CN107218515A - 一种低强度瞬变流激发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低强度瞬变流激发器，包括：用于储存压缩空气和水体的蓄能器空气罐；设置在蓄能器空气罐上的磁致伸缩式液位计，用于实时测量蓄能器空气罐内水位降落幅度和速度；设置在蓄能器空气罐顶部的压力表，用于实时测量蓄能器空气罐空气的压力值；出水管一端与蓄能器空气罐底部连接，另一端通过一个控制球阀与管网系统末端管道连接，通过快速开或关控制球阀为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流。本发明结构简单、经济、实用，激发产生的流量变化对管道本身影响小，仅需测四个关键参数，便能计算出管道系统的水击压力波，且对控制球阀开启速度不敏感，便于球阀启闭控制，大大提了高泄漏瞬变检测法在实际管道工程的可操作性。

Description

一种低强度瞬变流激发器

技术领域

本发明涉及供水管道、管网系统泄漏检测设备，具体涉及是一种低强度瞬变流激发器。

背景技术

瞬变检测法是供水管道、管网泄漏检测中准确性、可靠性较高的一种方法，因为在瞬变条件下，即使微小的泄漏，管道的水压波形也存在着明显差别，与其它方法相比(如压力梯度法、负压波法等)，利用这一特点可以更好的确定泄漏发生位置。

在调水或供水工程领域，目前国际上研究的管路系统概化物理模型如图1所示，该布置型式的泄漏检测方法具体为：由末端激励阀门部分关闭/开启或特殊激励方式(比如正弦波扰动、伪随机二进序列压力信号(PRBS)等)制造扰动信号，同时由流量、压力传感器记录闸门和调节池处流量、压力和水位的水力瞬变时间历程；因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，通过对理论模拟的时频特性和实测时频特性比较，可以确定泄漏大小和位置。

下面图1所研究的管道系统为例，对传统泄漏瞬变检测方案进行说明，图1中传统泄漏瞬变检测压力信号激励方式为：由末端阀门(常见的球阀、蝶阀均可)部分关闭/开启或特殊激励方式制造流量扰动信号。当末端阀门小开度快速关闭时(小于2L/a，其中，L为管长，a为水击波速)，会产生一个水击升压波，则阀门前部水击压力h_v为

其中，h_v0为未关阀之前的阀门恒定压力，Q₀为未关阀之前的阀门处流量，A为管道过流面积，g为重力加速度，均为已知量。

当管道完好无泄漏和有泄漏时，阀门处的水击压力波过程如图2所示。可见，泄漏会造成瞬变水击波每一个波峰、波谷处不连续，有、无泄漏差别很大，因此可利用瞬变水击波波峰、波谷处表达的泄漏特征信息来进行泄漏的辨识，即通过数据采集系统测量阀门前压力过程，捕捉分析图2第一个压力波间断点的产生时刻及获得(H_max-H₁)大小(如可利用小波分析识别间断点，H_max为最大升压，H₁为第一个压力波间断之后的压力幅值)，再通过泄漏定位公式和泄漏量公式辨识泄漏参数，具体方法不在赘述。

上述传统的阀门激励方式和泄漏检测方法已得到理论和实验验证，并经过国外学者对基于瞬变流数学模型的时域、频域泄漏检测方法研究表明，该法在处理小泄漏孔泄漏或者说缓慢泄漏有其独特的优势，但实际应用中易产生以下问题：

(1)利用管道末端阀门迅速全关或全开产生流量脉冲或等幅正弦周期扰动、方波扰动在实际设计、运行中不容许。对于现代大型管道调水工程，线路长，管道直径大，为了减少管道投资，一般采用缓慢的阀门启闭速度，来减小管道承受的水击压力，或者防止管道因瞬时压力过低发生液体汽化现象，以保证系统运行安全；而对于管网供水系统，由于各种管材(如钢管、PE管、铸铁管、水泥管等)耐压不同，阀门快速关闭激励的压力太大容易引发水锤问题，有增大发生爆管风险的可能，因此这种瞬变流激发方法不可行。

