羅 宇，施 劍

(江蘇中海達(dá)海洋信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210032)

中海達(dá)·開(kāi)啟智時(shí)代

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

羅 宇，施 劍

(江蘇中海達(dá)海洋信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210032)

一、引 言

用次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(acoustic leak detection system)對(duì)壓力管道進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)是目前最先進(jìn)、最可靠的泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)。次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高、誤報(bào)率低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。中海達(dá)iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，能準(zhǔn)確迅速發(fā)現(xiàn)泄漏，并確定油氣管道泄漏位置。iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推出和應(yīng)用，必將大大提高管道泄漏監(jiān)測(cè)的性能和質(zhì)量，為管道的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。

二、iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要設(shè)備有：ACU(acoustic controller unit)、泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

1.ACU終端

ACU終端安放在站場(chǎng)或閥室、控制室，主要功能是采集次聲波信號(hào)并傳輸?shù)叫孤┍O(jiān)測(cè)服務(wù)器，能夠通過(guò)管道內(nèi)流體采集聲波信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)GPS授時(shí)完成系統(tǒng)的同步采集，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。ACU會(huì)實(shí)時(shí)顯示站場(chǎng)的次聲波信號(hào)波形，便于人工分析和處理；同時(shí)，通過(guò)先進(jìn)的信號(hào)處理和模式識(shí)別方法判斷該聲波信號(hào)是否為泄漏信號(hào)。ACU還具有自檢功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)傳感器、GPS等設(shè)備的工作狀況。ACU終端包括次聲波傳感器、GPS和信號(hào)處理機(jī)等部件。

2.泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器

泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器由硬件和軟件兩部分組成。硬件一般使用高性價(jià)比、高穩(wěn)定性的PC服務(wù)器；軟件是擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的iSafe管道泄漏監(jiān)測(cè)軟件。

該服務(wù)器主要是將不同地點(diǎn)的ACU數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，通過(guò)軟件與ACU通信，建立并維護(hù)各ACU的通信信道；利用各GPS時(shí)鐘信號(hào)對(duì)其發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確時(shí)間同步。系統(tǒng)軟件可從SCADA系統(tǒng)獲取流量、壓力、在線密度等參數(shù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，降低誤報(bào)率。系統(tǒng)軟件處理和識(shí)別各ACU的次聲波數(shù)據(jù)，判斷管道是否發(fā)生泄漏。依據(jù)管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及次聲波信號(hào)到達(dá)各ACU的時(shí)間差，計(jì)算泄漏位置。

系統(tǒng)軟件具有自動(dòng)診斷功能，能夠?qū)嚯娮詥?dòng)，對(duì)通信鏈路、聲波采集、GPS等模塊進(jìn)行自動(dòng)診斷、報(bào)警、提示。人機(jī)界面可查看系統(tǒng)的具體參數(shù)，如果系統(tǒng)工作不正常可發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)部位及原因。

3.通信系統(tǒng)

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。ACU的次聲波數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器，監(jiān)控終端與泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器也通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)相連接。iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常直接使用管道SCADA系統(tǒng)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)。為保證網(wǎng)絡(luò)通信可靠性，建議系統(tǒng)通信使用已有光纖網(wǎng)絡(luò)。

4.軟件接口

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)、人機(jī)界面及其他第三方軟件采用OPC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)OPC接口從SCADA系統(tǒng)獲取壓力、溫度和流量等數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，降低誤報(bào)率；可通過(guò)OPC接口向人機(jī)界面軟件，如Citect、IFix和Labview等提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及管道泄漏報(bào)警燈信息，用戶在人機(jī)界面的各種操作也通過(guò)OPC接口傳遞給iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心模塊；支持通過(guò)OPC接口與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，具有高度的靈活性，包括負(fù)壓波法管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管壁聲波預(yù)警系統(tǒng)、管道光纖預(yù)警系統(tǒng)、模擬仿真系統(tǒng)等。

5.其他組件及要求

每個(gè)ACU都包含1套GPS，因此需要安裝GPS天線，GPS天線需要安裝在屋頂?shù)刃l(wèi)星信號(hào)無(wú)遮擋的位置，同時(shí)GPS天線都包含1個(gè)GPS避雷器，防止GPS受到雷擊而損壞；包含1個(gè)低噪聲直流電源，采用220 V/50 Hz交流電作為輸入，輸出24 V直流電源給ACU、傳感器等設(shè)備進(jìn)行供電；信號(hào)鏈路上包含浪涌保護(hù)器，防止瞬時(shí)傳輸信號(hào)線的浪涌電壓，從而保護(hù)后級(jí)電路不受到浪涌電壓的損壞。

室外設(shè)備的防爆等級(jí)為ExdIIBT4，防護(hù)等級(jí)為IP67，也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用要求定制。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.高靈敏度次聲波傳感器技術(shù)

次聲波傳感器是油氣管道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，能真實(shí)地檢測(cè)出聲發(fā)射源的所有信息。

