基于CUSUM方法的集中供热管网泄漏故障诊断.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:山东省重点研发计划项目()山东省自然科学基金项目()作者简介:周守军()男教授博士主要从事城镇供热管网故障诊断技术研究与系统开发等方面的研究:.*通讯作者:./.基于 方法的集中供热管网泄漏故障诊断周守军*张国正刘臣林旭东曹长红(.山东建筑大学 热能工程学院山东 济南.华能山东发电有限公司 白杨河发电厂山东 淄博.淄博市博山区热力公司山东 淄博)摘要:为了有效降低集中供热管网泄漏故障发生率减轻大量管内介质泄漏导致的经济损失和环境破坏文章基于变点理论中的累积和()方法以及集中供热管网泄漏仿真模型提出了一种新的集中供热管网泄漏故障诊断方法 针对实验室现有的集中供热实验管网开发了相应的算法程序并诊断分析了供热实验管网的泄漏工况 结果表明:在所有工况条件下管网泄漏发生后.即可触发报警信号最大泄漏流量的计算值与实验值相对误差为.对应计算所得泄漏流量最大的时刻也接近实际时间泄漏位置诊断准确率随着误差距离增大而升高当误差距离 时其准确率为.关键词:集中供热 方法泄漏仿真模型实验管网故障诊断中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:第 期 周守军等:基于 方法的集中供热管网泄漏故障诊断 引言城镇集中供热管道是城市地下管线的重要组成部分相比于自来水管道其应用时间短但发展却较为迅速 据统计截至 年我国运营的热水管网总长达.其中一次网长度为.、庭院管网长为.由于管网的运行状况愈加复杂保障这些管网的运行安全就显得尤为重要 其中泄漏是影响管网运行安全的主要问题其主要原因包括腐蚀、设备老化、机械冲击等大量介质的泄漏会导致经济损失和环境破坏 由于管道性能会随着时间的推移而降低不可避免地产生局部泄漏因此及时有效的泄漏故障诊断在实践中非常重要最初我国大部分供热企业处于“先漏后检”的阶段一般是由工作人员“听声判漏”或结合管网压力变化试挖泄漏位置这种方式的效率低、耗时长、成本高且定位不够精准 随着研究深入管道泄漏诊断技术根据其作用的位置及实施手段主要可分为管道内和管道外诊断 管道外诊断方法是将探测仪器置于在地表或管道外监测周围环境因素获取数据并进行分析从而及时地诊断泄漏的发生杨汉瑞等提出一种基于分布式光纤传感技术的膨胀节膨胀量的泄漏诊断方法建立了有效反映膨胀量与温度变化关系的检测模型从而诊断了泄漏位置其诊断结果与膨胀量的测量误差相关 吴晋湘等利用红外热像仪和土壤湿度速测仪等记录异常管段沿线土壤的温度、湿度信息分析管网泄漏和保温层破损时传热传质对管道上方土壤温湿度的影响规律判定泄漏点位置 等利用土壤的温度梯度诊断供热管道的泄漏状况其精度较高 等通过无人机搭载遥感热相机将检测到具有异常高温度的区域认定为泄漏区域此方法可以自动分割影响检测结果的建筑物从而减小误报率 上述管道外诊断方法有一定的效果但受外部环境因素影响较大且大部分存在排查周期长、成本过高、实施过程复杂以及确定泄漏位置不够及时等缺点管道内诊断法发展源于 世纪末主要利用监测设备置于管内获取管网运行数据进行直接诊断或结 合 其 他 学 科 开 展 数 据 分 析 及 泄 漏 诊 断 等基于压力波和质量流量数据分析直接诊断泄漏时间和泄漏位置但其准确度较差 等提出人工神经网络结合在线监测数据的管网泄漏诊断方法利用模拟数据来训练人工神经网络并结合数学模型估计管网阻力系数得到较好的诊断结果但所需数据量较多对模型的精度要求也较高且管网运行中的压力波动对泄漏定位的精度有较大影响 石光辉等利用高频压力传感器通过捕捉管网泄漏瞬间形成的负压水击波并根据小波分析方法得到负压波传播到传感器的时间再以此定位泄漏位置但供热管网距离长、分支多负压水击波会产生较大的衰减难以对其准确定位供热管网泄漏初期补水流量及压力变化相对较小 泄 漏 情 况 难 以 确 定 累 积 和()方法基于似然比推出通过分段累积监测数据序列信息将过程的较小偏移叠加以达到“质变”的效果从而实现对较小偏移的检测 方法已成功应用于金融分析、医学诊断、地震探测及给水管网爆管检测等领域文章提出利用 方法和集中供热管网泄漏仿真模型采用仿真模拟与实验研究相结合的方法通过监测管网补水流量和压力开展泄漏故障诊断旨在泄漏发生初期就能对供热管网进行泄漏故障报警和准确定位 泄漏故障诊断方法及管网仿真.