張智

（中石油管道濟(jì)南輸油分公司，濟(jì)南250014）

隨著國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，清潔高效的天然氣在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例逐年加大，而天然氣的管道輸送是實(shí)現(xiàn)天然氣有效利用的最佳途徑。為此，國(guó)內(nèi)近些年先后建設(shè)了西氣東輸、川氣東送等大型管線。由于這些管線的跨越距離很長(zhǎng)，沿途所經(jīng)過(guò)的地形多變，相當(dāng)大的一部分地區(qū)很難實(shí)現(xiàn)人工巡檢。同時(shí)由于管線的腐蝕、老化及其他自然或人為損壞等原因，管線泄漏時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家的財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，還會(huì)污染環(huán)境。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)管道的泄漏位置成為各油田及輸氣公司的重要工作內(nèi)容之一。管道泄漏的檢測(cè)方法主要有［1］：

a）基于模型的泄漏檢測(cè)法。該方法需要建立復(fù)雜的管道運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，模型建立的準(zhǔn)確程度將極大地影響泄漏檢測(cè)和定位的精度。

b）基于信號(hào)的泄漏檢測(cè)法?；谛盘?hào)的檢漏方法是建立在目前管道均采用SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由于SCADA系統(tǒng)可準(zhǔn)確地采集管道沿線的運(yùn)行參數(shù)，該方法具有極高的精度和良好的發(fā)展前景。筆者所介紹的負(fù)壓波檢漏技術(shù)正是一種基于SCADA系統(tǒng)信號(hào)的泄漏檢測(cè)法。

c）基于知識(shí)的泄漏檢測(cè)法。該方法還處于探索階段，很多檢測(cè)的機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

1 負(fù)壓波檢漏技術(shù)的基本原理

如果管道的某個(gè)位置發(fā)生了氣體泄漏，便會(huì)在管道內(nèi)外形成一定的壓差，管道內(nèi)部流體會(huì)迅速流出，在泄漏點(diǎn)位置引起壓力突降。泄漏點(diǎn)周?chē)臍怏w在壓差的作用下會(huì)向泄漏點(diǎn)流動(dòng)，形成一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波動(dòng)，即負(fù)壓波。負(fù)壓波以一定的速度向泄漏點(diǎn)的兩端傳播，利用安裝在管道兩端的壓力傳感器可以檢測(cè)到壓力波動(dòng)的信號(hào)，并根據(jù)兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間差就可以找到泄漏點(diǎn)的位置，基本原理如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波檢測(cè)原理

假定ta，tb為負(fù)壓波傳播到上下游傳感器的時(shí)間，v1為負(fù)壓波在氣體中的傳播速度，Δt為首末端傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間差，Δt＝ta－tb，那么泄漏點(diǎn)的定位公式可表達(dá)為

由式（1）可以看出，要準(zhǔn)確地找到泄漏點(diǎn)，關(guān)鍵在于確定負(fù)壓波到達(dá)傳感器兩端的時(shí)間和對(duì)負(fù)壓波傳播時(shí)間的精確計(jì)算。

2 負(fù)壓波檢漏技術(shù)存在的主要問(wèn)題

a）負(fù)壓波檢漏技術(shù)通常將負(fù)壓波在輸氣管道中的傳播速度確定為一個(gè)定值，即認(rèn)為負(fù)壓波在輸氣管道中的傳播速度一般為聲波在輸送氣體介質(zhì)中的傳播速度。而在實(shí)際運(yùn)行的管線中，該傳播速度與氣體介質(zhì)的密度、壓力、比熱和管道的材質(zhì)及傳輸介質(zhì)的流速等有關(guān)，不是定值。因此，利用式（1）進(jìn)行定位必然會(huì)帶來(lái)較大的定位誤差。

b）管線運(yùn)行的環(huán)境中不可避免地存在一些干擾，如電磁干擾、泵的振動(dòng)、工況變化等因素。因此，由傳感器采集到的壓力信號(hào)附有大量的噪聲，這使得精確識(shí)別壓力突降點(diǎn)變得非常困難。壓力突降點(diǎn)的準(zhǔn)確識(shí)別一方面決定了泄漏檢測(cè)的靈敏度和可靠性，另一方面決定了Δt的精度，從而影響定位精度。因此，要做到對(duì)泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測(cè)與定位，必須解決以上問(wèn)題。

3 負(fù)壓波檢漏技術(shù)的優(yōu)化

a）負(fù)壓波在天然氣管道中的傳播速度，傳統(tǒng)上被認(rèn)為是聲波在介質(zhì)中的傳播速度，它是一個(gè)定值。實(shí)際中由于系統(tǒng)狀態(tài)、工況等隨時(shí)在發(fā)生變化，負(fù)壓波的傳播速度絕非一成不變。因此，采用此值進(jìn)行定位必然會(huì)帶來(lái)較大的定位誤差。根據(jù)能量守恒原理，負(fù)壓波傳播速度可表示為［2］

式中，v——負(fù)壓波波速，m／s；αp——?dú)怏w壓縮系數(shù)，Pa－1；ρ——?dú)怏w密度，kg／m3；D——管道內(nèi)徑，m；E——管道彈性模量，Pa；e——管壁厚度，m。對(duì)于E很大或e很大的剛性管壁，D／（Eαp·e）一般為10－3甚至更小的數(shù)量級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中，天然氣傳輸管道恰好具有此特性，故在滿足精度要求情況下式（2）又可適當(dāng)簡(jiǎn)化為：

