摘要：介紹了熱力管道漏點檢測系統(tǒng)(LDS)的泄漏檢測原理、系統(tǒng)組成，對熱力管道漏點檢測系統(tǒng)功能、設計、安裝、特點進行了探討。
關鍵詞：熱力管道；漏點檢測系統(tǒng)；漏點定位；泄漏
Technical Scheme of Leak Detection System for Heating Pipeline
ZHANG Fa-qi，Harald Kumpfert
Abstract：The detection principle and composition of leak detection system(LDS)for heating pipeline are introduced. The functions，design，installation and characteristies of LDS are discussed.
Key words：heating pipeline；leak detection system(LDS)；leak locating；leakage
在20世紀50年代，國外一些供熱技術發(fā)達國家，如瑞典、芬蘭、丹麥、德國等，已經(jīng)采用直埋敷設方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管溝敷設方式，他們擁有從直埋供熱管道設計、生產(chǎn)制造、施工驗收、監(jiān)測、運行等一系列完整成熟的技術標準和措施。直埋敷設方式具有節(jié)約能源、造價低、占地少、施工方便等優(yōu)點，近年來在我國也得到迅速發(fā)展。為了保證熱網(wǎng)安全可靠運行，隨時掌握熱網(wǎng)的運行情況，就需要在熱網(wǎng)中設置監(jiān)測系統(tǒng)。對于直埋熱網(wǎng)，一些國家已經(jīng)推廣使用熱網(wǎng)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)[1～3]。供熱管道的泄漏易導致大量的水和熱能的損失，降低供熱系統(tǒng)的輸送效率。供熱管道泄漏的主要原因有管道疲勞破壞、管段之間焊接質(zhì)量不高、管道內(nèi)部壓力超過其承受范圍、保溫層進水導致鋼管腐蝕破壞等。采用熱力管道漏點檢測系統(tǒng)(Leakage Detection System，LDS)，可及時準確地發(fā)現(xiàn)供熱管道保溫層內(nèi)部的泄漏及保溫層損壞導致的地下水滲入，從而采取恰當?shù)难a救措施。本文對熱力管道漏點檢測系統(tǒng)的技術方案進行介紹。
1 檢測原理
目前廣泛應用的漏點檢測技術是通過管道保溫層中的傳感器導線對泄漏情況及漏點位置進行檢測。過去的檢測技術采用銅線作為傳感器導線，通過檢測脈沖響應判斷泄漏并定位漏點。而新的檢測技術采用鎳鉻線作為傳感器導線，可以判斷泄漏強度，并精確確定漏點位置。泄漏的液體會改變檢測系統(tǒng)的阻抗，根據(jù)這一原理，檢測傳感器導線間的電阻和傳感器導線與管道之間的阻抗(通常管道是接地的)可以獲得供熱管道泄漏信息。
阻抗可連續(xù)測量(由電力網(wǎng)供電)、間歇測量(由電池供電)，將測量值與歷史數(shù)據(jù)和設定值進行比較，以判斷管道是否泄漏。設定值可以遠程設置和現(xiàn)場設置，設定值取決于管道長度和測量頻率，測量值和報警信號將傳送到中央計算機系統(tǒng)(CCS)。如果發(fā)生報警，漏點檢測系統(tǒng)將自動顯示泄漏位置，用泄漏位置占傳感器導線長度的比例表示漏點的準確位置，測量精度不低于0.5%，最高為0.2%。
2 漏點檢測系統(tǒng)的整體結構
漏點檢測系統(tǒng)的整體結構可總結為2層、3部分。2層為：上位監(jiān)控管理層、現(xiàn)場檢測層；3部分為：中央計算機系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場測量站。漏點檢測系統(tǒng)的整體結構見圖1。
