热力管道漏点检测系统的技术方案_技术研究

摘要

摘要：介绍了热力管道漏点检测系统(LDS)的泄漏检测原理、系统组成，对热力管道漏点检测系统功能、设计、安装、特点进行了探讨。关键词：热力管道；漏点检测系统；漏点定位；泄漏Technic

摘要：介绍了热力管道漏点检测系统(LDS)的泄漏检测原理、系统组成，对热力管道漏点检测系统功能、设计、安装、特点进行了探讨。

关键词：热力管道；漏点检测系统；漏点定位；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世纪50年代，国外一些供热技术发达国家，如瑞典、芬兰、丹麦、德国等，已经采用直埋敷设方式代替传统的管沟敷设方式，他们拥有从直埋供热管道设计、生产制造、施工验收、监测、运行等一系列完整成熟的技术标准和措施。直埋敷设方式具有节约能源、造价低、占地少、施工方便等优点，近年来在我国也得到迅速发展。为了保证热网安全可靠运行，随时掌握热网的运行情况，就需要在热网中设置监测系统。对于直埋热网，一些国家已经推广使用热网泄漏监测系统^[1～3]。供热管道的泄漏易导致大量的水和热能的损失，降低供热系统的输送效率。供热管道泄漏的主要原因有管道疲劳破坏、管段之间焊接质量不高、管道内部压力超过其承受范围、保温层进水导致钢管腐蚀破坏等。采用热力管道漏点检测系统(Leakage Detection System，LDS)，可及时准确地发现供热管道保温层内部的泄漏及保温层损坏导致的地下水渗入，从而采取恰当的补救措施。本文对热力管道漏点检测系统的技术方案进行介绍。

1 检测原理

目前广泛应用的漏点检测技术是通过管道保温层中的传感器导线对泄漏情况及漏点位置进行检测。过去的检测技术采用铜线作为传感器导线，通过检测脉冲响应判断泄漏并定位漏点。而新的检测技术采用镍铬线作为传感器导线，可以判断泄漏强度，并精确确定漏点位置。泄漏的液体会改变检测系统的阻抗，根据这一原理，检测传感器导线间的电阻和传感器导线与管道之间的阻抗(通常管道是接地的)可以获得供热管道泄漏信息。

阻抗可连续测量(由电力网供电)、间歇测量(由电池供电)，将测量值与历史数据和设定值进行比较，以判断管道是否泄漏。设定值可以远程设置和现场设置，设定值取决于管道长度和测量频率，测量值和报警信号将传送到中央计算机系统(CCS)。如果发生报警，漏点检测系统将自动显示泄漏位置，用泄漏位置占传感器导线长度的比例表示漏点的准确位置，测量精度不低于0.5%，最高为0.2%。

2 漏点检测系统的整体结构

漏点检测系统的整体结构可总结为2层、3部分。2层为：上位监控管理层、现场检测层；3部分为：中央计算机系统、通信网络、现场测量站。漏点检测系统的整体结构见图1。

中央计算机系统由服务器、操作员站、工程师站、打印机等组成，经网络交换机与Ethernet工业标准以太网连接构成一个LAN局域网。局域网通过路由器和通信线缆接入公共通信网(Internet)，实现中央计算机系统与现场测量站间的数据通信。各现场测量站均有固定的IP地址，整个漏点检测系统形成一个独立的虚拟专用通信网络，确保信息传输的安全性。现场测量站通过公共通信网与中央计算机系统实现实时通信、数据传输。中央计算机系统具有采集过程数据、提供操作指导、进行数据分析、系统诊断、系统报警、打印报告和趋势显示等功能。

3 系统组成

3.1 中央计算机系统

① 硬件组成及功能

服务器：采用工业用计算机，主要负责接收来自现场测量站的数据信息，向现场测量站发送指令，监控上位监控管理层内部、外部客户的访问，使局域网内所有计算机或远程连接到公共通信网的计算机能够登录中央计算机系统，使管理者在任何地方都可了解漏点检测系统的运行情况。

操作员站：采用工业用计算机，主要功能是使操作人员了解现场测量站的工作情况，操作员站可对现场测量站进行参数设置，是实现人机交互的主要窗口。

工程师站：主要功能是实现对漏点检测系统软件的管理和维护、系统组态、系统诊断、参数修改等。工程师站也可作为操作员站，通过密码进入操作员站。

网络交换机：连接各个现场测量站，建立局域网，构建通信网络。

路由器：建立通信路由，专线接入公共通信网，实现外网通信。

UPS电源：不间断电源，为整个漏点检测系统提供平稳的电源。

② 软件组成及功能

漏点检测系统软件包括管理软件、通信软件等。具体功能为：采集来自现场测量站的数据和报警信号；数据储存、处理、传输；显示所有报警数据、报警位置和时间；完成漏点检测系统的时间同步；测量数据分析和生成趋势曲线；测量回路中断位置；检测漏点位置，确定泄漏程度；检测接地导线是否中断；判定通信模块(FCU)、漏点检测模块(LDM)故障、电源电压低、现场测量站电源故障；计算传感器导线回路长度和传感器导线回路电阻；检测各现场测量站的通信状态。

