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输水PCCP管道泄漏监测预警解决方案

[ 作者:杭州迈煌科技有限公司2021-03-11点击:379]
一、方案背景

近年来国家不断发展新基建,随着新基建投资潮来临,全国各地大型跨流域引水工程、地表水厂项目也随之跟上,据中国地质调查局地质环境监察院报告,我们每年均发生管道漏水事故,而且多集中在用水高峰期及冬春两季,给各地居民生活造成重大影响,输水PCCP管道泄漏监测预警刻不容缓,其中PCCP管道断丝安全监测、管道压力监测、管道沉降监测这三方面着手至关重要,本方案从这三方面的监测预警系统设备做出阐述。

二、方案说明

2.1、PCCP管道沉降监测
2.1.1.设备选型原则
1)、以安全监测为主,首先考虑满足工程安全监测及安全预报所需的物理参量;
2)、监测重点突出、兼顾全面。为了全面反映管道的工作性态,主要针对对管道径向位移、管道接头纵向位移、管道接口三向位移和管道接头的渗漏监测,同时还兼顾管道覆土压力和基础设施变形监测。对主要建筑物的重点监测项目实现实时自动监控。
3)、监测设备的选择突出长期性、稳定性、可靠性,同时要求经济合理;且便于实现数据的自动采集和自动化监测。

2.1. 2 监测说明
1)、管道径向、纵向位移监测在覆土压力等竖向荷载作用下,管道容易在地基条件发生变化或基础设施与管道相接部位产生不均匀径向位移。管道主要推力由管道内水压力产生的静水推力和由水的动量改变而发生的动水离心推力组成,在管道推力的作用下管道会在接头处产生平行于管轴线的纵向位移。 管道的径向位移和纵向位移是反映管道运行情况的重要指标,因此对其进行监测显得尤为重要。为掌握管道运行期间的变形情况,重点关注在沿线管道:下穿交通道路、高挖方高填方、地基变化、基础设施与管道相接等部位为主要监测断面进行管道变形监测。管道径向及纵向位移监测采用直线位移传感器。

2)、周边土压力监测
为掌握管道顶部填土的覆土压力和侧向填土的侧向土压力,重点选择在在沿线管道选取下穿交通道路和高挖方高填方监测断面进行管道覆土压力及基底应力监测。土压监测采用土压力计监测。土压计是一种埋入式压力传感器,主要用于测量土石坝、土提、边坡、路基、挡土墙和隧道等结构物内部土体的应力,适合长期自动化监测。传感器主要部件均用特殊钢材制造,可在恶劣环境使用。其性能优异,具有良好的精度和灵敏度、卓越的防水性能、耐腐蚀性和长期稳定性等。在完善电缆保护措施后,可直接埋设在对仪器要求较高的碾压土中

3)、渗压监测
管道全线有压。由于内水压力的作用、承插接头锈蚀、连接橡胶圈圈老化以及不平衡推力产生的接头过大位移等原因,管道接头处存在渗漏的可能。为掌握管道接头密封效果以及监测管道接头的渗漏情况,重点选取:工作压力较大、地基变化、埋置深度深的典型断面布设渗压计和测压管,用以监测管道接头渗漏情况。渗压监测使用渗压计,是一种用于测量孔隙水压力或渗透压力的传感器,广泛应运于大坝、尾矿库、隧道、路基、边坡等工程中的地基深层水压力的测量,从预钻孔压入至设计层面待测点。产品具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点。

2.1.3 以单路管长约 36km为例,设备名称、数量、安装位置
序号                设备名称                         数量                 单位             安装位置
1          径向位移计(光纤光栅型和数字式可选)          35                   支              管道中部
2          纵向位移计(光纤光栅型和数字式可选)          21                   支              管道接缝处
3          土压力计(光纤光栅型和数字式可选)            6                    支              管道顶部和两侧
4          渗压力计(光纤光栅型和数字式可选)            4                    支              管道接缝处两侧

