鄭恩文

摘要：在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用巴特沃茲濾波方法去除信號(hào)中的噪聲干擾，將基于傅立葉方法的故障診斷方法引入長(zhǎng)距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)中，對(duì)可以反映油氣的泄漏壓力信號(hào)的相關(guān)特征向量指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的壓力信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，解決了對(duì)時(shí)域信號(hào)向頻域轉(zhuǎn)化的難題，進(jìn)而通過對(duì)加窗后重構(gòu)的新序列進(jìn)一步分析，就能根據(jù)不同頻域內(nèi)的特征向量值完成對(duì)產(chǎn)生泄露原因的識(shí)別。并在后期的實(shí)際應(yīng)用中取得了相對(duì)較好的效果，同時(shí)在上述研究基礎(chǔ)上，對(duì)總結(jié)油氣管道泄露檢測(cè)與準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善提供指導(dǎo)性建議。

關(guān)鍵詞：巴特沃茲濾波方法;傅立葉方法;泄露監(jiān)測(cè);快速傅里葉變換。

中圖分類號(hào)：TE973.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）10-0020-05

油氣運(yùn)輸中的管道泄漏現(xiàn)象，不僅會(huì)造物質(zhì)損失和污染環(huán)境，更加可能帶來十分重大的人員傷亡。然而近些年來，相關(guān)的油氣管道泄漏事故卻多有發(fā)生，故而為了更好的對(duì)管道安全運(yùn)行加以保證并且將油氣泄漏事故所帶來的危害降低到最小，油氣泄漏檢測(cè)技術(shù)快速成為近年來工程研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。

眾所周知，長(zhǎng)距離油氣泄漏的管道檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)涉及到多個(gè)領(lǐng)域的跨學(xué)科復(fù)雜課題-引，其具體涉及到熱力學(xué)、流體力學(xué)、信號(hào)學(xué)、檢測(cè)學(xué)、傳感技術(shù)、信號(hào)處理、微弱信號(hào)檢測(cè)等多個(gè)相關(guān)學(xué)科方向，是近年來冉冉升起的學(xué)術(shù)要點(diǎn)，更是學(xué)術(shù)難點(diǎn)。

1長(zhǎng)距離油氣輸送方式及調(diào)節(jié)

通常所說的長(zhǎng)距離油氣輸運(yùn)方式指的是，沿著油氣輸運(yùn)管道的各個(gè)泵站與泵站，以及管道與泵站之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于相鄰的兩個(gè)泵站之間的連接方式各不相同，導(dǎo)致設(shè)備的選擇、泵站內(nèi)的工作流程、管理水平以及水平也均不相同。而長(zhǎng)距離油氣的輸運(yùn)方式通常有三種，一般可以歸結(jié)為，旁接油罐、通過油罐以及從泵到泵（圖1）。

1）這里所說的旁接油罐油氣運(yùn)輸方法，指的是當(dāng)上一泵站來油氣時(shí)，油氣將會(huì)同時(shí)進(jìn)入到油氣泵或者油罐，也就是油罐與主要油氣干線呈并聯(lián)關(guān)系?；谶@樣的設(shè)計(jì)，如果相鄰的兩個(gè)泵站的油氣量較為均衡的時(shí)候，油氣罐內(nèi)部的液面則相對(duì)平穩(wěn)，可以使得罐內(nèi)因蒸發(fā)而帶來的油氣損失減少，而當(dāng)上下兩個(gè)泵站之間的輸運(yùn)量不能保持平衡的時(shí)候，油氣罐就可起到一個(gè)緩沖的作用。

2）通過油罐的油氣輸運(yùn)方式則通常是指，當(dāng)上一泵站有油氣進(jìn)入罐內(nèi)后，油氣泵再由油氣罐內(nèi)部抽取油氣，并且經(jīng)過加壓后將其輸運(yùn)到下一個(gè)相鄰的油氣泵。在上述通過油罐的輸送方式下，多個(gè)油氣罐則可以在數(shù)量無法保持不平衡的時(shí)候起到一定的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)又可以將油氣管路中在輸運(yùn)過程中帶來的部分空氣排出，這樣就可以起到沉淀大量雜質(zhì)的效果。然而，考慮到油氣罐內(nèi)流體在運(yùn)輸過程中會(huì)受到劇烈的擾動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致因蒸發(fā)帶來大量的油氣損耗。綜上，該種輸運(yùn)形式被較多的使用在投產(chǎn)過后的試運(yùn)行階段中，這是由于該階段下整個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)尚且無法很好地協(xié)調(diào)，故而各個(gè)泵站間的輸運(yùn)量的相對(duì)波動(dòng)是很大的，在這種情況下，油氣罐可以起到一個(gè)很好的緩沖的作用，同時(shí)，上一泵站的來油在罐內(nèi)可以進(jìn)行雜質(zhì)以及空氣的排放，這將進(jìn)一步保證泵站內(nèi)的設(shè)備可以相對(duì)安全的運(yùn)行。在此前前提下，當(dāng)全部運(yùn)輸線上各個(gè)環(huán)節(jié)均達(dá)到協(xié)調(diào)后，即可以將油氣輸運(yùn)方式更改為從泵到泵或者旁接油罐。

3）最后，從泵到泵的的輸送方式通常是指，將相鄰泵站中的通過上一泵站的所來油氣全部輸運(yùn)到下一油氣泵中。其中，運(yùn)輸線路中的相鄰泵站之間的輸油泵則應(yīng)用密閉輸送，即接力傳送。這樣的設(shè)計(jì)使得運(yùn)輸線路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，因此就可以避免油氣經(jīng)過中間的泵站時(shí)帶來的的蒸發(fā)損耗。