集中供热管网仿真模型文章提出的泄漏故障诊断方法的基础是集中供热管网仿真模型 设任意一个供热管网其支路数为、节点数为 由网络图论理论、基尔霍夫定律、伯努利方程和管路特性方程得到其水力工况仿真模型方程组由式()表示为 ()式中 为管网关联矩阵(为 阶矩阵)为管段流量向量 为管网的基本回路矩阵为()阶矩阵 为管段阻力压降 为管段阻力特性系数矩阵(阶对角矩阵)为管段流量 的绝对值 阶对角矩阵 为管段支路中两节点的位能差向量 为管段的水泵向量当管段不含水泵时该管段 当有水泵时 为水泵扬程为管网各节点的净出流量向量入流为正出流为负 当 为零向量时表示供热管网正常运行管网各节点的出流量与入流量代数和为 即管网为 山 东 建 筑 大 学 学 报 年一个闭合环路当 中某元素为负值表示该管网发生泄漏而 可由式()表示为.()()式中 为管壁的当量绝对粗糙度对于供热管道一般为.为管道内径、分别为管网计算管段的长度和局部阻力当量长度 为管内流体介质的平均密度/式()对应的求解模型由式()表示为()式中 为马克斯威()矩阵是以 为基础的()()阶的对称正定矩阵 矩阵对应于一定的树不同的树相对应的 矩阵也不同为基本回路管段压降代数和当 为方程组的解时其值为 上述管网仿真模型方程组包括正常工况模型、节点泄漏模型和管段泄漏模型 其中节点泄漏是指泄漏位置在供回水干管到用户(换热站)的分支节点上原管网的拓扑结构与正常工况一致在节点泄漏仿真时只需对该节点设定泄漏流量值即可 管段泄漏是指泄漏位置在供回水干管管段上在管段泄漏仿真时泄漏位置处设置流量接近零的“虚拟用户”将管段泄漏转化成“虚拟用户”的分支节点泄漏管网拓扑结构发生改变在其分支节点处给定泄漏流量值建立虚拟节点泄漏仿真模型即为管段泄漏模型.基于 方法的泄漏故障诊断方法.方法假设 为按顺序记录的一组过程监测样本数据对这组数据做以下假设由式()表示为:():()()()式中 为原假设表示过程无变点为备择假设表示过程有变点、分别为变点出现前后样本均值变点即样本数据突变的点对应供热管网中泄漏发生的点 为样本标准差假设为定值 为样本数据组别上限 为变点发生处数据组别即在该时刻补水流量偏移累积和超过阈值则在该时刻发出报警信号认定管网发生泄漏并记录该时刻为()诊断何时发生泄漏以及泄漏程度 继续计算累积和 同时开始计算/供热管网发生泄漏时补水流量增大对应时刻累积和发 生 突 变 当/突 然 增 大(/)此时得到泄漏开始时刻()根据泄漏开始时刻补水流量值()和泄漏最大时刻补水流量值()计算最大泄漏流量 第 期 周守军等:基于 方法的集中供热管网泄漏故障诊断 ()()()诊断泄漏发生的准确位置 计算泄漏开始时刻(正常工况)和泄漏最大时刻(泄漏工况)各个采集点实际压力变化值和仿真压力变化值 由式()和()表示为()()()()()()式中 为压力采集点序号 其中 为压力采集点总个数()、()分别为、时刻该采集点实际压力值由实际数据得到()、()分别为、时刻该采集点仿真压力值将最大泄漏流量代入泄漏仿真模型可以得到假设管网拓扑结构中所有分支节点都为泄漏点则目标函数 由式()表示为 ()式中 为节点编号 为管网总节点数即为假设第 分支节点为泄漏点所得目标函数值()为序号大于 的采样压力表节点 比较所有的目标函数值 找到其最小值则对应节点为一级泄漏点 利用二级管段泄漏模型重复()中和只计算一级泄漏点 及其两侧的“虚拟节点”找到最小目标函数值对应的节点即为二级泄漏点再根据 与 的具体距离 准确定位泄漏位置具体泄漏故障诊断流程图如图 所示图 泄漏故障诊断流程图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年 管网泄漏实验与模型验证.