徐鵬魁

(攀鋼集團礦業(yè)有限公司白馬選礦廠，四川攀枝花617000)

淺析長距離越野礦漿管道的泄漏檢測定位系統(tǒng)

徐鵬魁

(攀鋼集團礦業(yè)有限公司白馬選礦廠，四川攀枝花617000)

為實現(xiàn)對長距離越野礦漿輸送管道的泄漏進行檢測并定位，闡述了國內外礦漿輸送管道泄漏檢測定位方法及其應用現(xiàn)狀，重點研究了負壓波泄漏檢測與定位算法在實際中的應用。尤其對負壓波定位公式中需要的首站、壓力監(jiān)測站及尾站壓力拐點的時間差，即各站壓力下降的拐點尋找進行了比較深入的研究與分析。在此基礎上設計了一套基于SCADA系統(tǒng)的泄漏檢測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體組成結構、各部分功能及數(shù)據(jù)處理原理。

礦漿管道;泄漏檢測;負壓波;定位系統(tǒng)

0 引言

長距離越野礦漿輸送管道泄漏檢測技術是當今礦山、冶金領域科研工作者研究的熱門課題。由于長距離越野礦漿輸送管道運行壓力較大(一般15～30 MPa較為常見)，管道越野穿越區(qū)域地理環(huán)境復雜，而腐蝕、地質災害及人為等因素極易引起管道泄漏事故的發(fā)生，管道一旦泄漏，將會給礦漿輸送管道安全運行帶來很大隱患。因此，有必要研制出一種快速、有效、實用的管道泄漏檢測系統(tǒng)，以克服傳統(tǒng)的人工管道巡檢存在的各種弊端;防止由于礦漿管道泄漏造成的人員傷亡及設備事故;避免環(huán)境污染，保護管道穿越區(qū)域的生態(tài)平衡。這就要求礦漿輸送管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾個基本特性[1]:泄漏監(jiān)測的靈敏性、實時性、定位的準確性。

隨著管道泄漏檢測技術的不斷發(fā)展，近年來，泄漏檢測方法從簡單的人工分段沿著管線巡視到較為復雜的人工智能監(jiān)測方法，以解決管道泄漏的及時報警及準確定位。通常用于泄漏檢測的方法可分為直接檢測法和間接檢測法。直接檢測法就是根據(jù)泄漏的介質進行檢測，如根據(jù)礦漿泄漏時所露出的地表痕跡等進行檢測;間接檢測法就是根據(jù)泄漏引起的管道壓力、流量等輸送條件的變化進行檢測。國內外主要應用的間接泄漏檢測方法有壓力分布法、壓力點法(PPA)、負壓波法、聲波法等 。對于這些檢測方法，都各有優(yōu)缺點。該文主要介紹負壓波法在長距離越野礦漿輸送管道泄漏檢測系統(tǒng)中的應用。

1 泄漏檢測定位方法原理

該文以負壓波法為理論基礎[2]，該方法是基于信號處理的方法，不需要建立管線的過程數(shù)學模型，利用信號模型，采用相關函數(shù)、頻譜分析等方法，直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等模型特征，從而檢測故障發(fā)生并定位。由于我國多數(shù)長輸?shù)V漿管線不在中間壓力監(jiān)測站設立流量計，所以目前主要采用壓力信號進行泄漏檢測。

1.1 負壓波法理論分析

負壓波定位技術具有很快的響應速度和較高的定位精度，可迅速檢測出突發(fā)性的泄漏，自動化程度高，且定位原理簡單、適用性較強。但對于比較小的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏效果不明顯。而長距離越野礦漿輸送管道運行壓力較大，其泄漏特點是較小的泄漏持續(xù)時間短，泄漏量會在瞬間增大，屬于突發(fā)性事故，符合負壓波傳輸?shù)奶攸c。其傳播規(guī)律與管道的聲音、水擊波相同，速度取決于管壁的彈性和液體的壓縮性。負壓波泄漏檢測定位原理圖見圖1。

圖1 泄漏檢測原理Fig.1 Leak Detecting Principle

設置在泄漏點兩端的壓力監(jiān)測站或泵站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拾取壓力波信號，并將采集的壓力信號經(jīng)初步處理后可分成兩類:壓力正常數(shù)據(jù)和壓力異常數(shù)據(jù)，并發(fā)送到中控室控制系統(tǒng)進行分析處理，根據(jù)壓力波的幅值變化梯度的大小和上下游檢測到的拐點時間差就可確定是否泄漏及泄漏位置。

圖1管道長度為L，泄漏點為C。泄漏點C產(chǎn)生的壓力波突變傳到首站A點的時刻設為tA，傳到壓力監(jiān)測站B點的時刻為tB，當管道的長度和輸送的介質己知，在理想的情況下，忽略介質的粘度、溫度、流動狀態(tài)等因素的影響，設壓力波在油中的傳播速度為v，全程突變波傳播時間為tL，則有:

設t為tA與tB的時間差，t可正可負，則有:

由式(1)、式(3)推導得到:

