張 濱，曹江濤，張 一

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

管道輸送技術(shù)在石油、天然氣等流體中有著廣泛的應(yīng)用。但是近今年來由于人為破壞、管道腐蝕等原因，管道泄漏事故經(jīng)常發(fā)生，造成了巨大損失和環(huán)境污染。另外，長輸管道距離長，沿途環(huán)境比較惡劣，決定了檢測方式多為人工定期巡檢，限制了泄漏檢測與定位的實時性與準(zhǔn)確性。因此輸油管道泄漏檢測的研究與應(yīng)用成為亟待解決的問題。

通常用于泄漏檢測的方法可分為直接和間接檢測法。直接檢測法多為人工巡檢。間接檢測方法有物質(zhì)平衡法、壓力梯度法、負(fù)壓波法等，這些方法各有其優(yōu)缺點[1]。

文中簡單介紹了幾種泄漏檢測的方法，重點介紹了負(fù)壓波法在輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用及其定位算法。并對負(fù)壓波定位方法中的關(guān)鍵參數(shù)，即首、末兩端壓力傳感器接收到壓降信號的時間差，利用小波變換法進(jìn)行了深入的研究與分析，并在Matlab上進(jìn)行了相應(yīng)的模擬仿真，結(jié)果表明該方法切實可行、定位準(zhǔn)確，達(dá)到了對精度的要求。

1 管道泄漏檢測方法概述

1.1 物質(zhì)平衡法

管道質(zhì)量平衡技術(shù)是檢測管道泄漏[2-3]的一種基本方法，它是許多現(xiàn)代管道泄漏檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。該方法主要通過檢測管道進(jìn)出口的體積流量、溫度、壓力等參數(shù)計算出相應(yīng)的質(zhì)量流量或直接檢測管道進(jìn)出口的質(zhì)量流量，并估算出管道內(nèi)剩余液體的質(zhì)量變化量，根據(jù)進(jìn)出管道流體的質(zhì)量差來判斷是否發(fā)生了泄漏。這種方法簡單直觀、易于實現(xiàn)，但不能及時檢測出管道泄漏，也不能實現(xiàn)對泄漏點的定位且誤報警率高。對于單入口、單出口管線，其基本計算公式為：

式中：M0(t)— 管道的泄漏量，kg/s

M1(t)— 管道入口質(zhì)量流量，kg/s

M2(t)— 管道出口質(zhì)量流量，kg/s

Mc(t)— 管道內(nèi)液體隨溫度、壓力等參數(shù)的變化量。

1.2 壓力梯度法

在理想情況下，管線的壓力隨管線長度線性變化，當(dāng)發(fā)生泄漏到再次到達(dá)穩(wěn)定值后，沿管線壓力變化將如圖1所示分布。若用p1和p2計算出上游管段的壓力梯度，用p3和p4計算出下游管段的壓力梯度，二者在泄漏點處具有相同的邊界條件，從而可以計算出泄漏點的位置。壓力梯度法只需要在管道沿線的各個截斷閥處安裝相應(yīng)的壓力檢測裝置，該方法簡單、直觀，不僅可以檢測出泄漏事故的發(fā)生，還可以確定出泄漏點的位置。但因為實際沿線壓力梯度呈非線性分布，以至壓力梯度法的定位精度不高。測量點x1和x2，x3和x4之間距離的大小直接影響檢測的靈敏度，此外，對于長距離輸送管道，由于需要布置較多的壓力傳感器和信號同步傳輸裝置，導(dǎo)致整套檢測系統(tǒng)耗資較大。因此壓力梯度法可以作為一項輔助方法與其他方法一起使用。

圖1 梯度法泄漏定位原理Fig.1 Gradient method of leakage localization principle

1.3 負(fù)壓波法

負(fù)壓波法是應(yīng)用比較廣泛的一種泄漏檢測方法，其基本原理是：當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，在泄漏點處會引起壓力突變，形成一個負(fù)壓波，該波以一定的速度向管道兩端傳播，安裝在上、下游之間的壓力傳感器根據(jù)檢測到的壓力值變化即可判定出是否發(fā)生了泄漏。并根據(jù)兩端傳感器接收到該波的時間差及負(fù)壓波在介質(zhì)中的傳播速度就可以進(jìn)行定位。其定位原理圖如圖2所示。

圖2 負(fù)壓波定位原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of locating principle of negative pressure wave

設(shè)站間管道長度為L(m)，泄漏點距上游壓力傳感器的距離為x(m)，管道傳輸介質(zhì)中負(fù)壓波的傳播速度為v(m/s)，上、下游傳感器接收到負(fù)壓波的時間分別為 t1，t2(s)，上、下游傳感器接收到負(fù)壓波的時間差為△t(s)，則有：

如考慮到管內(nèi)介質(zhì)流速對負(fù)壓波傳播的影響，修正定位公式，引入管內(nèi)流體流速u，則有：

分析以上公式可以看出負(fù)壓波法用于泄漏檢測與定位的關(guān)鍵在于泄漏點處產(chǎn)生的負(fù)壓波到達(dá)上、下游壓力傳感器的時間差△t的獲取。該方法存在以下兩個問題：