实验系统实验系统由集中供热实验管网和在线数据监测系统两部分组成(如图 所示)实验管网包含 个用户和 个热源热源由循环水泵和电加热水箱组成 管道布置为上供下回供回水管段对称布置且二者管径相同 定压方式为变频水泵补水定压定压点为循环水泵入口处在泄漏实验运行的过程中可实现自动补水图 集中供热实验管网示意图实验管网各用户管段上依次安装有进口压力表、温度表、电磁流量计、调节阀、截止阀和出口压力表 其中截止阀用来模拟各用户阻力调节阀用来进行实验管网初调节使用户达到设计流量 循环水泵的前后位置依次安装进口温度表、进口压力表、出口压力表、电磁流量计和出口温度表补水泵处亦有进口压力表、电磁流量计和出口压力表 在线数据监测系统即对上述各仪表进行实时监测并将实验数据采集、存储到 数据库中.实验方案设计文章进行单热源枝状供热管网泄漏工况模拟实验 所用单热源枝状管网拓扑结构如图 所示其中、分别表示节点和管段 该管网包括 号热源和 个用户共分为 个管段、个节点 实验管网设计总流量为 /而每个用户设计流量为/实验管网共 个泄漏点根据距离热源由近到远、先节点后管段、先供水后回水的原则编号 其中节点泄漏点为 个在用户的进口或出口节点编号为 管段泄漏点为 个在供、回水管路上各 个编号为 具体泄漏点位置及编号如图 所示(括号内编号表示泄漏点在回水管路)城市供热管网正常工况下补水流量不宜大于总循环水量的 而补水流量 时表明管网发生了严重泄漏此时泄漏位置也相对容易被确定为了验证文章泄漏诊断方法对不同泄漏工况的有效性并使实验工况研究更丰富此次实验根据不同泄漏率(泄漏流量占总流量的百分比)分为.(工况)、.(工况)、.(工况)和.(工况)种泄漏工况 个泄漏点共 组实验 每组实验分为正常工况和泄漏工况两部分各运行 数据采集频率为./次 采用自适应递推最小二乘滤波算法对管网运行数据(主要包括压力、补水流量)进行预处理消除噪声图 单热源枝状实验管网拓扑结构图 第 期 周守军等:基于 方法的集中供热管网泄漏故障诊断 .泄漏仿真模型实验验证针对供热管网的正常工况龚璞等已经开展了模拟研究而文章主要对一级节点泄漏模型和二级管段泄漏模型进行验证节点泄漏工况选择 号泄漏点工况 管段泄漏工况选择 号泄漏点工况 将两组实验中泄漏工况数据各取 组计算其平均值得到各节点泄漏工况下的运行压力以及循环水泵扬程、定压点压力、泄漏流量等数据再将循环水泵扬程、定压点压力、泄漏流量分别代入已编译的节点和管段泄漏仿真模型 程序中得到管网各节点仿真与实验压力数据 如图()所示节点泄漏工况下各节点压力实验值与仿真值的相对误差最大、最小值分别为.和.如图 ()所示管段泄漏工况下各节点压力实验值与仿真值的相对误差最大、最小值分别为.、.两级泄漏仿真模型最大相对误差均不超过 且从图 中可以看出仿真模型的供回水压力曲线与实验曲线的变化基本相符说明仿真模型的准确性较高图 不同泄漏工况实验与仿真数据对比 泄漏故障诊断方法实验研究.方法参数选取在泄漏故障诊断方法中阈值 和漂移参数 的选取至关重要 如果参数选取过小会使得泄漏报警灵敏度过高可能会将管网正常状态显示为泄漏状态增加误报率而参数选取过大又将降低灵敏性可能会将管网泄漏状态误认为是正常状态增加漏报率 主要采用 种方法选取 和 方法 为基于公式的推导由式()表示为 ()式中 为误报率 为漏报率()/为变点的标准化移位量 此方法期望值为、方法 为基于平均运行链长()的选取 指从检测开始到检测出发生异常所需要的平均样本个数取 为得到.、.方法 为基于经验值的选取 .