則泄漏點C與首站A點的距離可由下式求得

1.2 負壓波突變時刻的捕捉算法設計

由于工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、泵站設備的振動等因素的影響，實際采集到的負壓波序列附著大量的噪聲。尤其進站的壓力較低時，噪聲影響更明顯。如何在大量的噪聲中提取有用信號，人們提出了很多方法。如小波變換技術、壓力梯度法、捕捉最大斜率微分算法、自適應濾波法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡方法、極性相關技術、貝葉斯法、中值濾波法及數(shù)理統(tǒng)計法等。該文采用數(shù)理統(tǒng)計法。

定位公式中泄漏點的位置與管長L、壓力波傳播整條管道時間tL及壓力波從泄漏點傳播到相鄰兩站(以首站和壓力監(jiān)測站為例)的時間差t有關。其中管長L可事先測定。在介質狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，可忽略介質的粘度、溫度、流速對壓力波向相鄰兩站兩個方向傳播速度的影響。所以tL可事先進行測量，在定位算法中可直接作為常量，也可根據(jù)介質狀態(tài)情況進行實時測定。因此定位公式中時間差t就成為一個關鍵參數(shù)。那么如何捕捉相鄰兩個站點的壓力突變時刻就變得異常關鍵了。解決該問題的辦法是:對首站、壓力監(jiān)測站及尾站的SCADA系統(tǒng)定期進行校時，即時間基準要一致。在時間基準一致的前提下，求兩站點的壓力突變時刻。相鄰兩站壓力下降曲線與壓力突變時刻見圖2。

圖2 管道壓力P下降曲線Fig.2 Curve of Pipeline Pressure Drop

對壓力波突變的捕捉算法由SCADA系統(tǒng)完成。該文采用了時間值直接逆推法。時間值直接逆推方法的基本思想為:在管道沒有泄漏情況發(fā)生，也沒有切換閥門或者調整主泵出口壓力的情況下，管道壓力總會以某一數(shù)值為中間值上下波動，定義此值為基準值PRef，上下波動的范圍稱之為△1，只要壓力波動不超過這個閾值范圍，即︱P—PRef︱≤△1，即認為壓力趨于穩(wěn)定。

一旦泄漏發(fā)生，在泄漏點將產(chǎn)生一個瞬時負壓波，而且該負壓波以很快的速度向管道兩端傳播。SCADA系統(tǒng)將能捕捉到該負壓波信號，具體體現(xiàn)為管道壓力呈現(xiàn)下降的趨勢見圖2。

從首站中心控制室監(jiān)測的角度來看，如果在一定的時間范圍內，管道的壓力監(jiān)測站和首站先后都檢測到壓力向下波動的幅度有超過閾值△2的趨勢，即︱P—PRef︱≥△2，則初步認為發(fā)生了泄漏。

獲得壓力下降到關鍵點(壓力下降點2)時刻的時間，己知采樣間隔及基準值，首站、壓力檢測站和尾站各自從捕捉到的壓力突變時刻2起倒推，直到滿足壓力值P不小于基準值PRef為止，此時上升到突變之前的穩(wěn)態(tài)基準值的第一個壓力值即為要找的壓力突變拐點[4]。該點即為推導出來的實際壓力突變拐點。統(tǒng)計其間的壓力數(shù)據(jù)的個數(shù)，便能推導出:實際壓力突變時刻=捕捉到的壓力時刻－所統(tǒng)計的壓力個數(shù)×采樣間隔(單位精確到ms)。若首、尾兩站分別倒推的實際壓力突變時刻為t和tB，則可求得負壓波傳播到管道首末兩端的時間差t，將所得的時間差帶入定位公式(5)，便能對泄漏點進行定位。

2 長距離越野礦漿輸送管道泄漏檢測系統(tǒng)的組成及原理

2.1 系統(tǒng)總體組成結構

圖3 系統(tǒng)組成結構Fig.3 System Assembly Structure

系統(tǒng)的總體結構框圖見圖3。系統(tǒng)總體結構由泄漏檢測定位上位終端和SCADA系統(tǒng)兩部分組成。SCADA系統(tǒng)由首、尾站HMI，首、尾站和壓力檢測站PLC控制系統(tǒng)以及安裝在管道上的壓力變送器等現(xiàn)場儀表組成。當管線上的某點發(fā)生泄漏時，其壓力信號會隨之產(chǎn)生相應的變化，泄漏檢測定位上位終端上的監(jiān)測軟件對采集上來的壓力信號以曲線的形式進行實時顯示，并根據(jù)礦漿輸送管道首、尾站和壓力監(jiān)測站的壓力采集信號，以負壓波方法為理論基礎，對礦漿輸送管道中所出現(xiàn)的泄漏及時進行判斷，并確定泄漏點位置。

2.2 SCADA系統(tǒng)的功能

SCADA系統(tǒng)采用基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核，基于工控機的HMI為人機操作界面。各PLC控制系統(tǒng)與人機操作界面和泄漏檢測定位上位終端之間的數(shù)據(jù)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。

