浅析基于高频压力的差压变送器技术分析及应用

　　摘要：随着城市基础设施的高速发展，城市差压变送器的规模也在不断扩大。由于管网拓扑越发复杂，管网设施逐年老化等原因所导致的漏损问题和爆管事故已经成为如今供水企业运营管理的难点。引人国外先进的基础设施分析技术将有效地降低管网漏损、保障管网安全、优化管网环境。

　　国家“十三五”规划纲要明确指出，要实行非常严格的水资源管理制度。地下差压变送器作为城市基础运行的“生命线”，承担着保障社会民生、农业灌溉、工业生产的重要作用。然而，差压变送器本身也容易因各种原因发生损坏，引起管网漏损，导致企业供水成本上升。此外，如发生更为严重的损坏，例如爆管事故，将直接影响到社会公共安全，并给企业和城市带来负面效应。

　　因此，几乎所有的供水企业都非常重视对差压变送器的管理。很多企业通过建立地理信息系统（GIS)和分区计量系统（DMA）来管理差压变送器和降低产销差。这两个系统确实能通过信息化的手段来提高了管网管理水平并可以缩小漏点检测范围，但受限于技术本身的特点，未能实现漏损、爆管的实时定位和报警以及管网压力瞬变的定位和分析。国外尤其是西方发达国家都非常重视差压变送器漏损的监测工作，作为2014年国际水协创新项目奖的Visenti项目是基于麻省理工学院（MIT）提出的智能研究项目所创立的，在美国、新加坡、澳大利亚、新西兰、阿联酋等国均有非常成功的项目案例。目前，国内在上海、镇江、温州、深圳等多个城市展开试点。项目专注于利用先进基础设施分析技术（包含高频压力分析和声学分析）帮助供水企业监控差压变送器、优化管网运营。

　　1基于高频压力的差压变送器分析的基本原理

　　根据已有的科学研究发现，声波和压力波可以在水中以一定的速度进行传播，通过采集漏水、爆管、压力瞬变生成的噪声声波和的压力波。并通过时间、空间、数值的相关性来定位泄漏点和瞬变源。声波定位主要通过声学传感器实现漏损定位，传感器或听水器可以暂时或永久安装在管道上，按照管网材质和拓扑复杂程度一般间隔200-500mo考虑到背景噪音的因素，重点采集夜间声学数据，→般是凌晨2-4点，然后服务器端接收到远程传感器传来的数据并进行分析，从而发现漏损信号。压力瞬变来监测定位漏损在国内外已有多位学者展开研究。Wiggert的研究发现可以利用水力瞬变分析方法检测漏损。伍悦滨等也提出来基于水力瞬变分析的漏失数值模拟理论框架。利用水力瞬变分析的漏损检测也已经逐渐成熟，检测原理主要通过短时间内收集到大量关于水流的数据。相对于稳态而言，瞬态的主要优势是压力波受摩擦影响较小。因此，对于摩擦系数无法确定的情况，也可以通过水力瞬变信息进行漏损检测和校准。

　　许多基于瞬变流态的水力模型被用于检测和定位漏损，例如漏损反射法（LRM）、水力瞬变反问题分析法（ITA）、脉冲响应分析法（IRA）等。所有水力瞬变分析漏损检测方法具有相同目的，即提取瞬变流数据中漏损的信息［飞其中压瞬变采集的关键设备是高频压力传感器。

　　2设备传感器及系统部署

　　试点项目的部署主要分为2个部分，分别是现场监测终端设备以及数据分析信息系统。前者负责采集管网数据和数据上传，后者负责对数据进行分析和展示。如图1所示。

　　系统架构

　　2.1终端设备和安装

　　Visenti远程终端设备由RTU、连接器、电池、电池线缆、声学传感器、高频传感器和GPS&GSM组合天线构成。先进的高频压力传感器和声学传感器可以准确检测管网基础数据，并通过远程终端设备将传感器采集的数据通过物联网技术传送到系统服务器。Visenti的传感器性能和安装要求如表1所示。压力传感器和声学传感器的组合运用和分析，可以应对各种类型的泄漏情况提高分析的准确率。