2.1.4.设备技术参数
序号          设备名称        技术参数     

1           径向位移计        量程:150mm,分辨力:0.1%FS,温度范围:-20~80℃
2           纵向位移计        量程:150mm,分辨力:0.1%FS,温度范围:-20~80℃
3           土压力计         量程:0-20KPa(其他量程可定制);精度:≤1 KPa;分辨率:0.1 KPa;

                            温度测量精度:±0.5℃工作温度:-20℃~70℃;灵敏度:0.004%;尺寸:φ30*5mm(可定制)

4          渗压力计          量程:0.2MPa(其他量程可定制);系统总精度:≤1%FS;

                           温度测量精度:-20℃~-10℃测温精度在 2℃内,-10℃~70℃测温精度在 0.5℃内;工作温度:-20℃~70℃;
2.1.5 其他部件
1、数据采集仪:供电电源:DC12V/2A,16 通道,RS485输出,MODBUS 协议。能采集 RS485、RS232、4~20mA、0~5V、振弦等各类监测设备的信号。
2、数据传输单元:供电:DC12V;通信速率在 0.1Kbps~50Kbps 之间可调,通信延时不大于10s;支持 7 模全网通,方便用户灵活选择运营商;能和工程主通信线缆连接,能和运营商基站连级;内部集成 TCP/IP协议栈;提供串口数据双向转换功能;支持自动心跳,保持永久在线;支持参数配置,永久保存;30℃~65℃的环境下能正常工作,防尘防水等级不低于IP45;达到第三级设备防雷等级,1 平均工作电流不大于 50mA;含物联网卡,5 年流量;数据实时传输至云平台管理软件。
3、安全监测信息管理系统软件:管道结构安全监测云平台系统;采用分层 B/S 体系结构,以.NET 为开发平台,统一流程规范、统一技术标准、统一数据管理、统一角色管理、统一用户登陆、统一界面风格,构成一个开放统一的平台,构建分层的在线监测系统。软件中含第一年软件升级维护费用;主要功能模块包括:管道结构安全信息展示、查询模块,可进行多站点采集数据的对比展示与查询;(含用户所提供 GIS 数据的处理,或用户所提供 GIS 数据 WebService 服务接入软件分析平台)现场监测设备管理模块;实时告警包含实时告警推送、多方式告警通知(短信、邮件、声光报警)可实现自定义推送策略(接收等级、方式、人员)、自动推送和手动发送告警;对数据进行各类分析处理,主要有:数据的统计分析(极值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等)、系统参数识别、系统数据评估(趋势分析、养护管理评定等)等功能。

2.2、PCCP管道压力监测
2.2.1 管道在线安全监测系统功能:
(1) 识别和展示管线压力瞬变水锤事件(水泵开停、阀门开闭、施工、冲洗、排气故障等),在线记录显示水锤压力变化曲线,实现报警,并确定压力瞬变源和定位;
(2) 基于管内 3bar 运行压力以上,实现 300 升/分以上的爆管实时监测和报警,通过时钟同步技术确定爆管位置,精度±50 米范围;
(3) 压力瞬变(水锤)分析,结合供水带压管道(GIS)材质、管龄、管径等等参数,基于现场存在的压力瞬变强度和数量,评估管道的爆管风险,并展示危险管线的区域;
(4) 监测传感器安装位置周边跑冒滴漏的现象,实现 120 升/分微小漏水监测,系统通过频谱分析功能实现报警;
(5) 管线异常事件管理,完整、准确掌握输水系统运行状态,通过高频压力和声纳数据实时监测排气阀工作状态;
(6) 系统能够机器自学习输水模式,帮助用户快速判断给水系统问题,提高管线运行的可靠性、安全性,基于供水压力实现供水调度,并及时自动发现运行异常,提高调度管理的效率和水平。
2.2.2 系统构成与配置
一、系统配置原则与性能要求
在确定排气阀位置上安装一体式传感器,必须包括高频压力计和水听器,同时传感器接触到管道内的水。安装传感器位置间距的设置原则:800-1200 米,现场条件在此间距范围内适当调整位置。传感器通过现场数据采集通信装置 RTU,3G/4G/5G 无线方式,将采集到数据传输到调度控制中心分析平台对管道进行实时监测和分析。