1)由于現(xiàn)場存在大量干擾、工況變化等因素，使得壓力傳感器采集到的壓力信號含有大量噪聲，如何從含噪信號中提取有用的負(fù)壓波信號對精確確定壓力突變時刻、提高定位精度具有重要意義；

2)由于現(xiàn)場負(fù)壓波信號突變量較小且含有噪聲，難以精確確定出壓力波形出現(xiàn)拐點的具體位置，而壓力波形突降點的準(zhǔn)確識別決定了泄漏檢測的靈敏度和精度。

對于以上問題，本文擬用小波變換法對管內(nèi)壓力信號進(jìn)行消噪處理，并將信號進(jìn)行多層次、高低頻率的重構(gòu)與分解，進(jìn)而消除噪聲，重構(gòu)出原始信號波形，找出壓力信號波形拐點的位置，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

2 小波變換在泄漏檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 小波變換法簡述

小波變換作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的分支發(fā)展于20世紀(jì)80年代后期，是一種信號的時間—尺度分析，在時頻中具有表征信號局部特征的能力，同時又是一種信號的多分辨率的時間—頻率分析，具有很多優(yōu)良的特性。作為一種新的信號處理技術(shù)小波變換已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

連續(xù)小波變換的時間—尺度特性可以有效地檢測信號的奇異性。信號在其突變點處通常是奇異的，利用小波變換的極值點可以檢測出信號的邊沿。小波變換還可以抑制噪聲波形，在強(qiáng)噪聲背景下還原出信號的原始波形。將小波變換的這一原理用于動態(tài)系統(tǒng)的故障檢測，可以提高故障檢測的靈敏度和克服噪聲能力[5]。

2.2 輸油管道泄漏點的定位仿真

通過應(yīng)用小波對壓力信號波形的突變點進(jìn)行檢測，根據(jù)管道兩端壓力傳感器采集到的壓力信號進(jìn)行定位仿真[6]。圖3為某原油管道發(fā)生泄漏時首端壓力傳感器所采集的壓力信號，采樣頻率為。

圖3 管道泄漏事故壓力信號Fig.3 Pressure signal of pipeline leakage accident

如圖3所示，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，壓力信號由于受到現(xiàn)場的各種干擾，使其完全淹沒在噪聲之中，很難看出壓力信號波形的原始走勢，更難以確定信號出現(xiàn)拐點的具體位置，進(jìn)而確定不出壓力信號波形突降的時刻，無法進(jìn)行定位。

采用Matlab編程，利用小波分析的方法對壓力信號進(jìn)行消噪、重構(gòu)以及細(xì)節(jié)信息的還原來確定拐點的具體位置。在小波變換函數(shù)中，有許多具有不同類型、性質(zhì)的小波族，應(yīng)用不同的小波族處理同一數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生不同的結(jié)果，相應(yīng)的也會對定位的精度產(chǎn)生一些影響，故選用哪一種小波基也是需要考慮的因素[7]。以下仿真采用的是daubechies小波，簡稱db；首先采用db5小波對壓力信號波形進(jìn)行低頻段5個層次的重構(gòu)，如圖4。

圖4 低頻重構(gòu)信號Fig.4 Signal reconstruction of low frequency

a1～a5為壓力信號波形在低頻段5個層次的重構(gòu)，可以看出信號在分解到第5層，即a5已經(jīng)較為明顯的還原出了壓力信號波形的原始走勢，并在第3 000 ms采樣點左右出現(xiàn)了壓降，意味著管道發(fā)生泄漏。但低頻段重構(gòu)出的近似信號很容易丟失信號原有的細(xì)節(jié)信息，因此還需對信號進(jìn)行高頻段的重構(gòu)來更加精確的提取出信號的細(xì)節(jié)信息。下面同樣采用db5小波對壓力信號波形進(jìn)行7個層次的高頻分解，如圖 5。

圖5 高頻重構(gòu)信號Fig.5 Signal reconstruction of high frequency

圖5 中d1～d7反映了信號在高頻段的細(xì)節(jié)特征，當(dāng)壓力信號波形被分解到第7層，即d7時，可以明顯看出信號在第3 200 ms采樣處發(fā)生了尖峰突變，再結(jié)合圖4中a1～a5的低頻重構(gòu)信號，確定出壓力信號在第3 200 ms采樣點處產(chǎn)生壓降，即管道發(fā)生泄漏。后將第3 200 ms采樣點處所對應(yīng)的具體時間記為t1，即可得到首端壓力傳感器接收到泄漏信息的具體時間，同理根據(jù)末端壓力傳感器的壓力信號波形分析計算出t2，即可得到時間差△t，再代入到負(fù)壓波法的定位公式中，計算出泄漏點的具體位置，實現(xiàn)對漏點的定位。

3 結(jié)論

本文將負(fù)壓波檢測法與小波變換法相結(jié)合，采用多頻段的小波分解與重構(gòu)來捕捉壓力信號波形的具體特征。實驗證明，基于此法的輸油管道泄漏檢測定位系統(tǒng)簡易可行，極大的提高了信號的可檢測性及精度。

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