中央計算機系統(tǒng)由服務器、操作員站、工程師站、打印機等組成，經(jīng)網(wǎng)絡交換機與Ethernet工業(yè)標準以太網(wǎng)連接構成一個LAN局域網(wǎng)。局域網(wǎng)通過路由器和通信線纜接入公共通信網(wǎng)(Internet)，實現(xiàn)中央計算機系統(tǒng)與現(xiàn)場測量站間的數(shù)據(jù)通信。各現(xiàn)場測量站均有固定的IP地址，整個漏點檢測系統(tǒng)形成一個獨立的虛擬專用通信網(wǎng)絡，確保信息傳輸?shù)陌踩浴，F(xiàn)場測量站通過公共通信網(wǎng)與中央計算機系統(tǒng)實現(xiàn)實時通信、數(shù)據(jù)傳輸。中央計算機系統(tǒng)具有采集過程數(shù)據(jù)、提供操作指導、進行數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)報警、打印報告和趨勢顯示等功能。
3 系統(tǒng)組成
3.1 中央計算機系統(tǒng)
① 硬件組成及功能
服務器：采用工業(yè)用計算機，主要負責接收來自現(xiàn)場測量站的數(shù)據(jù)信息，向現(xiàn)場測量站發(fā)送指令，監(jiān)控上位監(jiān)控管理層內(nèi)部、外部客戶的訪問，使局域網(wǎng)內(nèi)所有計算機或遠程連接到公共通信網(wǎng)的計算機能夠登錄中央計算機系統(tǒng)，使管理者在任何地方都可了解漏點檢測系統(tǒng)的運行情況。
操作員站：采用工業(yè)用計算機，主要功能是使操作人員了解現(xiàn)場測量站的工作情況，操作員站可對現(xiàn)場測量站進行參數(shù)設置，是實現(xiàn)人機交互的主要窗口。
工程師站：主要功能是實現(xiàn)對漏點檢測系統(tǒng)軟件的管理和維護、系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)診斷、參數(shù)修改等。工程師站也可作為操作員站，通過密碼進入操作員站。
網(wǎng)絡交換機：連接各個現(xiàn)場測量站，建立局域網(wǎng)，構建通信網(wǎng)絡。
路由器：建立通信路由，專線接入公共通信網(wǎng)，實現(xiàn)外網(wǎng)通信。
UPS電源：不間斷電源，為整個漏點檢測系統(tǒng)提供平穩(wěn)的電源。
② 軟件組成及功能
漏點檢測系統(tǒng)軟件包括管理軟件、通信軟件等。具體功能為：采集來自現(xiàn)場測量站的數(shù)據(jù)和報警信號；數(shù)據(jù)儲存、處理、傳輸；顯示所有報警數(shù)據(jù)、報警位置和時間；完成漏點檢測系統(tǒng)的時間同步；測量數(shù)據(jù)分析和生成趨勢曲線；測量回路中斷位置；檢測漏點位置，確定泄漏程度；檢測接地導線是否中斷；判定通信模塊(FCU)、漏點檢測模塊(LDM)故障、電源電壓低、現(xiàn)場測量站電源故障；計算傳感器導線回路長度和傳感器導線回路電阻；檢測各現(xiàn)場測量站的通信狀態(tài)。
3.2 現(xiàn)場測量站
① 組成
現(xiàn)場測量站主要由通信模塊、漏點檢測模塊組成，通信模塊的接口設置見圖2。它具有靈活的通信接口，可直接與漏點檢測模塊通信；分析檢測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲存在SD卡上；電源管理功能，為其他漏點檢測模塊供電；建立中央計算機系統(tǒng)與各現(xiàn)場測量站間的數(shù)據(jù)通信。
現(xiàn)場測量站通信模塊、漏點檢測模塊的組裝形式見圖3，所有模塊均安裝在軌道底板上，結構簡單，安裝方便。漏點檢測模塊的作用是：測量管道與傳感器導線之間的阻抗；通過傳感器導線與其他漏點檢測模塊通信(采用管段兩端測量時)；支持不同管段通信模塊間的數(shù)據(jù)傳輸；當有泄漏發(fā)生時，發(fā)出報警信號。
② 功能
通過監(jiān)測傳感器導線與鋼管間的阻抗及傳感器導線之間的電阻，進行泄漏監(jiān)測和漏點定位；監(jiān)測傳感器導線回路電阻；電池電源監(jiān)測(采用電池供電方式時)；實現(xiàn)與中央計算機系統(tǒng)間的通信；實現(xiàn)各現(xiàn)場測量站間的通信；與其他設備的通信，如可編程控制器、計量儀表及水位預警探測器等；實現(xiàn)與手提電腦及其他便攜設備連接，便于現(xiàn)場操作；可通過公共通信網(wǎng)(Internet)與遠程計算機通信；可通過電池供電或集成交流電源供電。
3.3 通信網(wǎng)絡
① 組成