以 号泄漏点的 组工况为例将上述 组、参数值代入上述泄漏诊断方法计算泄漏报警时间及最大泄漏流量 泄漏报警时间结果见表 最大泄漏流量如图 所示从表 可以看出 组不同、值得到的泄漏报警时间一致都是在泄漏发生.后即发出报警信号泄漏报警效果良好 由图 可以看出:工况 和中方法 得到的最大泄漏流量与实验值基本一致另外两种方法计算值则比实验值要低工况 中方法 的计算值比实验值小另外两种方法计算结果与实验值相等工况 中方法 计算值与实验值相等另外两种方法计算值都比实验值稍低 综上所述方法 的整体计算结果更接近实验值故选择参数、.进行泄漏故障诊断方法的应用表 不同方法所得泄漏报警时间单位:方法泄漏报警时间工况 工况 工况 工况 实验值.方法 .方法 .方法 .山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 不同、值计算所得最大泄漏流量.实验结果分析.泄漏报警计算以 号泄漏点 组工况为例按照上述方法对实验管网补水流量数据进行泄漏故障诊断实验管网补水流量运行数据及 累积和曲线如图 所示 可以看出当管网发生泄漏时管网补水流量明显增大 经过累积和计算 组工况在实验运行第.时均有 并在此之后累积和不断增大因此可以判定此时发生泄漏与实际情况相符利用此泄漏诊断方法对 个泄漏点共 组泄漏实验计算了泄漏报警时间发现所有工况实验均在实验运行第.时发生泄漏而计算结果显示泄漏报警信号发出的时间均为实验运行第 .没有误报、漏报或者延迟报警 由于现有实验台的压力表采集频率最高只能达到./次若提高采集频率报警时间还能缩短泄漏报警之后计算管网泄漏流量 从图 可以看出工况 计算得到泄漏开始时刻 与实际时刻一致泄漏最大时刻 也是泄漏工况运行稳定后的时间所以两个时刻对应补水流量差值即为最大泄漏流量图 补水流量运行监测数据及累积和曲线图 所有节点及工况最大泄漏流量诊断结果如图 所示其中实验值是实验过程中管网最大泄漏流量值计算值即为泄漏诊断得到的管网最大泄漏流量值 种工况下计算值与实验值的误差均较小其中相对误差最大值为.发生在 号泄漏点工况 和 号泄漏点工况 其余工况误差误差距离 时误差距离 时 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 各方案泄漏位置诊断准确率图分析不同压力采集点方案诊断结果可以得到:()方案 相比于方案 减少了 个压力采集点但 降低不多而方案 比方案 增加了 个压力采集点反而 降低较多说明 跟压力采集点个数有直接的关系压力采集点个数过多或过少都会影响位置诊断效果()方案 与 压力采集点个数相同但位置分布不同导致 整体下降较多说明当压力采集点个数固定时分布位置太过靠近热源也会使 降低()方案 与 相比只选取了供水管段上的 个压力采集点采集点个数减少了 个但位置分布与方案 一致却发生下降说明只在供水管段或回水管段设置压力采集点都不能准确反映出泄漏工况发生时管网的整体变化会影响泄漏位置诊断效果通过以上压力采集点分布方案的泄漏位置诊断准确率 对比发现压力采集点个数并不是越多越好当管网规模较小若压力采集点个数太多则两点间距离近因泄漏产生的压力变化并不明显反而会对泄漏位置诊断结果产生较大影响应该合理分布使各压力采集点正确反映出管网泄漏时整体压力变化这样才能使泄漏位置诊断结果更准确最终确定方案 为最优方案其误差距离 时.时.时.随着误差距离的增大也增大误差范围 时对诊断结果基本无影响泄漏位置判定的影响因素包括实验运行压力和仿真模拟压力 其中由于循环水泵工作点波动、仪表误差等难以完全消除实验运行压力对泄漏位置诊断的影响但仿真模型可以通过提高其精度、减小仿真模拟压力对泄漏位置诊断的影响进而提高位置诊断准确度不论连续还是间断补水只要能获取到补水流量监测数据序列即可利用文章方法诊断泄漏故障虽未验证环状供热管网但环状管网与枝状管网在泄漏工况下的压力和补水流量变化规律一致故文章方法对环状管网同样适用 结论基于变点理论中的 方法结合集中供热管网泄漏仿真模型提出了一种包括泄漏报警、泄漏流量计算以及泄漏位置诊断的集中供热管网泄漏故障诊断方法并利用 软件进行了算法开发 结合集中供热实验管网设计了实验方案得到单热源枝状管网不同泄漏位置及不同泄漏流量下的压力与流量数据并验证了该方法得到结论如下:()在利用合适的 参数值进行泄漏情况报警时泄漏工况发生后.