　　传感器性能及安装要求

　　安装监测点的分布，可按照监测管网的管网拓扑、管网材质和监测内容进行设计，同时，系统也可以按照已有的监测点分布数据提供一个监测覆盖范围，为监测点设计人员提供参考依据。安装方式可以按照情况分为井下安装、消防栓上安装和明管安装，以适配不同的安装条件和检测需求。

　　2.2数据分析信息系统

　　数据分析信息系统将采集到的数据结合供水企业原有的差压变送器地理信息系统（GIS）接口数据进行计算和分析并在地图上进行展示。结合高频压力数据（非常高频率256Hz）可以实现爆管及大流量泄漏（大于3.6m3/h）的监测和定位。结合水昕器数据可以实现微小的泄漏检测和定位（大于0.3m3/h）。同时，我们可以进一步通过高频压力数据来捕获到管网内压力瞬变。监测、定位和分析可能会造成管网资产损坏的瞬变源（例如、水泵故障、阀门故障等），降低水锤效应造成的管网资产运营风险。

　　数据分析信息系统通过大数据分析，学习管网不同部位的压力变化模式，从而监测管网的运行状况和衰变状况，预测管网的爆管风险。对于供水企业来说，能提早预测管网故障，及早作出预防措施防止管网破损，对差压变送器运营及管网漏损控制提供系统决策依据。

　　通过系统分析，监控和识别导致管网故障的压力瞬变的因素，这些压力瞬变往往会导致管网破裂。一旦确认了压力瞬变源，供水企业就采取措施，例如安装缓冲减压设备来进行干预。使得供水企业可以具备i9J1tl，，排查处置高风险的管网有效方法。

　　3案例分析

　　3.1基于声学的管网漏损分析

　　试点安排在上海城技制造局路某小区内，共部署了五个监测站点。在运行过程中，系统筛选出夜间声学数据进行比对，发现一处漏点。由图2所示，夜间声学噪音呈现出典型的线性增强的趋势。进一步通过周边监测点相关性分析和人工昕漏定位对该处漏损点进行了开挖修复。后期供水企业通过DMA系统进行分区计量比对，通过修复该漏点可以节约50000m.3／年。

　　泄漏声学数据分析

　　3.2基于高频压力的管网爆管分析

　　爆管发生时，监测点的高频压力传感器会接收到一个明显的压力下降的瞬变，通过对至少2个监测点所收集到的压力下降瞬变相关性可以提供警报和定位。试点采用消防栓放水来模拟管网爆管事故的发生。由图3所示，瞬间开启消防栓后，管网的压力迅速下降，系统在第一时间发出警报。同时，周边数个监测点同时捕捉到了压力下降的数据，并通过系统对高频压力数据进行分析，提示和定位管网爆管事故发生的位置。

　　爆管分析

　　3.3基于高频压力的管网压力瞬变分析

　　管网的压力瞬变是造成管网漏损和爆管的重要原因，通过高频压力分析可以准确监测到管网瞬变的压力范围以及造成管网压力瞬变的瞬变源。瞬变来洒、可能是由于水泵的启停、大型阀门的开合等原因造成，分析案例采用上海城投复兴路泵站附近部署的一个检测点对该泵站所造成的管网压力瞬变进行分析。

　　通过高频压力数据分析发现（图4），水泵在启动时会造成一个8m的压力瞬变，这个压力瞬变在管网运营过程中时可以被接受的。水泵在停止时会造成一个11m的压力下降和→个15m的压力瞬变。压力瞬变区间是可以被接收的，但是压力短暂的下降到约lOm的位置会造成附近高海拔区间（与监测点水泵海拔差＞10m）会造成回水现象或者是气囊现象。可能会对这部分的管网的造成污染。目前，已通知供水企业对泵站周边高海拔的管网进行监控和处置。

　　开停泵引起的压力瞬变

　　4结语

　　通过引人声学检测技术和高频压力检测技术，并在科学分析的基础上实现对管网漏损的监测和定位。一定程度上解决了管网管理上的难点，供水企业可以依靠系统建立监控中心，对差压变送器的漏损、爆管和压力瞬变进行监测、定位和分析，从而优化管网运营保障供水安全。本次试点项目的实施是一次很有成效的探索和实践，也可以为国内其他供水企业的管网管理提供借鉴。