3.2 现场测量站

① 组成

现场测量站主要由通信模块、漏点检测模块组成，通信模块的接口设置见图2。它具有灵活的通信接口，可直接与漏点检测模块通信；分析检测数据，并将数据储存在SD卡上；电源管理功能，为其他漏点检测模块供电；建立中央计算机系统与各现场测量站间的数据通信。

现场测量站通信模块、漏点检测模块的组装形式见图3，所有模块均安装在轨道底板上，结构简单，安装方便。漏点检测模块的作用是：测量管道与传感器导线之间的阻抗；通过传感器导线与其他漏点检测模块通信(采用管段两端测量时)；支持不同管段通信模块间的数据传输；当有泄漏发生时，发出报警信号。

② 功能

通过监测传感器导线与钢管间的阻抗及传感器导线之间的电阻，进行泄漏监测和漏点定位；监测传感器导线回路电阻；电池电源监测(采用电池供电方式时)；实现与中央计算机系统间的通信；实现各现场测量站间的通信；与其他设备的通信，如可编程控制器、计量仪表及水位预警探测器等；实现与手提电脑及其他便携设备连接，便于现场操作；可通过公共通信网(Internet)与远程计算机通信；可通过电池供电或集成交流电源供电。

3.3 通信网络

① 组成

通信网络完成现场测量站与中央计算机系统之间的双向数据传输。通信网络的数据传输包括从现场测量站到中央计算机系统，从中央计算机系统到现场测量站，从现场测量站到现场测量站(利用传感器导线实现现场测量站间的通信)。通信网络见图4。

② 数据传输

数据传输是按照事故(报警)发生的时间表或先后顺序进行。在图4中，1号现场测量站与中央计算机系统建立通信，在通信期间，中央计算机系统检查所有传输数据是否无误。1号现场测量站把所有分析数据以文本格式传送并写入中央计算机系统的数据库。2号现场测量站的分析数据先传输给1号现场测量站，再由1号现场测量站传送至中央计算机系统，即2号现场测量站不直接经公共通信网与中央计算机系统进行通信。

在间歇测量方式下，现场测量站仅按事故(报警)发生的时间表与中央计算机系统通信，剩余时间处于热备或休眠状态，以节省能源。在通信期间，操作员可以远程设置参数，参数设置有：漏点检测系统的循环周期；系统时钟(可自动同步)；绝缘阻抗临界值。通信模块在测量周期内传输数据，实现各现场测量站间的通信。

③ 通信方式

漏点检测系统可采用多种通信方式：无线通信方式(如GPRS、VPN等)；基于以太网(TCP/IP)的通信方式；基于RS485的通信方式。

3.4 传感器导线

使用镍铬合金线作为传感器导线，分为感测导线、反馈导线，两根导线总称为传感器导线。供热管道制造过程中，在每段管道中安装两根导线，传感器导线布置形式见图5。

感测导线的绝缘外皮有规则的孔(见图6)，小孔可以感知保温层湿度的变化。孔的间隔为20mm，每个小孔的宽度为1.5mm。漏点检测系统要求感测导线、反馈导线与管道之间的阻抗以及两导线之间的绝缘电阻必须大于等于50MΩ。

感测导线用于测量阻抗，且与反馈导线形成回路，因此感测导线与反馈导线必须在被测管段的末端连接在一起形成一个回路。这样，漏点检测系统通过检测感测导线与反馈导线之间的电阻，以及感测导线与管道之间的阻抗判断管道是否泄漏，依此监测管道和保温层之间的湿度，经软件处理确定泄漏度和漏点位置。

4 漏点检测系统功能

① 回路电阻分析

将传感器导线回路测量电阻与设定值进行比较，若在容许公差范围以外，但趋于设定值，漏点检测系统首先预警；若传感器导线回路完全断开，漏点检测系统就发出报警信号。漏点检测系统就是依此判断传感器导线回路是否处在可用状态，并确定检测回路发生故障的位置。