二、系统配置要求
(1) 现场硬件设备必须包含:
(2) 高频压力传感器
(3) 压电水听器(或者采用光纤水听器,在PCCP管道断丝监测中阐述)
(4) 通信数据传输装置 RTU
(5) GSM(3G/4G)和同步授时时钟天线
(6) 不锈钢控制箱及电源附件
(7) 通信方式:3G/4G 无线通信
(8) 监测分析平台软件:客户端服务器安装方式
(9) 电源:太阳能供电,带有锂电池,容量需满足现场传感器和 RTU传输装置没有日照 30 天情况,继续保持正常工作。
(10) 供电冗余:RTU 本体需内置锂电池和外部太阳能供电,互为备用。

2.2.3 设备技术参数
主要设备技术要求
(1)高频压力传感器
工作温度:-40℃~80℃
压力监测采集频率≥256Hz,以满足分析需求;
量程:0~300psia ,需满足负压的监测;
精度:≤0.1%FS
响应时间:≤1ms
材质:不锈钢隔离膜片
最大承受静压:68Bar
防护等级:IP68,包括传感器电缆连接处;

(2)压电水听器
工作温度: -20 ℃~80 ℃
灵敏度:-173dB Vre: 1V/μPascal
响应频率范围 :20Hz-50KHz
传感器材质:橡胶+不锈钢
连接电缆:低噪同轴电缆
最大承受静压:68Bar
防护等级:IP68,包括传感器电缆连接处;

(3)采集和通信装置 RTU
运行温度:-30 ℃~ 70 ℃
防护等级:IP68
压力采集精度大于等于 16 位;
支持模拟量和音频信号接入,同时提供连接感器电源供电;
支持 3G/4G/5G 公共通信网络,TCP/IP 协议采集数据上传中控室;
授时时钟精度:≤1ms;
本体内置锂电池,在外部电源失效后,以低功耗模式运行至少 2 月;
采集周期:数据上传时间可调整,自动连接中控上传。
内存:内置 16G 闪存卡,支持采集数据的存储保存 30 天不丢失;
低功耗设计,供电电压:12VDC,连接传感器后总功耗 ≤1W;

(4)就地控制箱
材质:SS304 不锈钢
防护等级:户外型,IP65
壁厚:≥1.5mm
低温保护设计,满足现场-20˚C 环境工作;
尺寸:800*400*300(H*W*D),应满足放置采集和通信装置 RTU 等其它
相关设备
浪涌保护:
工作电压:12VDC
标称放电电流(8/20μs):10kA
最大放电电流(8/20μs):20kA
电压保护水平:≤250V

(5)太阳能电源
设计要求能够保证现场设备在没有日照的情况下,保证现场连接设备至少正常工作 1 个月。

太阳能电池板电池片类型尺寸:单晶硅
额定输出功率:150W
理想工作环境:-30℃~85℃
表面最大荷载:5400Pa
寿命:25 年以上
材料:抗衰老 EVA+TPT+阳极氧化铝合金框架

充电电池及充电控制器
类型:三元锂电池
容量:≥80AH
工作电压:9-12.6VDC
工作温度范围:-20℃~60℃
充电方式:MPPT
立杆
材料:Q235
表面处理:热镀+热喷塑
高度:3m
厚度:≥2.5mm
底座法兰:12*240*240mm,带预埋地笼;
焊接:符合 GB/t13912-92 标准,没有裂纹,漏焊,咬边,焊接光滑平整,没有凹凸的波动或任何焊接缺陷,设计寿命 30 年以上;