(2)利用管道末端阀门小开度迅速全关或全开产生流量脉冲在运行中不容易控制。虽然减小阀门开度后管道流量减小，再利用阀门的快速全开或全关激发的瞬变流压力相对大开度降低不少，不会对管道安全产生大的影响，但阀门小开度流量系数不容易确定，而且需要测定阀门关闭规律，即阀门开度与流量系数的关系。

(3)管道阀门完全关闭时，阀门流量的变化过程对管道中水力瞬变没影响不确定，可能会造成最后检测结果的误差。当管道阀门完全关闭时间T很短，如T≤L/a(L为管长，a为水击波速)，则阀门流量的变化可以用脉冲函数表示，因为阀门流量的变化过程曲线形状对管道中水力瞬变没有影响；但是，当阀门关闭较缓慢时(手动快速关闭一般关阀时间也在0.2秒左右)，阀门流量的变化过程曲线形状对管道中水力瞬变有很大影响，不能用脉冲函数描述阀门流量的变化，即不能简单用一个流量脉冲函数表示，在此情况下，流量变化过程对水力瞬变有较大影响，必须考虑。

综上所述，为了解决上述问题，提高泄漏瞬变检测法在实际管道工程的可操作性，亟需设计一种新的、可控的低强度瞬变流激发装置替代目前的阀门关闭激励瞬变流方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种新的、可控的低强度瞬变流激发装置替代目前的阀门关闭激励瞬变流方案，提高泄漏瞬变检测法在实际管道工程的可操作性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种低强度瞬变流激发器，包括：

蓄能器空气罐，用于储存压缩空气和水体；

磁致伸缩式液位计，设置在所述蓄能器空气罐上，用于实时测量所述蓄能器空气罐内水位降落幅度和速度；

压力表，设置在所述蓄能器空气罐顶部，用于实时测量所述蓄能器空气罐空气的压力值；

出水管，一端与所述蓄能器空气罐底部连接，另一端通过一个控制球阀与管网系统末端管道连接，通过快速开或关所述控制球阀为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流。

在上述方案中，所述蓄能器空气罐为圆柱形。

在上述方案中，所述磁致伸缩式液位计包括浮球、导杆和压力显示单元；

所述浮球套装在由一定的磁致伸缩物质构成的所述导杆上，竖直设置在所述蓄能器空气罐内部；

所述导杆下端固定在所述蓄能器空气罐底部，上端穿出所述蓄能器空气罐与所述压力显示单元固定连接；

水位上升或下降时，所述浮球随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿所述导杆的波导丝传到所述压力显示单元，所述压力显示单元根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。

在上述方案中，所述出水管直径要求小于1cm。

在上述方案中，所述由空气蓄能器和压力罐组成；

所述空气蓄能器顶部设置所述压力表，底部通过法兰连接所述压力罐顶部；

所述压力罐上设有所述磁致伸缩式液位计，所述磁致伸缩式液位计的导杆竖直设置在所述压力罐内部，所述导杆下端固定在所述压力罐底部，上端穿出所述压力罐与所述磁致伸缩式液位计的压力显示单元固定连接。

在上述方案中，还包括一个支座或者可移动的小车，支撑或移动所述蓄能器空气罐。

在上述方案中，包括以下关键设计参数：

蓄能器空气罐整体高度H₀；

蓄能器空气罐的直径D_v；

蓄能器空气罐初始内部水位高度H；

出水管长度L₀及直径d₀，反映到综合流量系数为C_dA_g。

在上述方案中，在其它参数不变的情况下：

蓄能器直径越大，第一个水击波越平缓；

出水管直径相对越大，激发压力越大；

球阀开启时间越短，水击波越不平滑。

在上述方案中，器件选择和控制标准为蓄能器空气罐直径越大、控制球阀开启时间越短越好。

在上述方案中，关键参数最佳取值范围为：H₀＝1.1-1.3m；Dv＝300-500mm，H＝0.9-1.1m；d₀＝5-8mm；L₀＝1.0-1.5m。

本发明提供了一种新的、可控的低强度瞬变流激发装置替代目前的阀门关闭激励瞬变流方案，快速开启球阀后，高压水柱进入待测管道，由于流量突然变化将产生水击激励波，可以得到类似于传统阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果，不仅提高泄漏瞬变检测法在实际管道工程的可操作性，而且具有以下有益效果：

