏損反射法( LRM )、水力瞬變反問題分析法( ITA )、脈沖響應分析法( IRA )等。所有水力瞬變分析漏損檢測方法具有相同目的,即提取瞬變流數據中漏損的信息[飛其中壓瞬變采集的關鍵設備是高頻壓力傳感器。
2 設備傳感器及系統部署
試點項目的部署主要分為2 個部分,分別是現場監測終端設備以及數據分析信息系統。前者負責采集管網數據和數據上傳,后者負責對數據進行分析和展示。如圖1 所示。
系 統架 構
2.1 終端設備和安裝
Visenti 遠程終端設備由RTU、連接器、電池、電池線纜、聲學傳感器、高頻傳感器和GPS&GSM組合天線構成。先進的高頻壓力傳感器和聲學傳感器可以準確檢測管網基礎數據,并通過遠程終端設備將傳感器采集的數據通過物聯網技術傳送到系統服務器。Visenti 的傳感器性能和安裝要求如表1所示。壓力傳感器和聲學傳感器的組合運用和分析,可以應對各種類型的泄漏情況提高分析的準確率。
傳 感 器 性 能 及 安 裝 要 求
安裝監測點的分布,可按照監測管網的管網拓撲、管網材質和監測內容進行設計,同時,系統也可以按照已有的監測點分布數據提供一個監測覆蓋范圍,為監測點設計人員提供參考依據。安裝方式可以按照情況分為井下安裝、消防栓上安裝和明管安裝,以適配不同的安裝條件和檢測需求。
2.2 數據分析信息系統
數據分析信息系統將采集到的數據結合供水企業原有的差壓變送器地理信息系統( GIS )接口數據進行計算和分析并在地圖上進行展示。結合高頻壓力數據(非常高頻率256 Hz )可以實現爆管及大流量泄漏(大于3.6 m3/h )的監測和定位。結合水昕器數據可以實現微小的泄漏檢測和定位(大于0.3 m3/h )。同時,我們可以進一步通過高頻壓力數據來捕獲到管網內壓力瞬變。監測、定位和分析可能會造成管網資產損壞的瞬變源(例如、水泵故障、閥門故障等),降低水錘效應造成的管網資產運營風險。
數據分析信息系統通過大數據分析,學習管網不同部位的壓力變化模式,從而監測管網的運行狀況和衰變狀況,預測管網的爆管風險。對于供水企業來說,能提早預測管網故障,及早作出預防措施防止管網破損,對差壓變送器運營及管網漏損控制提供系統決策依據。
通過系統分析,監控和識別導致管網故障的壓力瞬變的因素,這些壓力瞬變往往會導致管網破裂。一旦確認了壓力瞬變源,供水企業就采取措施,例如安裝緩沖減壓設備來進行干預。使得供水企業可以具備i9J1tl ,,排查處置高風險的管網有效方法。
3 案例分析
3.1 基于聲學的管網漏損分析
試點安排在上海城技制造局路某小區內,共部署了五個監測站點。在運行過程中,系統篩選出夜間聲學數據進行比對,發現一處漏點。由圖2 所示,夜間聲學噪音呈現出典型的線性增強的趨勢。進一步通過周邊監測點相關性分析和人工昕漏定位對該處漏損點進行了開挖修復。后期供水企業通過DMA系統進行分區計量比對,通過修復該漏點可以節約50 000 m.3/年。
泄漏聲學數據分析
3.2 基于高頻壓力的管網爆管分析
爆管發生時,監測點的高頻壓力傳感器會接收到一個明顯的壓力下降的瞬變,通過對至少2 個監測點所收集到的壓力下降瞬變相關性可以提供警報和定位。試點采用消防栓放水來模擬管網爆管事故的發生。由圖3 所示,瞬間開啟消防栓后,管網的壓力迅速下降,系統在第一時間發出警報。同時,周邊數個監測點同時捕捉到了壓力下降的數據,并通過系統對高頻壓力數據進行分析,提示和定位管網爆管事故發生的位置。
爆管分析
3.3 基于高頻壓力的管網壓力瞬變分析
管網的壓力瞬變是造成管網漏損和爆管的重要原因,通過高頻壓力分析可以準確監測到管網瞬變的壓力范圍以及造成管網壓力瞬變的瞬變源。瞬變來灑、可能是由于水泵的啟停、大型閥門的開合等原因造成,分析案例采用上海城投復興路泵站附近部署的一個檢測點對該泵站所造成的管網壓力瞬變進行分析。
通過高頻壓力數據分析發現(圖4 ),水泵在啟動時會造成一個8m 的壓力瞬變,這個壓力瞬變在管網運營過程中時可以被接受的。水泵在停止時會造成一個11 m 的壓力下降和→個15 m 的壓力瞬變。壓力瞬變區間是可以被接收的,但是壓力短暫的下降到約lO m 的位置會造成附近高海拔區間(與監測點水泵海拔差>10 m )會造成回水現象或者是氣囊現象?赡軙䦟@部分的管網的造成污染。目前,已通知供水企業對泵站周邊高海拔的管網進行監控和處置。
開停泵引起的壓力瞬變
4 結語
通過引人聲學檢測技術和高頻壓力檢測技術,并在科學分析的基礎上實現對管網漏損的監測和定位。一定程度上解決了管網管理上的難點,供水企業可以依靠系統建立監控中心,對差壓變送器的漏損、爆管和壓力瞬變進行監測、定位和分析,從而優化管網運營保障供水安全。本次試點項目的實施是一次很有成效的探索和實踐,也可以為國內其他供水企業的管網管理提供借鑒。
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