王 正，王洪誠，傅 磊，穆帥歡，王 蕾

(1.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都610500;2.西南石油大學 電氣信息學院，四川 成都610500)

0 引 言

近年來，一些研究機構對負壓波檢漏法進行了實用化研究，雖然在多條管線的泄漏檢測中成功地應用了負壓波檢漏法，但是其中不乏多種問題出現(xiàn)［1，2］。國內外負壓波檢漏法的研究主要集中在負壓波信號識別上，如，利用相關分析、小波分析、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡、卡爾曼濾波和模式識別等來提高定位精度和泄漏預報精度。

本文提出了一種基于多壓力傳感器負壓波的管道檢漏法［3］，通過對流量、壓力等參數(shù)的實時監(jiān)控，結合泵站前后的壓力傳感器來合力判斷是否為真實泄漏引起壓力變化和泄漏點初步的定位，并及時關閉相關閥門，同時發(fā)出報警信號，通知工作人員快速有效地做出反應，將損失降到最小。

1 負壓波法

1.1 負壓波定義

目前，國際上應用較多的管線泄漏檢測和漏點定位方法是負壓波法。當某處管道上突然發(fā)生泄漏時，由于管道內的流體壓力一般遠大于管道外的大氣壓力，在內外壓力差的作用下管道內的流體從泄漏點迅速流失，泄漏點兩邊相鄰區(qū)域的壓力高于泄漏點處的壓力，這種壓力差導致泄漏點上下游的流體向泄漏點處區(qū)域進行補充，從而又引起兩側區(qū)域的流體密度減小和壓力降低，這種從泄漏點處沿管道依次向上、下游方向擴散的現(xiàn)象，叫做負壓波［4，5］，其傳播的速度在不同規(guī)格的管線中并不相同。

1.2 單壓力傳感器負壓波法檢測與定位

負壓波法是根據(jù)傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形進行泄漏判斷，泄漏位置是根據(jù)負壓波傳播到上下游的時間差來估算［6］。

在輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)中，管道的1，2 站兩端裝有2 只壓力傳感器，接收系統(tǒng)中傳來的壓力值。定位原理如圖1 所示，設管道長為L，泄漏點為RX(RX點是管道上面的任意一點)，負壓波傳播速度為v，管道內流體流速為v0，一般v 比v0大3 個數(shù)量級以上。

圖1 泄漏點的定位原理圖Fig 1 Principle diagram of leak point positioning

在上圖中假設泄漏點RX處產(chǎn)生的壓力波傳到1 站的時間為T1，傳到2 站的時間為T2，則有

當液體管道出現(xiàn)泄漏時，其兩個端點的壓力會劇烈下降，根據(jù)兩個端點壓力傳感器所檢測到劇降的時間差

即可估算泄漏位置

其中，L 為管道長度，m;X 為泄漏點到首端距離，m;v 為管道中負壓波的傳播速度，m/s;vo為流體速度，m/s;ΔT 為1，2 站端壓力波到達時間差，s。

若測出ΔT，即可由式(4)求得泄漏點RX距離1，2 站之間的距離。

1.3 單壓力傳感器負壓波法檢測的缺點

當管道中某處發(fā)生泄漏時，管道內會產(chǎn)生負壓波，單壓力傳感器負壓波檢測法的關鍵不僅在于能否正確檢測到該負壓波，而且要看能否正確辨別該負壓波是否為泄漏所引起。在管道輸油系統(tǒng)中，可能產(chǎn)生負壓波的除泄漏引起外，還可由工況調整引起管道內壓力變化而產(chǎn)生負壓波，如，調泵、起泵、停泵等，系統(tǒng)誤報常常是由這些工況調整的干擾引起的，造成系統(tǒng)虛警率提高，所以，只有解決好虛警問題才能體現(xiàn)系統(tǒng)的準確性［7～9］。

2 多壓力傳感器基于負壓波的泄漏檢測

2.1 雙壓力傳感器基于負壓波法泄漏檢測

雙壓力傳感器法原理圖如圖2 所示。在泵1 站一端安裝2 只壓力傳感器A1 和A2，分別為泵1 近端和遠端;在泵2 站的一端也安裝2 只壓力傳感器B1 和B2，分別為泵2 遠端和近端。當泵1 站有工況調整時，引起的壓力波按時間的先后順序依次通過泵1 近端、泵1 遠端、泵2 遠端、泵2 近端。當泵2 站一側有工況調整時，引起的壓力波按時間的先后順序依次通過泵2 近端、泵2 遠端、泵1 遠端、泵1 近端。當輸油管線中間發(fā)生泄漏時，引起的壓力波在泵1 站的一側是泵1 遠端先接收到，泵1 近端后接收到，在泵2 站的一側也是泵2 遠端先接收到，泵2 近端后接收到，因此，根據(jù)1，2 站2 只壓力傳感器接收到的壓力波的先后順序，就能可靠地區(qū)分壓力波的起因是因工況調整還是管道泄漏。

圖2 雙壓力傳感器法原理圖Fig 2 Principle diagram of double pressure sensor method

雙壓力傳感器負壓波法泄漏檢測的判斷模式見表1。

表1 判定模式Tab 1 Decision model

此方法也存在一定缺陷，譬如:當泄漏發(fā)生在油庫兩個檢測點A1，A2 之間并且距離A1 近端(B2 近端)非常接近的時候，就會認為泄漏是因1 站(2 站)工況調整引起，造成系統(tǒng)漏報率提高。