2.2.4 系统技术要求

在线监测和分析软件平台基于 web 浏览器界面(B/S 构架),必须基于管线 GIS 数据,可提供用户一个可视化的界面查看传感器位置信息、管网图和其他的分析结果,并会为用户提供可交互式的、统一的报警列表界面。该平台应体现很强的可扩展性和可伸缩性,提供软件架构及分析原理说明。
需提供的功能模块至少包括:
1、管线数据展示功能、监测设备展示功能以 GIS 为基础,以 GIS 一张图方式展现被监测的原水管网、并能对管网数据的属性等基本信息进行查看;以地图方式展现安装在原水管网上的监测设备,并能查看实时监测信息。
2、能进行历史数据的查询与分析:通过多种展现方式展示采集上来的压力数据以及水听器采集到声音数据及分析;支持数据的导出功能。
3、压力瞬变/爆管监测功能
压力传感器(采集频率:256Hz)采集在线连续数据,监测压力瞬变,提供管道爆管报警,定位爆管位置。

4、管道泄漏监测
系统软件基于采集到的原水管内声学数据,判断是否具有泄漏,确定漏水的区域。系统应提供便捷的分析工具方便用户分析判断。系统平台必须设有频谱分析功能,并提供傅里叶变换后的强度-频率图;提供在线的相关性定位功能,提供分析操作界面及系统截图。
5、系统能够对异常的压力瞬变活动进行监测
有对管道中水锤或压力瞬变活动的分析,对管网的影响范围以及影响程度分析。

2.3、PCCP管道断丝安全监测

管道断丝安全预警监测系统是采用分布式光纤声波/振动传感测漏技术和分布式光纤声波传感器(光纤水听器)测漏技术,取其中之一都可以的,两者相结合效果更佳,数据采集系统是监测系统的大脑。系统收集管道断丝数据,进行转换,然后发送到监控中心进行分析。

2.3.1 分布式光纤声波/振动传感测漏技术

其原理是利用高相干光在光纤中传输引起的瑞利散射光干涉对声波/振动特征敏感的特点,实现声波或振动检测。在管道安装过程中,同步在管道外壁敷设微振动传感光缆,该电缆既是传输信号的通道,又是采集断丝信号的传感器。单端连接分布式光纤振动信号解调主机,即可实现实时分布式管道泄露监测和爆管及第三方开挖破坏预警。

1)对于方便施工人员进入的大口径管道,建议在管道内壁敷设传感光缆,优点如下:

· 高强度的管道本体可以很好的保护脆弱的传感光缆;
· 管道内环境噪声相对较小,光缆采集的信号更准确;
· 管道内施工光缆可以排除交叉、跳跃施工、恶劣天气和环境因素的干扰,施工方便、快捷;
· 管道的寿命远远大于25年,管道内敷设光缆便于全线更换到期老化的光缆;

2)主要性能指标:

测量距离:单向≧50km , 双向≧100Km;
定位精度:<10米;
响应时间:<3秒;
误报率:<5%;
漏报率:≦1.0%
故障报警:光缆断裂后系统自动报警并定位故障点位置。
数据存储:报警数据记录、查询功能
报警信号输出:通过RS232、RJ45接口以及继电器输出、网络传输;

2.3.2 分布式光纤声波传感器(光纤水听器)测漏技术
准分布式光纤声波侦听系统将光纤声波传感器(光纤水听器)间隔一定距离(800米-1000米)布置在管道表面,当PCCP管道断丝时发出声音用声波定位法测量两传感器之间的泄漏点。光纤水听器一般采用Michelson干涉仪结构,由光纤耦合器、传感臂光纤、参考臂光纤、反射镜组成。光纤水听器探测管道泄露次声信号的精度较高。
1)系统优势
灵活机动:适用于既有在线运行的管线全线或者高后果区(局部区域)的泄漏、爆管监测和开挖破坏预警;
安装便捷:无需全线开挖,在待监测区域每隔500~1000米(根据管线材质、管径、输送介质、运行压力确定),在管道上方开挖lm*lm的土坑,在管道表面粘贴 (不破坏管道外防腐层、不开焊、不动火)光纤水听器;
组网方便:可采用既有/新建光缆、也可用无线4G/5G网络传输信号;
节约投资:系统可根据需要局部监测;还可以更换地点重复使用;

 

2)性能指标:
光纤水听器工作频率:10Hz-2.5kHz;
典型布置间距:≧300~1000m;
声压传感器灵敏度:≧ -150dB;
动态范围:100dB;
报警准确率:≧97%;
定位精度:小于5m(或两只相邻传感器之间距离的7%) ;
单套理论可监测距离:> 100Km。