由此可見(jiàn)，壓力波的傳播速度主要與流體密度和壓縮系數(shù)相關(guān)。眾所周知，氣體密度受壓力和溫度影響很大，而氣體的壓縮系數(shù)也與這兩個(gè)物理量有很大關(guān)系。隨著輸氣工藝的發(fā)展，天然氣的管道輸送正朝著大口徑、高壓力的方向發(fā)展；加之傳輸管道距離長(zhǎng)，溫度變化也不可忽略。因此，壓力波速的研究必須考慮壓力、溫度對(duì)流體密度和壓縮系數(shù)的影響。

b）定位公式的修正?？紤]管內(nèi)氣體流速對(duì)壓力波速的影響，上游實(shí)際接收到的壓力波傳播速度為v－u，下游為v＋u，故：

式中：u——?dú)怏w流速，m／s，計(jì)算時(shí)可采用氣體的平均流速。由式（1）得修正后的定位公式為

由于系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和處理，故式（6）又可寫(xiě)為

式中：ts——采樣時(shí)間，s；Δd——奇異點(diǎn)的位置差，m。

4 噪聲消除及壓力突降點(diǎn)的捕捉

4.1 小波消噪

在實(shí)際泄漏檢測(cè)定位中，必須準(zhǔn)確地獲取到由于管道泄漏所引起的壓力突降特征點(diǎn)，才能精確地確定泄漏點(diǎn)，得出負(fù)壓波傳播到首末端傳感器的時(shí)間差，從而提高負(fù)壓波檢漏技術(shù)的可靠性、靈敏性和精確性。但是由于在管道運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)必然會(huì)存在電磁干擾、泵的振動(dòng)等影響檢測(cè)靈敏性的因素，傳感器獲得的聲信號(hào)就含有大量噪聲。因此，如何在繁復(fù)的聲信號(hào)中準(zhǔn)確地找到標(biāo)識(shí)壓力突降點(diǎn)的信號(hào)是負(fù)壓波檢漏技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。為了很好地解決這個(gè)問(wèn)題，大多數(shù)檢漏采用小波變換技術(shù)，該技術(shù)具有良好的消噪能力和時(shí)頻局域特性，可以很好地對(duì)附加有其他噪聲信號(hào)的負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行消噪處理和奇異點(diǎn)的識(shí)別。在傳感器獲得的信號(hào)中，有用的負(fù)壓波等信號(hào)通常表現(xiàn)為一些變化比較平穩(wěn)的信號(hào)或者低頻信號(hào)，而噪聲信號(hào)則通常表現(xiàn)為高頻信號(hào)。

小波變換技術(shù)的基本消噪原理：可對(duì)傳感器獲取的復(fù)合信號(hào)進(jìn)行逐層的小波分解，將高頻區(qū)域的噪聲信號(hào)逐漸消除，再以門(mén)限閥值等形式對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理，最后對(duì)所得到的信號(hào)記性重構(gòu)，從而得到去除了噪聲的有用信號(hào)。小波變換技術(shù)最關(guān)鍵的一環(huán)就是如何選取閥值和對(duì)閥值進(jìn)行量化處理，得到顯示壓力突降的負(fù)壓波信號(hào)，它直接關(guān)系到信號(hào)處理的質(zhì)量。

小波降噪處理方法：強(qiáng)制降噪處理、默認(rèn)閾值降噪處理及給定軟（或硬）閾值降噪處理。

4.2 壓力突降點(diǎn)的捕捉

小波變換由于在時(shí)域和頻域內(nèi)同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，可聚焦到對(duì)象的任何細(xì)節(jié)，而被稱(chēng)為數(shù)學(xué)分析的“顯微鏡”。利用連續(xù)小波變換的時(shí)間2尺度特性，可以有效地檢測(cè)信號(hào)的奇異性。其原理是引用數(shù)學(xué)上表征函數(shù)局部特征的李氏指數(shù)（Lipschitz指數(shù)）作為一種度量，當(dāng)信號(hào)在奇異點(diǎn)附近的Lips2chitz指數(shù)α＞0時(shí)，其連續(xù)小波變換的模極大值隨尺度增大而增大；當(dāng)α＜0時(shí)，則隨尺度的增大而減小。噪聲對(duì)應(yīng)的Lipschitz指數(shù)遠(yuǎn)小于0，而信號(hào)邊緣對(duì)應(yīng)的Lipschitz指數(shù)大于或等于0，因而利用小波變換可以區(qū)分噪聲和信號(hào)邊緣，有效地檢測(cè)出強(qiáng)噪聲背景下的信號(hào)邊緣。

5 仿真驗(yàn)證

采用上述檢漏優(yōu)化算法對(duì)某輸氣管道的漏點(diǎn)進(jìn)行了仿真計(jì)算，管道數(shù)據(jù)如下：管道全長(zhǎng)L＝170km，管道規(guī)格650mm×8.8mm，首端壓力9MPa，溫度為50℃，末端壓力為5.6MPa，溫度為30℃，假定管道在30.5，100.7，155.2km處發(fā)生泄漏，具體的仿真結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 某輸氣管道檢測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化比較

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，與原始算法相比，優(yōu)化算法明顯地提高了漏點(diǎn)定位的精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了負(fù)壓波法在天然氣輸氣管道泄漏檢測(cè)與定位應(yīng)用中存在的問(wèn)題，分析了在輸氣管道中影響負(fù)壓波傳播速度的因素，修正了定位公式，同時(shí)利用小波技術(shù)對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行了消噪并捕捉了壓力突降點(diǎn)，從而提高了檢測(cè)與定位的精度，仿真實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)方法的有效性。

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