2.2 多壓力傳感器基于負壓波法泄漏檢測原理

多壓力傳感器法原理圖如圖3 所示。多壓力傳感器法原理是基于雙壓力傳感器法基礎之上，多壓力傳感器法連接了泵站前與泵站后的4 只傳感器合力進行判斷。在泵1站前端安裝2 只壓力傳感器C1 和C2，分別為泵1 前遠端與泵1 前近端;在泵1 站后端安裝2 只壓力傳感器A1 和A2，分別為泵1 后近端與泵1 后遠端;在泵2 站前端安裝2 只壓力傳感器B1 和B2，分別為泵2 前遠端與泵2 前近端;在泵2 站后端安裝2 只壓力傳感器D1 和D2，分別為泵2 后近端與泵2 后遠端。當泵1 站和泵2 站有工況調整和管道中間發(fā)生泄漏時，判斷方法類似雙壓力傳感器法。當泄漏發(fā)生在站前或者站后兩個檢測點之間時候，譬如:發(fā)生在A1 與A2 之間并且距離A1 近時，壓力波按照時間先后順序依次到達泵1 后近端、泵1 后遠端、泵1 前近端、泵1 前遠端、泵2 前遠端、泵2 前近端、泵2 后近端、泵2 后遠端。但當泵1 站有工況調整時，壓力波按照時間先后順序依次到達泵1 前端C1，C2 以及后端A1，A2 幾乎同時到達、泵2 前遠端、泵2 前近端、泵2 后近端、泵2 后遠端。這樣就可以正確作出判斷，雙壓力傳感器法中的漏報情況得以解決。

圖3 多壓力傳感器法原理圖Fig 3 Principle diagram of multi-pressure sensor method

根據(jù)壓力波到達先后順序進行判斷，多壓力傳感器負壓波法泄漏檢測的判斷模式見表2。

表2 多壓力傳感器法判定模式Tab 2 Decision model of multi-pressure sensor method

根據(jù)上表的分析判斷，此方法可以避免雙壓力傳感器中出現(xiàn)的漏報情況的發(fā)生，并且可以根據(jù)負壓波到達先后順序進一步確定泄漏點的位置，因此，不僅可以降低虛警率為系統(tǒng)正常運行減少故障，還可以為泄漏點定位提供有效數(shù)據(jù)。

3 仿真驗證

采用上述基于多壓力傳感器負壓波的檢測方法對某輸油管道進行仿真設計，管道數(shù)據(jù)如下:管道全長為34 km，管道直徑為300 mm，1 站與2 站之間距離為32 km，A1 與增壓泵，A1 與A2，C2 與C1，C2 與增壓泵，B1 與增壓泵，B1 與B2，D2 與D1，D2 與增壓泵等之間的距離都為0.5 km，1 站流體壓力4.8 MPa，2 站流體壓力3.6 MPa，1 站流體溫度為60 ℃，2 站流體溫度為50 ℃，負壓波傳播速度為1 100 m/s，流體的流速為3 m/s。管道在如下幾種條件下引起壓力變化，s 表示泵站離傳感器距離，T1表示忽略流體流速的情況下負壓波到達各個傳感器的時間，T2表示正常情況下負壓波到達各個傳感器的時間。

1)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對1 站進行模擬工況調整，引起壓力變化;時間測試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 時間測試數(shù)據(jù)Tab 3 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可以得出:當1 站工況調整時，壓力波按照時間先后順序依次到達C2 與A1，C1 與A2，B1，B2，D1，D2，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結果，并且還可以看出壓力波幾乎同時到達1 站前端和后端。

2)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對2 站進行模擬工況調整，引起壓力變化;時間測試數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 時間測試數(shù)據(jù)Tab 4 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可以得出:當1 站工況調整時，壓力波按照時間先后順序依次到達D1 與B2，D2 與B1，A2，A1，C2，C1，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結果，并且還可以看出壓力波幾乎同時到達2 站前端和后端。

3)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對A2 與B1 之間且距離A2點10 km 處進行模擬管道泄漏，引起壓力變化;時間測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 時間測試數(shù)據(jù)Tab 5 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可以得出:距A2 點10 km 處發(fā)生泄漏時，壓力波按照時間先后順序依次到達A2，A1，C2，C1，B1，B2，D1，D2，不管是否考慮管道流體流速影響都可以得到相同結果，并且還可以看出壓力波是先到達1 站后端，然后再到達1 站前端。

4)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對A1 與A2 之間且距離A1點0.2 km 處進行模擬管道泄漏，引起壓力變化，當距離A2近時與(3)相同;時間測試數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 時間測試數(shù)據(jù)Tab 6 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可得出:距A1 點0.2 km 處發(fā)生泄漏時，壓力波按時間先后順序依次到達A1，A2，C2，C1，B1，B2，D1，D2，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結果，并且還可以看出壓力波是先到達1 站后端，然后再到達1 站前端。

5)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對B1 與B2 之間且距離B2點0.2 km 處進行模擬管道泄漏，引起壓力變化，當距離B2近時與(3)相同;時間測試數(shù)據(jù)如表7 所示。

通過上表數(shù)據(jù)可得出:距B2 點0.2 km 處發(fā)生泄漏時，壓力波按時間先后順序依次到達B2，B1，D1，D2，A2，A1，C2，C1，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結果，并且還可以看出壓力波是先到達2 站前端，然后再到達2 站后端。

4 結束語

本文提出了一種基于多壓力傳感器負壓波的管道泄漏檢測方法，通過仿真分析證明了該泄漏檢測方法的正確性，不僅能夠有效解決系統(tǒng)漏報警問題，并且還能為系統(tǒng)泄漏點的精確定位提供有效幫助，明顯優(yōu)于其他兩種檢測方法。

表7 時間測試數(shù)據(jù)Tab 7 Time test data

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