② 测量频率阻抗分析

测量频率范围为1～100Hz，不同检测频率下的阻抗由系统软件计算得出。测量频率范围内阻抗、电阻与电抗之间的关系见图7。

漏点检测系统把1Hz测量频率下的计算阻抗作为绝缘阻抗，不同等级的预警和报警级别就是从这个绝缘阻抗计算而来，使各个不同等级的预警和报警值形成一个确认区，并写入漏点检测系统软件。一旦测量阻抗偏离这个确认区，漏点检测系统开始进行阻抗分析比较处理，并生成相关数据。分析处理数据如下：漏点精确定位及绝缘阻抗较低区域的划定；接地导线与漏点检测模块断线报警；传感器导线回路断点位置确定。

③ 接地导线检测

漏点检测系统实时检测管道接地导线的连接情况，这项检测也极其重要。若接地导线与管道的连接被破坏，漏点检测系统将不会进行正常的泄漏检测。如果这种情况发生，漏点检测系统会报警。

5 漏点检测系统设计

① 系统规模

在设计漏点检测系统时，要明确下列问题，以确定系统规模：a.确定检测精度。b.中央计算机系统设置地点：单独设置中央计算机系统还是与热网监控中心合用，原则上与热网监控中心合用。c.管段长度的确定：根据热网的布置和需要，确定需要检测的管段、管段的长度，是采用连续测量还是间歇测量，以便合理确定漏点检测系统的规模和现场测量站的数量。d.现场测量站地点的确定：确定各现场测量站的具体地点，有条件时应设在热力站内。地点的设置应便于现场测量站的施工布线、配线连接、运行调试和检修维护。e.供电选择：交流供电还是直流电池供电。两者均选择时，电池供电可作为备用。f.通信方式：结合当地通信网络的实际情况，选择有线或无线通信方式。g.漏点检测系统扩展：应与热网发展计划相结合。

② 线缆敷设

漏点检测系统线缆敷设必须遵循以下原则：只有感测导线敷设至分支管，反馈导线不敷设到分支管。漏点检测系统的线缆敷设方式见图8，图8仅为供水管道的线缆敷设方式，回水管道需另外敷设线缆。

③ 现场测量站线缆连接

现场测量站线缆连接方式见图9。主要连接装置有：现场测量站小室内安装漏点检测模块、通信模块等；现场测量站小室与接线盒之间的连接电缆；带有接地连接器的接线盒；用于连接感测导线与反馈导线的终端盒等。现场测量小室、接线盒、终端盒、连接电缆的防护等级均为IP65。

每一段检测管段安装一个接线盒，接线盒安装在接地连接器上，接地导线与接地连接器连接，接地连接器焊接在管道上做到接地良好。接线盒经连接电缆与现场测量站小室相连，接线盒线缆连接方式见图10。在管段的末端安装终端盒，将感测导线与反馈导线相连，终端盒线缆连接方式见图11。

6 漏点检测系统的安装

现场测量站的安装地点必须无积水；现场测量站的连接线缆必须采用专用防水线缆；供热管道保温层搭接处必须密封防水，防止外界的水进入保温层；线缆的绝缘外皮必须接地；采用无线通信方式时，天线必须安装在信号确实有效的地方；接地导线连接牢固可靠；在安装前，必须检查每一个回路的电气参数；接线盒内接线端子与管道间的接触电阻应小于0.01Ω。

7 漏点检测系统的特点

定位精度高，最高精度达到0.2%。监测距离长，一座现场测量站最长检测管段距离长达5km，沿程无需设置检查点。系统结构模块化，结构紧凑，功能全面，易扩展。系统具有监测回路中断和设备故障的自诊断功能。可实现有线、无线通信方式。施工安装简单易行，如传感器导线采用压接方式连接，不用焊接。漏点检测系统可与热网监控系统集成。反馈导线仅经过主干管，不经过分支管，分支管可与主干线构成同一监测回路。供电方式可采用交、直流供电，采用交流电源供电时，直流电源可作为备用。直流供电为间歇运行方式，最小间隔为5min，可节省运行费用。更新改造方便，造价较低，功能强。

参考文献：

[1] 金富根.热网泄漏检测及控制方法[J].煤气与热力，2008，28(2)：A11-A13.

[2] 董壮进，廖荣平，王淮，等.供热管网系统泄漏与堵塞的诊断[J].煤气与热力，2000，20(3)：192-194.

[3] 牛小化，宋盛华，王佳，等.直埋供热管道热网监测系统[J].煤气与热力，2008，28(12)：A12-A15.

(本文作者：张法琪¹ Harald Kumpfert² 1.中国市政工程华北设计研究总院天津 300074；2.奥地利拜泰克尼克有限公司奥地利维也纳)