管道泄漏检测全频域法试验验证及抗噪性研究

基于水力瞬变频域数学模型，提出了管道泄漏检测全频域方法。通过实体模型试验，将该法应用到泄漏参数的辨识中，结果表明泄漏流量检测误差小，定位精度高。对全频域法辨识的结果进行了讨论，指出激励压头峰值少的原因是阀门关闭时间相对较长引起的。分析了阀门边界处理方式对频域数学模型的影响，指出阀门激励产生的流量变化一般不能简单的视为脉冲函数，应考虑其变化曲线形状对水力瞬变的影响。研究了全频域模型的抗噪性，表明泄漏检测全频域法具有更高的抗噪声干扰能力。     

管网故障水力瞬变检测实验系统研发

为克服传统管网故障检测系统模型校验误差较大及基于恒定流模型检测的不足,尝试基于瞬变流模型方法设计开发一种能够兼顾模拟泄漏孔、局部阻塞在内的管网实验平台系统,用于水力建模的校验测试和故障检测,并提出相应故障辨识方法。该平台包括常规供水水箱、简单管网、实验控制系统、变速泵、管网故障模拟装置、低强度瞬变流激发器等,以RSView组态软件为基础研发了管网故障水力检测实验平台的SCADA系统,实现水位、流量、压力和阀门激励动作等计算机自动控制以及实时监测和采集。其中新的可控式低强度瞬变流激发器可取代传统阀门,能够产生阀门关闭激发瞬变水击波的类似效果,克服了传统管道试验平台末端关阀造成的水锤压力波动过大和不易控制的缺点。该实验平台拓展了管网实验室故障控制模拟和检测的思路,为支撑和推广实用化的智慧供水管网及故障检测技术研究提供了手段。     

管道泄漏检测的水力瞬变全频域数学模型

输水管道泄漏孔的存在及其位置直接影响着系统压力波形的畸变和衰减特性,通过分析有、无泄漏时任意位置处的压头频域特性可使泄漏检测成为可能.在考虑非恒定摩阻影响的基础上,提出基于水力瞬变全频域数学模型的泄漏检测反问题分析方法.用拉氏频域变换处理边界条件和实测数据,并将遗传算法用于频域反问题模型的求解,在寻优速度上比传统的瞬变时域分析的方法有了较大的改善.算例表明基于水力瞬变全频域数学模型分析的管道泄漏检测是一种有效的新方法.     

管道系统泄漏检测的全频域法

针对长距离管道输水系统的特点,建立了适合各种边界条件的管道水击频域数学模型,并应用拉氏变换原理导出了实测离散函数的频域数学模型。在此基础上,提出完全在频域中检测管道泄漏的新方法,即管道泄漏检测的全频域法。全频域法与之前频域法的差别有两点:一是边界条件不受限制,二是泄漏检测完全在频域中完成,无需求解任何一点的傅里叶逆变换时域函数。最后通过数字算例检验了管道泄漏检测全频域法的可行性。     

基于非恒定摩阻的管道泄漏数值模拟

输水管道的泄漏事故时有发生,而传统恒定摩阻模型无法精细描述泄漏时瞬变水击压力波的畸变和衰减过程,对管道泄漏检测非常不利。基于此,该文建立了考虑非恒定摩阻的管道瞬变流模型,对比了有无泄漏时非恒定摩阻对瞬变流动规律的影响,并对不同泄漏量和不同泄漏位置时管道泄漏的流量、压力参数变化进行了研究,为瞬变泄漏检测提供了理论指导和支持。模拟结果表明,非恒定摩阻不仅会加快水击压力波的衰减,也会引起相位的改变;泄漏点的存在会引起压力信号产生畸变,且畸变程度随泄漏流量和泄漏位置的变化有所不同。     

基于瞬变流频率响应分析的输水管道泄漏检测

采用传递矩阵法和频率扫描法,分析了管道泄漏对系统频率响应图的影响,以及频响图变化形态与泄漏点位置和泄漏面积参数之间的关系。在此基础上,介绍了基于管道瞬变流频响分析进行泄漏检测的步骤,并进行了数值试验验证。结果表明:1与完整管道相比,泄漏点的存在使系统频响图中各奇次谐波和偶次谐波的幅值均不再保持定值,而是随着谐波次数的不同呈现周期性的变化;2奇次谐波幅值随谐波次数周期性变化的主频率及相位反映了泄漏点位置,而该主频率所对应的幅值则反映了泄漏面积参数,据此可进行管道泄漏的检测;3数值试验结果表明基于瞬变流频率响应分析进行输水管道泄漏检测是可行的,且在泄漏孔面积占主管道面积比例较小的条件下,水锤波传播速度变化对检测结果的影响很小。     