(1)本发明激发产生流量变化相对检测管道来说较小，得到的水击压力波最大压力值可控，一般控制为小于原管道管网压力的30％，强度较低，不会对管道本身产生较大影响；

(2)本发明设备产生的水击波对控制球阀开启速度不敏感，便于球阀启闭控制；

(4)本发明只需量测四个关键参数，便可依据理论原理计算出管道系统的水击压力波，更容易实现和计算；

(4)本发明构成简单、经济、实用，关键部件蓄能器空气罐、磁致伸缩式液位计、压力表、出水管和控制球阀均是成品，易于实现和批量生产。

附图说明

图1为供水系统与传统激励阀门安装示意图；

图2为传统泄漏瞬变检测压力信号激励方式为末端阀门时，有、无泄漏阀门处的水击压力波对比示意图；

图3为本发明提供的一种低强度瞬变流激发器的结构示意图；

图4为本发明提供的低强度瞬变流激发器代替传统激励阀门的安装在管网系统末端的示意图；

图5为本发明的阀前水压低强度水击波变化过程图；

图6为本发明阀前低强度水击波与球阀开度对应关系图；

图7为本发明阀前低强度水击波与蓄能器空气罐压力的对应关系图；

图8为本发明阀前低强度水击波与空气罐水位降落的对应关系图；

图9为本发明提供的一种低强度瞬变流激发器的蓄能器空气罐为分体式时的结构示意图；

图10为本发明在不同蓄能空气罐体积下的阀前激发压力过程图；

图11为本发明在不同出水管直径下的阀前激发压力过程图；

图12为本发明在不同球阀开启时间下的阀前激发压力过程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图3所示，本发明提供了一种低强度瞬变流激发器，是基于瞬变流的漏损监测理论和定位技术的管网瞬变流动压力激励设备，可应用于水工、市政管道工程的安全设计和泄漏检测防控。包括：

蓄能器空气罐10，用于储存压缩空气和水体，在本发明中，由于圆柱体受力好，且最常见，蓄能器空气罐10一般为圆柱形。

磁致伸缩式液位计20，设置在蓄能器空气罐10上，用于实时测量蓄能器空气罐10内水位降落幅度和速度；其中，磁致伸缩式液位计20包括浮球21、导杆22和压力显示单元23，其中，浮球21套装在由一定的磁致伸缩物质构成的导杆22上，竖直设置在蓄能器空气罐10内部，导杆22下端固定在蓄能器空气罐10底部，上端穿出蓄能器空气罐10与显示单元23固定连接；水位上升或下降时，浮球21随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿导杆22的波导丝传到压力显示单元23，压力显示单元23根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。

压力表30，设置在蓄能器空气罐10顶部，用于实时测量蓄能器空气罐10空气的压力值，

出水管40，一端与蓄能器空气罐10底部连接，另一端通过一个密封性好的控制球阀41与管网系统末端管道连接，通过开或关控制球阀41为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流，在本发明中，出水管40的直径要求较小，一般小于1cm。

图4所示为本发明提供的低强度瞬变流激发器代替传统激励阀门的安装在管网系统末端的示意图，图中上游水源1水压恒定，待测管网由第一管道2和第二管道3组成，在管道上有模拟的泄漏孔4，安装时，关闭原有管网系统管道末端阀门5，将本发明的出水管40设有控制球阀41的一端接入末端管道或者供水管网消火栓出口。

在安装前，要做以下准备：

(1)向蓄能器空气罐10内充入一定体积的水体，一般满足0.7<H/H₀<0.9，其中，H₀为蓄能器空气罐整体高度，H为蓄能器空气罐初始水位高度(即充入水体的高度)；

(2)利用充气泵向蓄能器空气罐10内打入氮气等气体，通过压力表30得到蓄能器空气罐10内压缩空气的压力；

(3)关闭出水管40上的控制球阀41。

在安装后，要运行检测，具体如下：

手动快速打开控制球阀41，使得具有较高压的水体沿着出水管40进入待检测管网系统(或管道)，产生流量突变，进而激励出低强度的瞬变流，利用压力传感器6测量瞬变水击压力，可以得到类似于传统阀门快速关闭产生水击压力波的相同效果，如图5、图6、图7和图8分别为本发明阀前水压低强度水击波变化过程图(已达到图2实线部分传统末端阀门快速关闭的效果)、阀前低强度水击波与球阀开度对应关系图、阀前低强度水击波与蓄能器空气罐压力的对应关系图和阀前低强度水击波与空气罐水位降落的对应关系图。

