齊衛(wèi)雪 石光輝

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

1 概述

太古長輸供熱工程在城市供熱中的影響力巨大，目前已經(jīng)實現(xiàn)了四個采暖季的平穩(wěn)供熱，上個采暖季最大供熱面積達(dá)到7 120萬m2，涉及用熱單位十家。在三個采暖季的運(yùn)行過程中，太古一級網(wǎng)曾經(jīng)由于各種原因發(fā)生過多次突發(fā)泄漏事故，嚴(yán)重的造成了整個太古系統(tǒng)的短時間停運(yùn)。并且由于太古一級網(wǎng)管線位于市區(qū)主干道，運(yùn)行期突發(fā)泄漏時極有可能造成次生災(zāi)害。因此，當(dāng)太古一級網(wǎng)發(fā)生突發(fā)泄漏時，如何快速的判斷查找泄漏點(diǎn)并快速進(jìn)行隔離，是保證整個一級網(wǎng)及長輸供熱工程安全平穩(wěn)運(yùn)行面臨的一個重要課題。

太古一級網(wǎng)系統(tǒng)是既有管網(wǎng)，不可能對整個管網(wǎng)不進(jìn)行大規(guī)模改動，利用現(xiàn)有技術(shù)檢漏更換保溫管或者外敷檢漏光纜顯然不具備可實施性。根據(jù)實際需求，提出了太古一級網(wǎng)突發(fā)泄漏時的快速定位方法，該方法是根據(jù)采集的泄漏瞬間壓力信號的不同特性，對其進(jìn)行有效識別后，將識別結(jié)果反饋給上位機(jī)，再結(jié)合地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)定位[1]。經(jīng)過多次試驗，已經(jīng)實現(xiàn)了對泄漏瞬間壓力信號的完整有效采集，該方法的難點(diǎn)及核心在于對泄漏瞬間壓力信號的有效識別。本文以太古一級網(wǎng)為分析對象，采用某次太古一級網(wǎng)壓力信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究泄漏瞬間壓力信號的識別算法。

2 試驗簡述及信號采集

本文選取太古一級網(wǎng)五座熱力站進(jìn)行相應(yīng)試驗，利用一座熱力站進(jìn)行排污，模擬管線突發(fā)泄漏情況，采用參考文獻(xiàn)[2]的小型壓力波硬件對試驗時的泄漏瞬間壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在試驗時，通過不同的閥門開度模擬泄放時壓力波變化情況，為避免全網(wǎng)平衡及附近補(bǔ)水對壓力信號的干擾，退出平衡并關(guān)閉周邊熱力站補(bǔ)水。在試驗時，在每座熱力站安裝一部高頻率(20 Hz)壓力信號采集器，采集五座實驗熱力站一級網(wǎng)壓力用來進(jìn)行分析。參與實驗五座熱力站分別為217站、222站、234站、243站、221站，具體位置分布見圖1，其中217熱力站為泄放熱力站(用于模擬管線突發(fā)泄漏情況)。試驗采集到的各站泄漏瞬間壓力值如表1所示，泄漏瞬間原始壓力信號如圖2所示，橫坐標(biāo)代表采集數(shù)據(jù)個數(shù)，縱坐標(biāo)代表泄漏點(diǎn)壓力。此圖只用來表示各熱力站泄漏瞬間壓力變化趨勢，不表示泄漏對各站壓力影響的時間先后關(guān)系。

表1 試驗熱力站泄漏瞬間壓力值 MPa

3 試驗信號的處理

無論是太古一級網(wǎng)泄露試驗的采集過程還是其他信號的采集，數(shù)據(jù)采集過程中都受到外界環(huán)境干擾，采集到的泄漏壓力信號混雜有噪聲，為了提高判斷的準(zhǔn)確性，需要對采集到的泄漏壓力信號進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的處理方法傅里葉變換方法是一種純頻域分析方法，只能對信號做全局變換，不能表達(dá)信號的局部特性。小波變換是一種同時具有時頻特性的分析方法，具有多分辨率分析的特點(diǎn)。即在低頻部分時間分辨率較低，頻率分辨率較高；在高頻部分時間分辨率較高，頻率分辨率較低。本文利用MATLAB小波工具箱對太古一級網(wǎng)本次試驗的泄漏瞬間壓力信號進(jìn)行分析處理[3]。

3.1 小波基選擇

對某次太古一級網(wǎng)試驗采集的泄漏瞬間壓力信號進(jìn)行小波變換，小波變換的關(guān)鍵因素是小波基的選取，不同的小波基具有不同的特點(diǎn)，選取小波基函數(shù)的不同，濾波效果也會有所差異。以217熱力站的泄露壓力信號為例，采用不同的小波基在同一尺度下進(jìn)行小波分解。分別選用haar，db3，db5和sys2小波基對泄露壓力信號進(jìn)行5層分解，分解結(jié)果如圖3所示，其中s表示原泄漏瞬間壓力信號。