不同类型阀门水锤特性计算比较

采用水锤计算方法,计算分析了不同结构类型阀门的水锤特性。得出阀门关闭时间较短时,管路系统最大水锤压力与阀门类型有关,但最大水锤压力出现的时刻基本相同,与阀门类型关系不大。阀门关闭时间较长时,最大水锤压力与阀门类型关联性不大。对于工程上可能需要快速关闭的重要阀门,其流量系数会影响管路系统的最大水锤压力值,应对阀门进行专门的流量系数测定,选择阀门时应考虑其对管路水锤特性的影响。     

基于慢变流理论的管网泄漏检测模型的建立

提出一种基于慢变流理论的给水管网泄漏诊断与定位模型,即首先对管网施加随时间缓慢变化的压力激励,如果管网中存在泄漏,随着压力的不同泄漏程度也不一样,进而影响到管网中其他节点压力和管段流量等参数的变化;依据系统辨识反问题分析方法,实时监测管网监测点处的状态参数,运用贝叶斯算法对模型的预测参数——泄漏位置和泄漏量的概率值大小进行寻优,寻找模型计算值与测量值之间吻合程度最好的预测参数,得到最可能的泄漏位置与泄漏量。通过对算例管网的计算结果表明,采用该模型能够对漏失点和漏失量进行满足概率要求的准确诊断。     

空气阀气液两相动态特性研究综述

空气阀用于解决管道输配水工程中存气、补气问题,并预防断流弥合水锤的重要辅助设备。空气阀的进/排气过程是一个复杂的气液两相瞬变过程,其动态特性参数(包括进/排气流量系数、阀室内剩余气体体积、阀门关闭时长、阀门启闭时间等)直接影响系统的水锤防护效果。通过对空气阀动态特性相关的选型和布置、模型试验和数值模拟等方面的研究成果进行回顾综述,指出当前研究对空气阀动态特性参数的响应机理和临界阈值尚不明确,有必要在大比尺系统试验分析的基础上,明确空气阀结构特性及动态参数对两相瞬变过程的响应机理,完善现有的数学模型,进而给出空气阀设计、检测、选型、优化布置等的理论依据。     

基于SVM的机场供水管网泄漏辨识定位系统研究

针对供水管网泄漏辨识定位系统,研究了以管网压力、流量参数形成的时间序列数据为基础,应用支持向量机方法建立漏损辨识模型,采用粒子群算法对支持向量机中的c、g参数进行优化,最终通过压力梯度法实现漏点的准确定位。结果表明:所建立模型对管网漏损辨识定位的准确率较高,满足供水管网漏损监测的要求。     

输水管道含沙水锤模型及特性研究

水锤现象的准确描述对于长距离供水工程安全稳定运行有着至关重要的影响,但传统的水锤模型缺乏对于输水管道含沙水锤的深入探讨与分析。本文基于费祥俊阻力模型定义了管路当量摩阻,借鉴韩文亮浆体水锤波速公式推导了非均质流含沙水锤特征线方程,采用特征线法计算得到了不同泥沙颗粒参数下RPV系统的关阀水锤压力,并与清水水锤计算压力对比。结果表明：清水水锤数值计算瞬态压力与实验数据较为吻合;含沙水锤压力增量与含沙量呈正相关而与颗粒直径无关,含沙量100 kg/m³时最大水锤压力为77.91 m,较清水计算结果高出7.71%;由当量摩阻换算得到的管路糙率与含沙量和颗粒直径呈正相关,与初始流速呈负相关。相关研究成果为高含沙流域长距离供水工程安全运行与水锤防护提供了参考。     

具有长引水系统的转桨式水轮机过渡过程计算

在水电站设计中,以新型调压阀及其控制系统替代传统调压井具有显著经济效益。基于自行研制的带调压阀的水轮机调速器实时仿真系统和包含水轮机、发电机、引水系统、水轮机调速器等环节在内的水轮机调节系统过渡过程计算软件,采用水轮机流量、力矩特性矩阵法表征水轮机动态特性,建立了刚性水击条件下一洞多机输水系统的数学模型;对带有主配压阀非线性特性的PID调速器,建立了带调压阀的转桨式水轮机调节系统数学模型。研究表明：通过计算只要保证水轮发电机组启动、空载扰动、带负荷、甩负荷自动调节工况下,水轮机调节系统过渡过程满足稳定运行要求,水电站就可以采用调压阀而不设调压井。最后,计算了某具有长引水系统的转浆式水轮机过渡过程,该电站水流惯性时间常数高达27 s,装有2台转桨水轮机、1台定桨式水轮机。计算结果表明,以调压阀代替调压井后,该水轮机调节系统稳定,满足调节保证要求。     