在本发明中，为了便于拆卸和易于维护；蓄能器空气罐10还可以设计成分体式，如图9所示，将蓄能器空气罐10分为单独的空气蓄能器11和压力罐12；

空气蓄能器11内部充满压缩空气，顶部设置压力表30，底部通过法兰连接压力罐12顶部；压力罐12上设有磁致伸缩式液位计20，磁致伸缩式液位计20的导杆22竖直设置在压力罐12内部，导杆22下端固定在压力罐12底部，上端穿出压力罐12与磁致伸缩式液位计20的显示单元23固定连接。

本发明还包括一个支座或者可移动的小车50，支撑或移动蓄能器空气罐10，便于安装和操作运行。

下面对本发明的理论原理和数学基础进行详细说明和论述。

对管网系统的管内充分发展了的流动过程建立瞬变流数学模型，其动量方程和连续方程分别可描述为：

其中，x为沿管道中心线方向的距离；t为时间；H为压头；V为管道平均流速；g为重力加速度；a为水击波速；α为管道倾角；J_S为稳态摩阻；J_U为非恒定摩阻，由于非恒定摩阻项J_U仅仅影响水击波第一个波之后的衰减和畸变，本发明中泄漏检测瞬变法只考虑激发器激发的第一个水击波，故可忽略该项。而稳态摩阻可表示为：

其中，D为管道直径；f为Darcy-Weisbach摩阻系数。

对于如图1所示采用末端阀门为激励信号的传统系统泄漏瞬变检测方案，末端阀门快速关闭将产生瞬变水击波，其整个管路不同断面位置的压力波、流量瞬变过程可利用特征线法求解上述方程(2)、(3)得到。

当采用本发明时(如图4所示)，关闭的末端阀门被瞬间开启控制球阀41产生的流量代替，对于图3所示的激发器，压缩空气体积的增大直接导致蓄能器空气罐10内水体液位的下降，由流量的定义可得本发明的激发器瞬时流量Q_in,t为：

其中，V_a0是蓄能器空气罐的初始水体体积；V_a1是开阀后经过时间Δt蓄能器空气罐内水体的最终体积；Δt为蓄能器空气罐内的水体由初始体积变最终体积经历的时长；

因为本发明的激发器水流流量同时也受控制球阀41及出水管40控制，因此有：

其中，C_d是出水管球阀综合流量系数；A_g是出水管直径；h_a,t是蓄能器空气罐压力；h_v,t是管道阀门前(出水管与末端管道接口)的最大压力，即激发器瞬时激发的水击波最大压力值，g为重力加速度。

激发器瞬时激发的水击波最大压力值h_v,t为：

其中，a为水击波速；A为管道面积；控制球阀开启为0时刻，经过T_c快速开启后再经过时间t，蓄能器空气罐内水位下降值为ΔZ，则有：

ΔZ＝H-H_t (8)

其中，H为初始时刻蓄能器空气罐水位；H_t为末了时刻蓄能器空气罐水位；D_v是蓄能器空气罐直径。而H、H_t为磁致伸缩式液位计实测数值，为已知的量测量。

则激发器瞬时激发的水击波最大压力值h_v,t为：

由式(10)可知，激发器瞬时激发的水击波最大压力值h_v,t与出水管直径D_v、流量系数A、蓄能器空气罐初始体积等有关，上述推论表明本发明的关键设计参数包括：

(1)蓄能器空气罐整体高度H₀；

(2)蓄能器空气罐的直径D_v；

(3)蓄能器空气罐初始内部水位高度H；

(4)出水管长度L₀及直径d₀，反映到综合流量系数为C_dA_g。

这样利用公式(10)和特征性法就可以求出开阀之后的管道瞬变流过程。

下面以图4所示的本发明与输水系统安装方案为具体实施例，对本发明的参数设计敏感性进行分析；其中，输水系统的管路基本参数如表1所示，依据本发明的内容和原理设计管道泄漏检测低强度瞬变流激发器关键参数。

