賈宗賢 中原油田生產(chǎn)管理處

基于小波變換的天然氣管道次聲波信號分析

賈宗賢 中原油田生產(chǎn)管理處

在天然氣管道發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外壓強相差較大，噴出的氣流會產(chǎn)生較強的噪聲，引發(fā)周圍介質(zhì)的能量波動。其中的一部分能量通過管道內(nèi)的氣體介質(zhì)沿管道向兩端傳播，經(jīng)長距離的衰減后，只剩下頻率在次聲范圍內(nèi)的成分尚保存較大的能量。次聲傳感器就是專門為獲取管道內(nèi)的這種低頻能量波動而研制的。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時所產(chǎn)生的信號和管道正常工作時的本體信號在次聲頻段內(nèi)存在明顯的頻帶差異或能量差異（又稱奇異性）時，就可以檢測出管道發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的次聲波信號，利用小波變換理論進行定位報警。

天然氣管道；泄漏；次聲波信號；小波變換

1 天然氣泄漏檢測和定位原理

在天然氣管道發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外壓強相差較大，噴出的氣流會產(chǎn)生較強的噪聲，引發(fā)周圍介質(zhì)的能量波動。其中的一部分能量通過管道內(nèi)的氣體介質(zhì)沿管道向兩端傳播，經(jīng)長距離的衰減后，只剩下頻率在次聲范圍內(nèi)的成分尚保存較大的能量。次聲傳感器就是專門為獲取管道內(nèi)的這種低頻能量波動而研制的。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時所產(chǎn)生的信號和管道正常工作時的本體信號在次聲頻段內(nèi)存在明顯的頻帶差異或能量差異（又稱奇異性）時，就可以檢測出管道發(fā)生泄漏時產(chǎn)生的次聲波信號，利用小波變換理論對其進行定位報警。

管道泄漏檢測通常采用如下公式進行泄漏點的定位計算[1]

式中x為泄漏點到管道起始端傳感器的距離；s為管道兩端傳感器之間的管道長度；v為次聲在管道介質(zhì)中傳播的速度；ts為起始端傳感器收到管道泄漏信號的絕對時間；te為終止端傳感器收到管道泄漏信號的絕對時間；Δt為管道兩端傳感器收到管道泄漏信號的時間差。

2 小波變換理論

小波變換技術(shù)是上世紀八十年代發(fā)展起來的新理論，它的作用類似經(jīng)典的傅立葉分析，利用小波基代替了經(jīng)典的正弦波基。與傳統(tǒng)的短時傅立葉變換相比，小波變換既保留了短時傅立葉變換的優(yōu)點，又彌補了其不足，從具有正則性、局部性、振動性的子波函數(shù)出發(fā)，通過平移和伸縮為L2()R空間提供了一類新的正交基。這種具有局部特征與逼近性的小波基被廣泛地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號的分析[2-3]。

小波變換定義為

小波變換的基本思想是用一族函數(shù)去表示或逼近一信號，這一族函數(shù)稱為小波系數(shù)，它是通過一小波母函數(shù)的伸縮和平移產(chǎn)生其“子波”來構(gòu)成的，用其變換系數(shù)即可描述原來的信號。

由于信號在其變化點處通常是奇異的，因此，利用小波變換的時間-尺度特性，可以有效地檢測信號的奇異性。此外，小波變換還可以抑制噪聲，從而檢測出強噪聲背景下的信號奇異點，獲取信號變化的極值和時間等信息。這些信息為天然氣管道泄漏檢測和定位提供了重要的依據(jù)。

3 天然氣管道泄漏次聲波信號分析

在天然氣泄漏檢測實驗中，管道首末端檢測點之間的距離為6.4 km，管道運行壓強為1 MPa，兩端壓強差和溫度差較小。實驗?zāi)康氖窃谝欢四M管道泄漏時，在另一端能夠檢測到泄漏產(chǎn)生的次聲波信號。這樣可以確保管道上任何一點發(fā)生泄漏時，管道兩端的次聲波傳感器都能檢測到泄漏信號，以便實現(xiàn)雙邊定位。

圖1為泄漏點在管道首端檢測點附近時，管道末端的次聲傳感器采集的次聲波信號波形；圖2為泄漏點在管道末端檢測點附近時，管道首端次聲傳感器采集的次聲波信號波形。由圖1（a）和圖2（a）可知，在小波變換前，由于管道內(nèi)的背景干擾噪聲較強，用肉眼極難從原始波形圖中分辨出管道泄漏時產(chǎn)生的次聲波信號。經(jīng)過小波變換后，管道內(nèi)的背景干擾噪聲被大大降低，不僅可以分辨出管道泄漏時產(chǎn)生的次聲波信號，而且，泄漏信號具有較高的信噪比，如圖1（b）和圖2（b）所示。

信號分析結(jié)果表明，經(jīng)過小波變換處理，天然氣管道在泄漏時所產(chǎn)生的次聲波信號的信噪比大大提高，從而可以確保泄漏檢測和定位的準(zhǔn)確性。

圖1 管道首端泄漏，管道末端的次聲波信號波形

圖2 管道末端泄漏，管道首端的次聲波信號波形

4 結(jié)論

在天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)中，檢測點常因維護等方面的原因被設(shè)置在背景噪聲較強的管道環(huán)境中，而管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號在經(jīng)過長距離衰減后很可能淹沒在背景噪聲中。因此，小波變換的抑制噪聲作用在整個檢測過程中非常重要。對于信噪比明顯的信號，可以很容易地獲得其極值點和時間點等信息。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識別算法，可以判別出所檢測的信號是否是管道泄漏所產(chǎn)生的次聲波信號，從而進一步對泄漏點進行定位和報警。

[1]楊理踐，景曉斐，宮照廣．輸氣管道音波泄漏檢測技術(shù)的研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29（1）：70－73．

[2]胡廣書．現(xiàn)代信號處理教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．[3]楊福生．小波變換的工程分析與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，1999．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.006

賈宗賢：高級工程師，1981年畢業(yè)于勝利石油學(xué)校油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)任中原油田生產(chǎn)管理處處長。(0393)4831118、jzx1699@126.com

（欄目主持 楊 軍）