№4|2010
ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
bbk 000000
УДК 628.148.004.67
Обнаружение скрытых утечек с использованием системы мониторинга водопроводной сети
Аннотация
Комплекс работ, проводимых Центром технической диагностики «Мосводоканал», направлен на обнаружение скрытых утечек водопроводной сети с помощью систем мониторинга. На основе накопленного опыта проведен анализ современных методов обнаружения утечек, показана их перспективность и преимущества.
Ключевые слова:
поиск скрытых утечек , система мониторинга , водопроводная сеть
Скачать статью в виде журнальной верстки PDF
Основной задачей служб, эксплуатирующих водопроводные сети, является повышение качества и надежности водоснабжения потребителей. Для достижения поставленной цели необходимо снизить количество повреждений на водопроводной сети города, уменьшить затраты на ремонтные работы.
Статистика количества аварий на водопроводной сети г. Москвы указывает на постепенное, устойчивое их снижение, что обусловлено увеличением объема работ по перекладке трубопроводов, их реновации, применением новых, современных труб со значительно большим сроком эксплуатации и т. д. Число повреждений соединений труб в камерах и колодцах снизилось за 7 лет более чем в 2 раза. Сокращается и количество повреждений, ликвидация которых производится с помощью раскопок. Повышается надежность сетей. В связи с этим возрастает роль диагностики и профилактики водопроводной сети, осуществляемых Центром технической диагностики (ЦТД) «Мосводоканал». Одним из методов диагностики, направленной на раннее выявление аварийного участка, является мониторинг водопроводной сети.
Целью комплекса работ, проводимых ЦТД «Мосводоканал» с помощью систем мониторинга SebaLog и Zonescan, является обнаружение скрытых утечек, т. е. потерь воды, не проявляющихся изливом на поверхность или подтоплением подземных коммуникаций и сооружений. Трудность нахождения утечек обусловливает значительные потери воды. Так, по данным МГУП «Мосводоканал», величина скрытых утечек в Москве не превышает 5%, однако в абсолютном выражении при водопотреблении 4,5 млн. м3/сут она достигает 225 тыс. м3/сут.
К вероятным источникам скрытых утечек можно отнести участки водопроводной сети с высокой степенью аварийности или расположенные на набережных, рядом с системой ливневой канализации, в грунтах с повышенной водопроницаемостью, т. е. в местах, где вода из поврежденного трубопровода не выходит на поверхность.
Проведение мониторинга актуально при поиске скрытой утечки, когда потребление воды резко сокращается по неясным причинам, а также при наличии признаков утечки – подтопления приямков ЦТП, подвалов зданий грунтовыми водами, канализационными водами, водой из сети горячего водоснабжения, как подтверждение отсутствия потерь воды в водопроводе.
В настоящее время существует множество различных методов поиска утечек.
Гидравлические методы:
визуальный контроль уровня воды в гидрантах при закрытии участка сети;
анализ потерь воды (обнаружение и определение величины утечки на наружной сети города и внутренних сетях зданий) с помощью лаборатории фирмы «Себа динатроник».
Акустические методы:
акустический;
корреляционно-акустический;
обнаружение утечки с помощью проталкиваемого микрофона СОК А-10;
применение регистраторов шумов утечки (системы мониторинга водопроводной сети).
Прочие методы:
обнаружение места повреждения трубопровода с помощью приборов телевизионной диагностики – робототехнических комплексов или промышленных эндоскопов (при снятии давления воды);
обследование водопроводных сетей на предмет утечек с применением газа – индикатора (гелия, смеси водорода и азота).