此外對(duì)于長(zhǎng)距離油氣管道，泄漏次聲波在到達(dá)監(jiān)測(cè)終端前需要沿著管道進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。經(jīng)過(guò)傳輸介質(zhì)的衰減和吸收，次聲波信號(hào)強(qiáng)度十分微弱。為降低系統(tǒng)的漏報(bào)率，必須研制高靈敏度的油氣管道泄漏次聲波傳感器，以實(shí)現(xiàn)管道不停輸狀態(tài)下，可靠地獲取油氣管道的次聲波信號(hào)。

2.高精度時(shí)間同步技術(shù)

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)利用GPS/北斗的PPS脈沖信號(hào)對(duì)ACU采集的次聲波信號(hào)進(jìn)行高精度時(shí)間同步。利用GPS/北斗的同步信號(hào)進(jìn)行分布式時(shí)間同步具有同步精度高、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)最大時(shí)間同步誤差不高于1 μs，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.次聲波信號(hào)處理技術(shù)

對(duì)于管道運(yùn)行過(guò)程中的背景噪聲和管道操作過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾，iSafe系統(tǒng)采用譜減法濾波和自適應(yīng)次聲波傳感器陣列等多種方法進(jìn)行噪聲抑制。

管道內(nèi)背景噪聲是變化比較緩慢的信號(hào)，該系統(tǒng)具有的背景噪聲估計(jì)算法可有效地跟蹤管道運(yùn)行過(guò)程中的背景噪聲變化。在有效估計(jì)到噪聲頻譜參數(shù)的情況下，系統(tǒng)采用譜減法濾波進(jìn)行背景噪聲抑制，具有明顯的效果。

對(duì)于啟停泵、開(kāi)關(guān)閥等管道操作干擾，該系統(tǒng)采用次聲波傳感器陣列技術(shù)進(jìn)行處理。該技術(shù)在管道上同時(shí)安裝多個(gè)傳感器，并行采集次聲波傳感器信號(hào)。多個(gè)次聲波傳感器構(gòu)成陣列，干擾信號(hào)通過(guò)自適應(yīng)陣列信號(hào)處理方法得到有效抑制。

4.信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別器實(shí)時(shí)處理并識(shí)別管道的運(yùn)行狀態(tài)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是強(qiáng)大而靈活的統(tǒng)計(jì)模型，能有效地描述復(fù)雜的信號(hào)模型。iSafe系統(tǒng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述泄漏次聲波及各種干擾信號(hào)，解決了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型訓(xùn)練、實(shí)時(shí)識(shí)別，以及在針對(duì)實(shí)際管道的運(yùn)行優(yōu)化等一系列問(wèn)題，從而提高了系統(tǒng)識(shí)別微弱信號(hào)的靈敏度，降低了誤報(bào)率。

四、應(yīng)用案例

某石油技術(shù)服務(wù)有限公司針對(duì)19條油氣混輸集輸干線設(shè)計(jì)了iSafe次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，并以其中的一條管線作為測(cè)試段，測(cè)試系統(tǒng)性能。測(cè)試管段基本信息見(jiàn)表1。

表1 紅河油田油氣混輸管網(wǎng)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)

該測(cè)試管段為油氣混輸管道，含氣量為20%左右，有較大幅度的波動(dòng)。油氣混輸管道輸送不穩(wěn)定、噪聲較大，給管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本次測(cè)試的目的是了解iSafe次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在未調(diào)試優(yōu)化情況下在油氣混輸管道的監(jiān)控性能。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)切換管道輸送流程模擬管道泄漏。整個(gè)測(cè)試期間，iSafe系統(tǒng)對(duì)紅一聯(lián)和紅一轉(zhuǎn)站內(nèi)各種操作和泄漏進(jìn)行了有效的監(jiān)測(cè)。

測(cè)試結(jié)果表明，iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)在未經(jīng)調(diào)試及參數(shù)優(yōu)化條件下，可以成功檢測(cè)到模擬泄漏，等效最小可測(cè)泄漏孔徑約5～15 mm；且能成功監(jiān)測(cè)到紅一聯(lián)站內(nèi)3＃螺旋板式換熱器泄漏及后續(xù)流程切換及換熱器搶修等事件，驗(yàn)證了iSafe對(duì)多相流油氣混輸管道泄漏監(jiān)控的靈敏性、有效性、可靠性和準(zhǔn)確性。

五、結(jié)束語(yǔ)

中海達(dá)iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了高靈敏度次聲波傳感器、高精度時(shí)間同步、信號(hào)處理和信號(hào)檢測(cè)等多種先進(jìn)技術(shù)，具有檢測(cè)靈敏度高、定位精度高、反應(yīng)速度快、誤報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于原油管道、成品油管道、天然氣管道、化學(xué)品管道和水管道的泄漏監(jiān)控。

(本專(zhuān)欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)