安裝于礦漿輸送管道的壓力變送器將實時采集到的管道壓力以4～20 mA信號的方式傳送至各個站點的PLC控制系統(tǒng)，通過PLC將數(shù)據(jù)分為壓力正常數(shù)據(jù)和壓力異常數(shù)據(jù)以進行泄漏初步判斷，同時實現(xiàn)對主要設備的連鎖和許可等邏輯控制，PLC控制系統(tǒng)與HMI及泄漏檢測定位上位終端通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，以保證泄漏檢測定位上位終端可實時采集到礦漿管道的連續(xù)壓力值。

2.3 泄漏檢測定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理原理

泄漏檢測定位系統(tǒng)上位機與SCADA系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信建立成功以后，開始周期掃描采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程見圖4。該周期首先從計算出壓力基準值PRef開始，壓力基準值PRef的大小由首站主泵的運行轉速、輸送介質(介質為水和礦漿時均有所差異)、尾站閥門站閥門的使用狀態(tài)等因素有關，因此需要根據(jù)不同工況條件計算出不同工況條件下對應的壓力基準值PRef。再采用統(tǒng)計判別和手動設定閾值相結合的方式求出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需要△1和△2。

如果管道沒有發(fā)生泄漏，也沒有對主泵啟停操作、閥門切換等因素存在的情況下，壓力值會以某一數(shù)值為中心上下波動，在一定范圍內變化。當數(shù)據(jù)向上或向下波動并大于該范圍時，則認為可能有主泵調速或其它因素發(fā)生，導致了壓力值總體上調或下調。SCADA系統(tǒng)將根據(jù)其它工藝參數(shù)判斷是否工況變化，進而重新確定該工況下對應的壓力基準值PRef。如果數(shù)據(jù)有下降的趨勢，需判斷是否下降到P2，即是否︱P－PRef︱≥△2。如果是，則基本判斷為管道發(fā)生泄漏，系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)，進而計算泄漏點的位置;如果數(shù)據(jù)雖有下降，但是下降的量不到P2，則數(shù)據(jù)屬于正常波動。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data Treatment Technological Process

2.4 泄漏檢測定位系統(tǒng)上位機的功能

主要用來實現(xiàn)整個管道輸送系統(tǒng)的運行監(jiān)控，用戶通過它對管道線路上各個壓力變送器上傳上來的壓力數(shù)據(jù)，進行實時顯示，同時通過對壓力數(shù)據(jù)的實時計算與分析，監(jiān)控礦漿輸送管道是否發(fā)生泄漏，一旦檢測到發(fā)生泄漏，立即報警，并指示出發(fā)生泄漏的時間與地點。

3 結語

在管道泄漏眾多的檢測方法中，基于負壓波管道泄漏檢測方法只需對管道兩端的壓力信號進行檢測，不需構建數(shù)學模型，具有實現(xiàn)簡單、檢測精度高等特點。但它要求泄漏是快速的、突發(fā)性的。如果管道泄漏的速度很慢、沒有明顯的負壓波出現(xiàn)，

則此方法失效。而長距離越野礦漿管道輸送系統(tǒng)恰恰具有運行壓力高，管道泄漏速度快，有明顯負壓波出現(xiàn)的特點。所以非常適合采用基于負壓波理論的泄漏檢測及定位系統(tǒng)。

[1]坤.自來水管道泄漏相關檢測定位系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學報，2006，25(4):241－244.

[2]喻彬，孫士平.基于相關檢測的漏點定位系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術，2006，25(10):27－29.

[3]吳曉琴.相關分析在泄漏檢測技術中的應用[J].儀器儀表用戶，2004(2):32－33.

[4]徐潔.管道相關檢測儀性能優(yōu)化方法的研究[J].管道技術與設備，2003(6):37－38.

[5]韓建.相關分析法在輸油管道泄漏檢測和定位中的應用研究[J].核電子學與探測技術，2007(1):154－156.

Analysis on Positioning System of Slurry Pipeline Leak Detection for Long Distance Transportation

XU Peng－kui
(Baima Concentrating Plant of Pangang Group Mining Co.Ltd，Panzhihua，Sichuan 617000，China)

For sake of detecting on pipeline leak for long－distance slurry transportation and positioning，the leak detecting and locating methods for slurry pipeline at home and abroad and its application situation were briefly analyzed.Research highlight on practical application of negative pressure wave leak detection and positioning algorithm was given.Especially in－deep investigation and analysis on time difference of pressure inflection point at first station，pressure monitoring station and end station required in negative pressure wave positioning formula，that is inflection point finding of pressure drop at each station，were carried out.On that basis，one set of leak detection system based on SCADA system was designed.Main assembly structure of the system，function of all parts and data treatment principle were provided.

slurry pipeline;leak detection;negative pressure wave;positioning system

TD679

A

1004－2660(2012)01－0051－04

2012－02－05.

徐鵬魁(1983－)，男，陜西人，助理工程師.主要研究方向:工業(yè)自動控制.