由圖3可以看出，利用haar小波基對信號進(jìn)行分解，能夠很好的識別泄漏瞬間壓力信號；另外，參考其他波形處理的文獻(xiàn)，對于連續(xù)性較差的波形，haar小波具有最高的時間分辨率，能夠很好的識別瞬時特征。因此，選用haar小波基進(jìn)行小波變換。

3.2 尺度確定

根據(jù)以上分析結(jié)果，選用haar小波對泄漏瞬間壓力信號進(jìn)行9層分解，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，第五層分解已經(jīng)能夠看出信號的變化趨勢，但第九層分析效果最好，波形的顯示更加直觀，因此，選用尺度9對泄露壓力信號進(jìn)行分析。

4 對泄露信號進(jìn)行定位

利用haar小波基對泄漏瞬間壓力信號進(jìn)行小波變換后，選用啟發(fā)式閾值選擇(heursure)作為閾值選擇規(guī)則；進(jìn)行軟閾值處理；消噪后的泄漏瞬間壓力信號如圖5所示。

利用壓力平均值比較的方法，判斷泄漏出現(xiàn)的時間。由圖5可以看出，泄漏瞬間壓力波形維持時間在500個點(diǎn)左右，因此我們選擇500個采樣點(diǎn)作為一個比較段。假設(shè)正常運(yùn)行時壓力波動范圍為P0，1分鐘前500個數(shù)據(jù)平均值與當(dāng)前500個數(shù)據(jù)平均值的差值為ΔP，如果ΔP>P0，則說明該段時間有泄露。具體判斷步驟如下：

1)取某個熱力站t時刻500個數(shù)據(jù)點(diǎn)計算平均值P(t)；

2)再取該熱力站t時刻的1分鐘前的500個數(shù)據(jù)點(diǎn)計算平均值P(t0)；

3)如果兩個時刻的壓力差值P(t0)大于此熱力站正常運(yùn)行時壓力波動范圍P0，則說明此熱力站的一次管網(wǎng)可能存在泄漏現(xiàn)象。此時報警提示運(yùn)行人員，進(jìn)行管網(wǎng)巡查，確定漏點(diǎn)具體位置，實施搶修；

4)如果附近幾個熱力站同時出現(xiàn)泄漏報警，則推斷漏點(diǎn)在這幾個熱力站之間，縮小管網(wǎng)巡查范圍，快速發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。

某個點(diǎn)(熱力站)判斷方法如圖6所示。

利用該判斷方法對太古一級網(wǎng)五個熱力站的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。在217熱力站和222熱力站出現(xiàn)泄漏信號，判斷漏點(diǎn)在兩個熱力站之間；實際模擬測試時，217熱力站為模擬泄放的熱力站，測試點(diǎn)位置離泄漏位置最近，一級網(wǎng)壓力波動明顯，能夠在泄漏時刻識別出泄漏信號，在3000～3500段發(fā)生泄漏，判斷結(jié)果與圖5相符。對于泄漏輔信號，離泄放站最近的222熱力站，壓力波動有一定的衰減，但是仍然能夠識別出泄漏壓力信號；但是其余三個熱力站，由于距離較遠(yuǎn)，泄漏壓力信號衰減嚴(yán)重，利用此方法不能進(jìn)行有效識別。

5 結(jié)語

本文利用haar小波基對泄漏壓力信號進(jìn)行小波變換，泄漏壓力信號在去噪之后能夠有效的濾掉干擾信號；再利用平均值比較法，用當(dāng)前時間段與前1分鐘時間段平均值的差值與正常壓力波動范圍進(jìn)行比較，通過比較結(jié)果能夠判斷出泄漏壓力主信號是否出現(xiàn)泄漏。本文的研究方法為太古供熱一級網(wǎng)泄露的判斷提供了一定的理論基礎(chǔ)，也為行業(yè)內(nèi)供熱管網(wǎng)的管理提供了一種方法。但是，在泄漏信號傳遞過程中，壓力信號衰減嚴(yán)重，泄漏壓力輔信號變化不明顯，還需對泄漏壓力輔信號識別以及判斷算法進(jìn)行研究，形成綜合的識別判斷方法，提高供熱一級網(wǎng)突發(fā)泄漏時的快速定位方法的準(zhǔn)確性。另外，在判斷是否發(fā)生泄漏時，壓力波動范圍P0值的大小，跟具體的熱力站以及初寒、嚴(yán)寒、末寒期的流量有關(guān)系，不能一概而論。