表1、输水系统的管路基本参数表。

初选的蓄能器空气罐直径100mm，高度1.2m，蓄能器空气罐内初始水位高1.0m，蓄能器空气罐注入P＝50m的压缩空气，出水管管长L₀＝1m，管径d₀＝6mm，粗糙度0.01mm；控制球阀在0.2秒时刻经过0.1秒手动全开制造流量扰动，以最大激发压力小于初始管压的30％左右考虑。

图10、图11和图12给出了不同蓄能器空气罐直径、出水管直径、球阀开启时间下的阀前激发压力过程。可以看出阀前产生了如图2所示类似的阀门快速关闭产生水击波的效果，此外，在其它参数不变的情况下，蓄能器直径越大，第一个水击波越平缓；出水管直径相对越大，激发压力越大；球阀开启时间越短，水击波越不平滑。考虑到基于瞬变激励的管道泄漏检测主要是捕捉泄漏造成瞬变水击波的波峰、波谷处的不连续来识别，因此，空气罐直径越大、球阀开启时间越短更好。

经过理论计算和模拟分析，优化后的最佳参数范围为：H₀＝1.1-1.3m；Dv＝300-500mm，H＝0.9-1.1m；d₀＝5-8mm；L₀＝1.0-1.5m。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种低强度瞬变流激发器，其特征在于，包括：

蓄能器空气罐，用于储存压缩空气和水体；

磁致伸缩式液位计，设置在所述蓄能器空气罐上，用于实时测量所述蓄能器空气罐内水位降落幅度和速度；

压力表，设置在所述蓄能器空气罐顶部，用于实时测量所述蓄能器空气罐空气的压力值；

出水管，一端与所述蓄能器空气罐底部连接，另一端通过一个控制球阀与管网系统末端管道连接，通过快速开或关所述控制球阀为管网系统提供较高压的水体，并产生低强度瞬变流。

2.如权利要求1所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，所述蓄能器空气罐为圆柱形。

3.如权利要求1所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，所述磁致伸缩式液位计包括浮球、导杆和压力显示单元；

所述浮球套装在由一定的磁致伸缩物质构成的所述导杆上，竖直设置在所述蓄能器空气罐内部；

所述导杆下端固定在所述蓄能器空气罐底部，上端穿出所述蓄能器空气罐与所述压力显示单元固定连接；

水位上升或下降时，所述浮球随其做相应运动，产生电磁脉冲，电磁脉冲沿所述导杆的波导丝传到所述压力显示单元，所述压力显示单元根据电磁脉冲时间差计算液位值，并显示。

4.如权利要求1所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，所述出水管直径要求小于1cm。

5.如权利要求3所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，所述由空气蓄能器和压力罐组成；

所述空气蓄能器顶部设置所述压力表，底部通过法兰连接所述压力罐顶部；

所述压力罐上设有所述磁致伸缩式液位计，所述磁致伸缩式液位计的导杆竖直设置在所述压力罐内部，所述导杆下端固定在所述压力罐底部，上端穿出所述压力罐与所述磁致伸缩式液位计的压力显示单元固定连接。

6.如权利要求1所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，还包括一个支座或者可移动的小车，支撑或移动所述蓄能器空气罐。

7.如权利要求1所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，包括以下关键设计参数：

蓄能器空气罐整体高度H₀；

蓄能器空气罐的直径D_v；

蓄能器空气罐初始内部水位高度H；

出水管长度L₀及直径d₀，反映到综合流量系数为C_dA_g。

8.如权利要求7所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，在其它参数不变的情况下：

蓄能器直径越大，第一个水击波越平缓；

出水管直径相对越大，激发压力越大；

球阀开启时间越短，水击波越不平滑。

9.如权利要求8所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，器件选择和控制标准为蓄能器空气罐直径越大、控制球阀开启时间越短越好。

10.如权利要求8所述的低强度瞬变流激发器，其特征在于，关键参数最佳取值范围为：H₀＝1.1-1.3m；D_v＝300-500mm，H＝0.9-1.1m；d₀＝5-8mm；L₀＝1.0-1.5m。