Гидравлические методы определения утечки основаны на изменении гидравлических характеристик (уровня воды, давления в трубопроводе) при спуске (подаче) воды в трубопровод. Визуальный контроль воды в гидрантах проводится после прекращения подачи воды в участок сети: при наличии утечки уровень воды в гидранте падает, при отсутствии – остается прежним. Анализ потерь воды с помощью лаборатории фирмы «Себа динатроник» осуществляется путем подачи воды под напором в отключенный участок трубопровода. Существенным недостатком в данном случае является необходимость отключения участков сети, что делает эти методы неоперативными и трудоемкими. В частности, при пропусках арматуры требуется установка рассечек на трубопроводах.
В настоящее время специалисты ЦТД «Мосводоканал» осуществляют поиск утечек преимущественно более точными акустическими методами, позволяющими установить не только факт наличия, но и место утечки. Суть метода – локализация наибольшей интенсивности акустического «шума», появляющегося при резком изменении давления жидкости в месте повреждения трубопровода: чем больше разница давлений внутри трубопровода и вне его, тем больше интенсивность звуковых колебаний. Акустический метод подразделяется на слуховой (акустический) и корреляционный способы.
При акустическом способе на поверхности земли определяется место наибольшей величины колебаний, связанных с утечкой. Колебания грунта преобразуются датчиками сейсмического типа в электрический ток, который затем усиливается, фильтруется от посторонних шумов. Его величина отображается на дисплее. Усиленный сигнал преобразуется в звуковые колебания в
головных наушниках.
При корреляционном способе с обеих сторон поврежденного трубопровода с помощью магнитов устанавливаются два датчика сейсмического типа. Колебания стенок трубы преобразуются в электрический ток, усиливаются, фильтруются от промышленных помех и излучаются передающими устройствами, процессор вычисляет расстояние от датчика до места повреждения.
При акустическом способе необходимо точно знать местоположение трубопровода, а прибор должен обладать максимальной чувствительностью к колебаниям грунта. При корреляционном способе должна быть известна длина участка трубопровода, диаметр, материал стенок трубы, прибор должен обладать максимальной чувствительностью и помехозащищенностью к внешним шумам. Таким образом, основным недостатком акустического метода является обнаружение всех шумов, а отличить шум утечки от постороннего шума иногда бывает сложно. Более точный, быстрый и эффективный корреляционный метод в некоторых случаях (полиэтиленовые трубы, резиновые уплотнения раструбов труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом) не фиксирует повреждения. И, наконец, при небольшом уровне утечек или на участках трубопроводов большой протяженности величина уровня шума может быть меньше порога чувствительности и акустического, и корреляционного приборов.
Для поиска скрытых утечек на трубопроводах из разных материалов при неудовлетворительных акустических условиях и при малых утечках в ЦТД «Мосводоканал» в последнее время применяется комплект СОК А-10. В его состав входят: стекловолоконный локационный кабель, на конце которого находятся пьезомикрофон и труба-шлюз с резьбой. Пьезомикрофон проталкивается в трубу, находящуюся под давлением, через шлюз до тех пор, пока шум утечки не будет максимальным, при этом микрофон будет находиться непосредственно в месте утечки. Для усиления сигнала микрофона к прибору СОК А-10 через специальное переходное устройство подключается течеискатель НL 400 или НL 4000. Специальное переходное устройство используется также для подачи сигнала на излучатель, размещенный в одном корпусе с пьезомикрофоном. Местоположение излучателя, а следовательно, и место утечки, определяется с поверхности земли любым трассоискателем, настроенным на частоту излучателя, или менее точно – по длине вошедшего через шлюз стекловолоконного кабеля.
Применение данного устройства усложняется тем, что необходимо иметь набор фасонных частей – заглушек для различных диаметров задвижек с приваренным к ним переходом для присоединения трубы-шлюза или приваривать на месте производства работ штуцеры под трубу-шлюз. Диаметр обследуемого трубопровода при этом должен быть не более 300–400 мм. При большем диаметре происходит закручивание стекловолоконного кабеля внутри трубопровода по винтовой линии, что препятствует проталкиванию микрофона к месту утечки. Поскольку в данном случае микрофон находится непосредственно в воде под давлением, шумы окружающей среды при этом не регистрируются, и данный метод в отличие от других позволяет обнаружить даже малые утечки.