通信網(wǎng)絡完成現(xiàn)場測量站與中央計算機系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸包括從現(xiàn)場測量站到中央計算機系統(tǒng)，從中央計算機系統(tǒng)到現(xiàn)場測量站，從現(xiàn)場測量站到現(xiàn)場測量站(利用傳感器導線實現(xiàn)現(xiàn)場測量站間的通信)。通信網(wǎng)絡見圖4。
② 數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)傳輸是按照事故(報警)發(fā)生的時間表或先后順序進行。在圖4中，1號現(xiàn)場測量站與中央計算機系統(tǒng)建立通信，在通信期間，中央計算機系統(tǒng)檢查所有傳輸數(shù)據(jù)是否無誤。1號現(xiàn)場測量站把所有分析數(shù)據(jù)以文本格式傳送并寫入中央計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。2號現(xiàn)場測量站的分析數(shù)據(jù)先傳輸給1號現(xiàn)場測量站，再由1號現(xiàn)場測量站傳送至中央計算機系統(tǒng)，即2號現(xiàn)場測量站不直接經(jīng)公共通信網(wǎng)與中央計算機系統(tǒng)進行通信。
在間歇測量方式下，現(xiàn)場測量站僅按事故(報警)發(fā)生的時間表與中央計算機系統(tǒng)通信，剩余時間處于熱備或休眠狀態(tài)，以節(jié)省能源。在通信期間，操作員可以遠程設置參數(shù)，參數(shù)設置有：漏點檢測系統(tǒng)的循環(huán)周期；系統(tǒng)時鐘(可自動同步)；絕緣阻抗臨界值。通信模塊在測量周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各現(xiàn)場測量站間的通信。
③ 通信方式
漏點檢測系統(tǒng)可采用多種通信方式：無線通信方式(如GPRS、VPN等)；基于以太網(wǎng)(TCP/IP)的通信方式；基于RS485的通信方式。
3.4 傳感器導線
使用鎳鉻合金線作為傳感器導線，分為感測導線、反饋導線，兩根導線總稱為傳感器導線。供熱管道制造過程中，在每段管道中安裝兩根導線，傳感器導線布置形式見圖5。
感測導線的絕緣外皮有規(guī)則的孔(見圖6)，小孔可以感知保溫層濕度的變化?？椎拈g隔為20mm，每個小孔的寬度為1.5mm。漏點檢測系統(tǒng)要求感測導線、反饋導線與管道之間的阻抗以及兩導線之間的絕緣電阻必須大于等于50MΩ。
感測導線用于測量阻抗，且與反饋導線形成回路，因此感測導線與反饋導線必須在被測管段的末端連接在一起形成一個回路。這樣，漏點檢測系統(tǒng)通過檢測感測導線與反饋導線之間的電阻，以及感測導線與管道之間的阻抗判斷管道是否泄漏，依此監(jiān)測管道和保溫層之間的濕度，經(jīng)軟件處理確定泄漏度和漏點位置。
4 漏點檢測系統(tǒng)功能
① 回路電阻分析
將傳感器導線回路測量電阻與設定值進行比較，若在容許公差范圍以外，但趨于設定值，漏點檢測系統(tǒng)首先預警；若傳感器導線回路完全斷開，漏點檢測系統(tǒng)就發(fā)出報警信號。漏點檢測系統(tǒng)就是依此判斷傳感器導線回路是否處在可用狀態(tài)，并確定檢測回路發(fā)生故障的位置。
② 測量頻率阻抗分析
測量頻率范圍為1～100Hz，不同檢測頻率下的阻抗由系統(tǒng)軟件計算得出。測量頻率范圍內(nèi)阻抗、電阻與電抗之間的關系見圖7。
漏點檢測系統(tǒng)把1Hz測量頻率下的計算阻抗作為絕緣阻抗，不同等級的預警和報警級別就是從這個絕緣阻抗計算而來，使各個不同等級的預警和報警值形成一個確認區(qū)，并寫入漏點檢測系統(tǒng)軟件。一旦測量阻抗偏離這個確認區(qū)，漏點檢測系統(tǒng)開始進行阻抗分析比較處理，并生成相關數(shù)據(jù)。分析處理數(shù)據(jù)如下：漏點精確定位及絕緣阻抗較低區(qū)域的劃定；接地導線與漏點檢測模塊斷線報警；傳感器導線回路斷點位置確定。
③ 接地導線檢測
漏點檢測系統(tǒng)實時檢測管道接地導線的連接情況，這項檢測也極其重要。若接地導線與管道的連接被破壞，漏點檢測系統(tǒng)將不會進行正常的泄漏檢測。如果這種情況發(fā)生，漏點檢測系統(tǒng)會報警。
5 漏點檢測系統(tǒng)設計
① 系統(tǒng)規(guī)模