即可报警且没有误报和漏报说明文章方法可以及时对管网泄露报警()文章方法诊断所得泄漏开始时间准确泄漏最大时间也是泄漏工况运行稳定的时间对应计算得到最大泄漏流量与实验值相对误差最大仅为.说明方法对泄露时间和最大泄漏流量的诊断较为准确()压力采集点的分布距离应该适中采集点个数也并非越多越好采用其中的最优方案诊断泄漏位置其准确率可达.说明文章方法对泄漏位置的诊断准确率较高参考文献:江亿.我国供热行业 年度发展状况报告/.().:/./.:.范海林彭述刚.地下管网安全隐患研究.测绘通报(增刊):.付道明孙军贺志刚等.国内外管道泄漏检测技术研究进展.石油机械():.杨汉瑞李勇勇徐士博等.基于分布式光纤传感的热网膨胀节膨胀量测量方法.自动化学报():.吴晋湘王彦逍赵涛等.基于土壤温湿度的埋地供热管道泄漏检测方法.暖通空调():.:.第 期 周守军等:基于 方法的集中供热管网泄漏故障诊断 .():.:.:.:.石光辉齐卫雪陈鹏等.负压波与小波分析定位供热管道泄漏.振动与冲击():.():.王海宇瞿博阳乔百豪.考虑监测成本和效率的累积和控制图经济统计多目标优化设计.数理统计与管理():.钱子煜张越文马小越等.预警模型在医院感染性腹泻暴发预警中的应用.中华医院感染学杂志():.刘畅靳平李欣.种远震 波到时拾取方法的比较及其参数优化.地震学报():.李诚杜坤周明等.基于 算法的给水管网爆管检测分析.给水排水():.周守军郭敏孙浩森等.热水集中供热管网泄漏故障诊断模型.山东大学学报(工学版)():.龚璞周守军王涛等.城市供热管网 仿真建模分析.山东建筑大学学报():.():.雷翠红.供热管网泄漏故障诊断的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.王宝仁 曹明瑞.基于 自适应滤波算法的广义互相关时延估计方法研究.组合机床与自动化加工技术():.薛丽.累积和控制图参数选取方法.郑州:郑州大学.王淑君.生产过程质量控制.北京:中国标准出版社.田胜元萧曰嵘.实验设计与数据处理.北京:中国建筑工业出版社.(学科责编:朱志鹍)(上接第 页)曹永超朱南海贺小玲等.建筑结构地震易损性研究综述及展望.江西理工大学学报():.中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:(年版).北京:中国建筑工业出版社:.中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程:.北京:中国建筑工业出版社:.崔继东沈雪龙.原理与实例.北京:中国建筑工业出版社.():.中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:(年版).北京:中国建筑工业出版社:.何铭基.带转换高层框架结构基于变形和损伤的抗震性能评估方法研究.广州:华南理工大学.广东省住房和城乡建设厅.建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程:/.北京:中国建筑工业出版社:.张锐.结构抗震时程分析输入地震波选择方法研究.大连:大连理工大学.刘文锋王召猛张怀超.基于 的高层框筒结构的抗震性能分析.工程抗震与加固改造.():.钟岱辉田擎.基于 的异形柱框架剪力墙地震易损性分析.山东建筑大学学报():.(学科责编:邢鲁义)