Обнаружение наличия и места повреждения трубопровода с помощью приборов телевизионной диагностики. Наиболее трудно определить место повреждения в трубах из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при малых утечках (из-за неплотности в раструбах, свищевых повреждений) или при значительном изливе (через разгерметизированный раструб или поврежденную стенку трубопровода). В этих случаях корреляционные и акустические течеискатели не эффективны. В МГУП «Мосводоканал» для поиска утечек с успехом используются малогабаритные телевизионные диагностические комплексы. Методика выполнения работ следующая. При малой величине утечки участок поврежденного трубопровода ставится под давление на 1–2 часа. После снятия давления и опорожнения трубопровода обеспечивается допуск телевизионного комплекса внутрь трубопровода через подставу пожарного гидранта или через лаз. Место повреждения определяется по обратной инфильтрации воды внутрь трубопровода. К недостаткам данного метода можно отнести эффективное определение места повреждения в 30% случаев и необходимость хлорирования участка трубопровода после выполнения работ.
Универсального метода поиска утечки, позволяющего определить любые потери воды на трубопроводе из различных материалов, не существует, поэтому для точного и быстрого определения места утечки необходимо комплексное использование нескольких методов. Именно такой подход при оперативной работе по поиску открытой утечки осуществляется в ЦТД «Мосводоканал». Комплект оборудования по поиску мест повреждений, смонтированный на автомобилях «Газель», включает: корреляционный и акустический течеискатели, трассоискатель, металлоискатель.
Все перечисленные методы позволяют находить и скрытую утечку, однако наиболее точным, эффективным, позволяющим определить потери воды на широком участке сети без его отключения, является мониторинг сети с помощью систем SebaLog и Zonescan. Принцип работы этих систем основан на постоянном сборе информации об утечках в трубопроводах с помощью акустических датчиков-регистраторов (логгеров). При утечке вытекающая вода создает шумы, которые фиксируются логгерами. Шум утечки постоянен, однако днем из-за высокого уровня помех (интенсивное уличное движение, высокое потребление воды и т. д.) прослушивание не производится. Акустические датчики-регистраторы программируются таким образом, чтобы шумы утечек записывались ночью (например, с 2:00 до 4:00).
Единая сеть трубопровода разбивается на зоны, где будут устанавливаться регистраторы. На каждый километр сети необходимо определенное количество регистраторов, которое выбирается в зависимости от напора, материала трубы и ее диаметра, наличия ответвлений и отводов (рис. 1).
Влияние посторонних шумов на точность измерений. Чем выше уровень посторонних постоянных шумов (например, поблизости находятся вокзал, насосные станции и т. д.), тем большее количество регистраторов устанавливается на исследуемый участок трубопровода. Измерения при долговременных посторонних шумах возможны, так как между этими помехами есть короткие бесшумные паузы, а регистратор записывает самое минимальное значение уровня и частоты шума за определенное время. При этом влияние посторонних помех на измерение полностью исключается. По значению записанной частоты можно судить о характере шума: от работы насосов в ЦТП (низкая частота) или от утечки (высокая частота – более 400 Гц).
Программное обеспечение устанавливается на компьютере, а затем переносится на блок управления. После этого программируются датчики-регистраторы (время измерения, время передачи радиосигнала, количество измерений и промежутки между ними). Программирование может осуществляться непосредственно через блок управления как на длительную работу (без потерь записанных данных до 80 ночей), так и на небольшой промежуток (в течение одной ночи).
Для эксплуатации системы необходимы блок управления и компьютер. Коммуникация происходит всегда по цифровой радиосвязи между регистраторами и блоком управления. Эта система обладает дуплексным радиопередатчиком и позволяет программировать датчики (установка измерительных параметров, синхронизация времени и т. д.) и считывать информацию с регистраторов.