在設計漏點檢測系統(tǒng)時，要明確下列問題，以確定系統(tǒng)規(guī)模：a.確定檢測精度。b.中央計算機系統(tǒng)設置地點：單獨設置中央計算機系統(tǒng)還是與熱網(wǎng)監(jiān)控中心合用，原則上與熱網(wǎng)監(jiān)控中心合用。c.管段長度的確定：根據(jù)熱網(wǎng)的布置和需要，確定需要檢測的管段、管段的長度，是采用連續(xù)測量還是間歇測量，以便合理確定漏點檢測系統(tǒng)的規(guī)模和現(xiàn)場測量站的數(shù)量。d.現(xiàn)場測量站地點的確定：確定各現(xiàn)場測量站的具體地點，有條件時應設在熱力站內(nèi)。地點的設置應便于現(xiàn)場測量站的施工布線、配線連接、運行調(diào)試和檢修維護。e.供電選擇：交流供電還是直流電池供電。兩者均選擇時，電池供電可作為備用。f.通信方式：結合當?shù)赝ㄐ啪W(wǎng)絡的實際情況，選擇有線或無線通信方式。g.漏點檢測系統(tǒng)擴展：應與熱網(wǎng)發(fā)展計劃相結合。
② 線纜敷設
漏點檢測系統(tǒng)線纜敷設必須遵循以下原則：只有感測導線敷設至分支管，反饋導線不敷設到分支管。漏點檢測系統(tǒng)的線纜敷設方式見圖8，圖8僅為供水管道的線纜敷設方式，回水管道需另外敷設線纜。
③ 現(xiàn)場測量站線纜連接
現(xiàn)場測量站線纜連接方式見圖9。主要連接裝置有：現(xiàn)場測量站小室內(nèi)安裝漏點檢測模塊、通信模塊等；現(xiàn)場測量站小室與接線盒之間的連接電纜；帶有接地連接器的接線盒；用于連接感測導線與反饋導線的終端盒等?，F(xiàn)場測量小室、接線盒、終端盒、連接電纜的防護等級均為IP65。
每一段檢測管段安裝一個接線盒，接線盒安裝在接地連接器上，接地導線與接地連接器連接，接地連接器焊接在管道上做到接地良好。接線盒經(jīng)連接電纜與現(xiàn)場測量站小室相連，接線盒線纜連接方式見圖10。在管段的末端安裝終端盒，將感測導線與反饋導線相連，終端盒線纜連接方式見圖11。
6 漏點檢測系統(tǒng)的安裝
現(xiàn)場測量站的安裝地點必須無積水；現(xiàn)場測量站的連接線纜必須采用專用防水線纜；供熱管道保溫層搭接處必須密封防水，防止外界的水進入保溫層；線纜的絕緣外皮必須接地；采用無線通信方式時，天線必須安裝在信號確實有效的地方；接地導線連接牢固可靠；在安裝前，必須檢查每一個回路的電氣參數(shù)；接線盒內(nèi)接線端子與管道間的接觸電阻應小于0.01Ω。
7 漏點檢測系統(tǒng)的特點
定位精度高，最高精度達到0.2%。監(jiān)測距離長，一座現(xiàn)場測量站最長檢測管段距離長達5km，沿程無需設置檢查點。系統(tǒng)結構模塊化，結構緊湊，功能全面，易擴展。系統(tǒng)具有監(jiān)測回路中斷和設備故障的自診斷功能?？蓪崿F(xiàn)有線、無線通信方式。施工安裝簡單易行，如傳感器導線采用壓接方式連接，不用焊接。漏點檢測系統(tǒng)可與熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)集成。反饋導線僅經(jīng)過主干管，不經(jīng)過分支管，分支管可與主干線構成同一監(jiān)測回路。供電方式可采用交、直流供電，采用交流電源供電時，直流電源可作為備用。直流供電為間歇運行方式，最小間隔為5min，可節(jié)省運行費用。更新改造方便，造價較低，功能強。
參考文獻：
[1] 金富根.熱網(wǎng)泄漏檢測及控制方法[J].煤氣與熱力，2008，28(2)：A11-A13.
[2] 董壯進，廖榮平，王淮，等.供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏與堵塞的診斷[J].煤氣與熱力，2000，20(3)：192-194.
[3] 牛小化，宋盛華，王佳，等.直埋供熱管道熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤氣與熱力，2008，28(12)：A12-A15.
(本文作者：張法琪1 Harald Kumpfert2 1.中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074；2.奧地利拜泰克尼克有限公司 奧地利維也納)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