三、参考标准

(1)GB7450 电子设备雷击保护导则
(2)DL/T578 水电厂自动化监控系统基本技术条件
(3)DL/T5065 水力发电厂自动化监控系统设计规定
(4)GB7260 不间断电源设备
(5)GB191 包装贮运标志
(6)JB/T5234 工业控制计算机系统验收大纲
(7)GB/T50063 电力装置电测量仪表装置设计规范
(8)DL/T620 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合
(9)GB50150 电气装置安装工程电气设备交接试验标准
(10) DL/T595 电气设备预防性试验规程
(11) GB4205 控制电气设备的操作件标准运动方向
(12) GB156 额定电压
(13) GB762 电气设备额定电流
(14) GB998 低压电器基本试验方法
(15) GB4025 电工成套装置中的指示灯和按钮的颜色
(16) GB4728.1~4728.3 电气图用图形符号
(17) GB4884 绝缘导线的标记
(18) GB4942.2 低压电器外壳防护等级
(19) DL/T720 电力系统继电保护柜、屏通用技术条件
(20) GA/T75 安全防范工程程序与要求
(21) GB/T74 安全防范系统通用图形符号
(22) GB3453 数据通信基本型控制规程
(23) GB3454 数据终端(DTE)和数据电路终端设备(DCE 之间的接口定义)
(24) IEEE802.3 网络技术标准
(25) GB6162 静态继电器及保护装置的电气干扰试验
(26) DL/T459 电力系统直流电源柜订货技术条件
(27) DL/T5120 小型电力工程直流系统设计规程
(28) GB6988.1~6988.7 电气制图
(29) GB7266 电力系统二次回路电气控制台基本尺寸
(30) GB7267 电力系统二次回路控制,保护屏及柜基本尺寸系列
(31) JB5777.3 电力系统二次电路用控制及继电保护屏(柜、台)基本试验方法
(32) GB7261 继电器及继电保护装置基本试验方法
(33) GB10231 继保继电器的结构型式与基本技术导则
(34) DL/T769 电力系统微机继电保护技术导则
(35) GB50987 水利工程设计防火规范
(36) SL/Z332 水利信息系统初步设计报告编制规定
(37) NB/T35003 水电工程水情自动测报系统技术规范
(38) SL517 水利水电工程通信设计技术规范
(39) DL/T5211 大坝安全监测自动化技术规范
(40) GB50057 建筑防雷设计规范
(41) GB50054 低压配电设计规范
(42) SL566 水利水电工程水文自动测报系统设计规范
(43) GB/T22482 水文情报预报规范
(44) SL276 水文基础设施建设及技术装备标准
(45) SL601 混凝土坝安全监测技术规范
(46) GB/T28181 安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求
(47) DL/5003 电力系统调度自动化设计技术规程
(48) GB50198 民用闭路监视电视系统工程技术规范
(49) GB50394 入侵报警系统工程设计规范
(50) GB50348 安全防范工程技术规范
(51) YD/T1051 通信局(站)电源系统总技术要求
(52) YD/T1363.1 通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统第1 部分:系统
(53) YD/T1363.2 通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统第2 部分:互联
(54) YD/T1363.3 通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统第3 部分:前端
(55) YD/T1363.4 通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统第4 部分:测试
(56) YD/T1363.5 通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统第5 部分:门禁
(57) GB50179 河流流量测验规范
(58) SL219 水环境监测规范
(59) 全国水利信息化规划(金水工程 规划)(水利部发布)
(60) 电力、机械、水利等行业颁发的有关技术要求及规定

四、方案意义:
本方案能够在自来水输送管道、石油/原油输送管道、天然气等各种气体管道、液化气管道、高压蒸汽管道、各种有毒气体管道的泄漏探测,并对泄漏点及扩散及时预警,在石油、化工、自来水厂等行业有着广泛的应用前景。极大地增强了人们对泄漏速率的检测能力,提高了对管道安全运行的技术支持,取得良好的应用效果和经济效益。

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