Данные датчиков об измерениях считываются с помощью блока управления. К пользователю по запросу передаются все данные о том, определил регистратор утечку или нет. Эти данные сохраняются в принимающем устройстве и могут быть впоследствии записаны и выведены на компьютер (рис. 2).
В реальном режиме работы измерения уровня сигнала производятся в данный момент. Устанавливается порог, при превышении которого сигнал будет идентифицирован как утечка (рис. 3). Режим патрулирования в действительности и является режимом запроса установленных регистраторов. Запрос – это список со всеми регистраторами, с которыми установилась связь.
При выводе на экран логгер-листа (рис. 4) в верхней его части показан график изменения уровня шума утечки во времени, а в нижней части – изменение частоты шума. Возле уровня справа размещена шкала от 0 до 100%, слева – единичное измерение. Нижняя часть графика отображает частоту шума утечки 0–2500 Гц, слева – единичное измерение. В конце работы производится статистическая обработка данных измерений.
Системы SebaLog и Zonescan используются в ЦТД с 2006 г. За два года работы с помощью этих систем было обследовано 120 км водопроводной сети города, обнаружено три скрытых утечки. Кроме того, эти системы использовались и для подтверждения отсутствия скрытой утечки на участках водопроводной сети (при наличии признаков утечки – подтопления приямков ЦТП, подвалов зданий грунтовыми водами, канализационными водами, водой из сети горячего водоснабжения).
Работы выполняются специалистами участка гидравлических измерений цеха диагностики водопроводной сети ЦТД. Звено в составе трех человек на автомобиле, оснащенном мотопомпой и электровентилятором, объезжает зону обследования сети, снимает показания логгеров, устанавливает или переставляет логгеры в колодцы. Записанные в приемное устройство результаты переносятся в компьютер и анализируются. Таким образом, в банке данных накапливаются сведения о наличии или отсутствии утечек на обследуемых участках сети, а также об уровне шума и его частотной характеристике. Небольшое количество логгеров (60 шт.) и напряженный план обследования сети (на 2010 г. – 160 км) не позволяют прослушивать участок сети в течение длительного времени, поэтому логгеры перестанавливаются из колодца в колодец. При этом один участок прослушивается не менее трех ночей. При обнаружении шума, вызывающего подозрение на утечку, прослушивание этого участка повторяется еще раз.
При получении результатов, указывающих на наличие утечки, после двух этапов прослушивания на место производства работ выезжает специалист по поиску повреждений трубопроводов. С помощью корреляционных и акустических течеискателей он фиксирует факт и место утечки. После проведения этих работ инженер участка гидравлических измерений оформляет заявку на скрытую утечку в Единой приемной МГУП «Мосводоканал».
Согласно Программе развития ЦТД «Мосводоканал» на 2006–2010 годы, к 2010 г. план по поиску скрытых утечек должен вырасти в 4 раза (2006 г. – 40 км, 2010 г. – 160 км). Учитывая, что протяженность водопроводной сети Москвы составляет ~ 11 тыс. км, охват сетей системами мониторинга скрытых утечек незначителен (в 2006 г. – 23, в 2007 г. – 53, в 2009 г. – 60). Поскольку эффективность данного метода максимальна только в случае постоянного прослушивания участков сети (т. е. при возможности периодического сравнения через определенные периоды времени уровня шума и частотной характеристики трубопровода), предполагается приобрести еще 20 датчиков-регистраторов.
Выводы
В настоящее время для обнаружения скрытых утечек воды используются современные, перспективные системы мониторинга водопроводной сети, которые позволяют обнаружить аварию на ранней стадии. При этом с экономической точки зрения уменьшаются затраты на восстановление аварийного участка трубопровода, персонал освобождается от ночной смены. С технической точки зрения этот метод более надежен, чем другие, так как позволяет охватывать широкую зону водопроводной сети и обнаруживать утечки на трубах из разных материалов.