长距离输水系统中空气阀的运行特性研究

长距离管道输水工程中,空气阀是重要的排气和负压控制设备。准确模拟空气阀运行特性,对整个供水工程的安全至关重要。为此,分析了空气阀的工作特点,在热力学第一定律的基础上建立了新的空气阀的数学模型,并采用特征线方法,对空气阀的水锤防护作用进行了计算分析。计算结果发现,与采用传统的空气阀数学模型相比,空气阀的进排气过程具有一系列新的特性。     

安装有空气阀的输水管路系统空管充水过程瞬态分析

在输水管路系统中,空气阀在预防水柱分离及再弥合水锤方面发挥着关键作用。现有空气阀的应用研究多集中于满管流状态,但对于空管充水阶段空气阀的水锤防护研究较少。为此,本文建立了空管充水过程中空气阀的数学模型,提出了一种基于改进牛顿迭代法和直接求解法相结合的求解空气阀模型的计算方法,分析了进气阀、普通进排气阀和进气微排阀3种类型的空气阀在曲折管线空管充水过程中的水锤防护效果。定量分析表明,为预防空管充水过程中出现的水柱分离及再弥合高压水锤,选择大口径进气,微量排气的空气阀最为合适。该研究对安装有空气阀的输水管路系统的空管充水瞬态分析具有一定的参考价值。     

长距离输水工程中空气阀的进排气特性研究

针对长距离有压输水系统的特点,从基本的空气动力学方程入手,分析推导了空气阀的数学模型,并采用水锤计算的特征线方法,进行了空气阀水锤防护的实例分析。同时,探讨了进排气系数对空气阀运行特性和水锤防护效果的影响。计算结果表明,计算模型可以准确地模拟空气阀在水力过渡过程中的进排气特性,空气阀的进排气系数等设计参数对空气阀的水锤防护效果有显著影响。同时,通过合理的布置空气阀,可以有效地抑制输水系统中液柱分离现象的发生,保证输水系统安全。     

空气阀水力瞬变数学模型

空气阀是输水管道系统常用的防止水击破坏的智能化安全设备。针对目前空气阀水力瞬变数学模型假设气温T为常数及忽略空气阀高度影响的问题,首先基于等熵流动的气动力学理论,提出了新的空气阀进排气基本方程,然后,把空气阀、配套检修阀和连接管用一个具有自动进排气功能的调压室等效,提出了新的空气阀水力瞬变数学模型及其求解算法。与现有空气阀水力瞬变数学模型相比,在不考虑空气阀高度的条件下,新模型计算的最大水压更大,而负压也更低,这意味着以现有模型计算结果作为设计依据存在安全风险。考虑空气阀高度后,计算的输水管最大水压减小,但是负压也更加严重,因为等效调压室内水体对进排气有阻止延缓作用。此外,以空气阀气体为绝热流动所得计算结果作为设计依据是合理的,偏于安全的,因为在这种情况下计算的最大水压较大而最小水压较小。     

ANALYSIS OF FIRST TRANSIENT PRESSURE OSCILLATION FOR LEAK DETECTION IN A SINGLE PIPELINE

The leak detection is of great importance in the reliable operation and management of a pipeline system. Recently,attention is shifted to the use of the time domain or frequency domain methods based on the transient analysis. These methodssometimes require accurate pressure signals obtained during the transient period or by creating ideal conditions in testing. This paperproposes a method that does not require transient simulations over the whole or an extended period of time, but uses the first transientpressure oscillation to detect leaks. The method considers the propagation of the pressure oscillation wave created from a fast valveclosure and the reflected damp wave from the leak. A leak in the pipe gives rise to reflected waves which in turn creatediscontinuities in the observed signal at the measurement section. The timing of the reflected damp wave and the magnituderepresent the location and the size of the leak, respectively. An analytical expression is derived based on the Method OfCharacteristic (MOC) for the relationship between the leakage and the reflected magnitude. The leak detection procedure based onthe method is also given. Then the reliability of the method is tested on numerically simulated pressure signals and experimentalpressure signals with calibrated leak parameters, and the results indicate a successful application and the promising features of themethod.