在旁接油罐以及通過油罐這兩種輸運(yùn)方式中，每一個(gè)泵站以及與其相鄰的下一個(gè)泵站間的油氣管道均可以形成一個(gè)獨(dú)立的水力機(jī)構(gòu)，這樣使得各個(gè)泵站在很短的時(shí)間內(nèi)就可以各自調(diào)整內(nèi)部的多個(gè)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)不會(huì)對(duì)其它的泵站造成直接的影響。這體現(xiàn)了，分布在主油氣線路上的油氣罐帶來的緩沖作用，提高了整個(gè)管路調(diào)節(jié)的靈活性。然而，上述方式均無法在長(zhǎng)距離的管路運(yùn)輸中保證油氣輸運(yùn)主泵可以以正壓來進(jìn)泵。這導(dǎo)致每一個(gè)泵站都需要設(shè)置相應(yīng)的給油氣系統(tǒng)，故而油氣罐存在帶來的缺陷也是不可忽略的，即導(dǎo)致輸運(yùn)過程趨于復(fù)雜化，進(jìn)而需要增加一定的操作人員，更使得經(jīng)營以及投資的相應(yīng)費(fèi)用大幅增加。

對(duì)比來看，從泵到泵的油氣輸運(yùn)方式則將所有的站與整個(gè)運(yùn)輸線路的管路整合成為統(tǒng)一的單個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，這樣各個(gè)泵站的輸運(yùn)特征則僅僅受到總特征以及整體流量的影響。可以明顯看出，基于該設(shè)計(jì)下，各個(gè)站的流量將保持等量，個(gè)別泵站的進(jìn)出油氣流量發(fā)生突變，則會(huì)導(dǎo)致其它所有的泵站流量均隨之出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的浮動(dòng)。同時(shí)，各個(gè)泵站的進(jìn)出口壓強(qiáng)也存在相互影響的現(xiàn)象，舉例來講，某一泵站的相鄰前一泵站所輸人的壓力大于兩個(gè)泵站之間的線路所耗散的壓力，那么消耗后的剩余壓力則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠湎噜彽南乱徽镜倪M(jìn)口壓力，這將會(huì)導(dǎo)致下站的輸出壓力在原基礎(chǔ)上升高。綜上，各個(gè)站均需要設(shè)置相對(duì)可靠的自動(dòng)保護(hù)措施以及自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過上述分析可以得出，從泵到泵的輸運(yùn)方法具有能源損耗較少，工藝流程更加簡(jiǎn)單，節(jié)省了油氣設(shè)備以及節(jié)約了人力資源的巨大優(yōu)勢(shì)。然而現(xiàn)在我國的大部分油氣運(yùn)輸過程還在繼續(xù)使用旁接油罐或者通過油罐的輸運(yùn)方法。

2泄漏監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型

2.1巴特沃茲濾波降噪方法

在旁接油罐、通過油罐的油氣輸運(yùn)方式中，各個(gè)油氣罐對(duì)管道內(nèi)壓力具有一定的緩沖作用，可以類比于電路中電容產(chǎn)生的作用，即對(duì)管道內(nèi)壓力的驟然變化提供一定的濾波和降噪作用。而多個(gè)油氣罐的結(jié)構(gòu)設(shè)置則使得油氣通路內(nèi)部介質(zhì)的壓力相對(duì)較低，經(jīng)過大量計(jì)算總結(jié)得出，該壓力通常可以通過將閥組帶來的壓損與油氣罐內(nèi)的流體高度壓相加得到，這將會(huì)導(dǎo)致基于管道壓力變化來檢測(cè)油氣泄漏的方式的要求變得更高。另一方面，考慮到輸運(yùn)管道中隨機(jī)出現(xiàn)的工業(yè)測(cè)量帶來的干擾以及設(shè)備固有的噪聲干擾，去噪方法的提出也尤為重要。因此，本工作中經(jīng)過大量的實(shí)際研究得出大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于上述數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)上述兩種噪聲干擾給出濾波去噪的方法：采取巴特沃茲濾波方法來過濾去除多種噪聲干擾。

巴特沃滋濾波器一的設(shè)計(jì)流程可以簡(jiǎn)述為三個(gè)部分，首先按照油氣泵壓力具體數(shù)據(jù)及泄漏檢測(cè)具體要求來給出濾波器的對(duì)應(yīng)性能參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上通過巴特沃滋方法不斷逼近設(shè)定好的性能參數(shù)，也就是通常所說的確定巴特沃滋器的單位脈沖函數(shù)或者系統(tǒng)響應(yīng)。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，監(jiān)測(cè)濾波器能否達(dá)到先前制定的性能標(biāo)準(zhǔn)，如果結(jié)果并不理想，則反復(fù)修改先前步驟，直到得到符合標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果，即完成巴特沃滋濾波器的設(shè)置。

由上述研究工作可知，本研究中對(duì)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的處理的主要是將低頻的噪聲信號(hào)過濾掉，為了起到降噪效果，采用高通濾波器，而通常研究中大多使用低通濾波器，其特性由圖2所示。

在前人的研究過程中，巴特沃茲、橢圓以及切比雪夫?yàn)V波器應(yīng)用的最為廣泛，而基于對(duì)相關(guān)壓力參數(shù)的靈敏度的考慮，在眾多研究結(jié)構(gòu)下，可以得出，巴特沃茲濾波器靈敏度是最好的，其次則為切比雪夫，效果最不理想的則是橢圓濾波器，同時(shí)考慮到巴特沃茲濾波器具有最低的計(jì)算階次，其可作為長(zhǎng)距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)研究中降噪濾波器的最佳選擇，其后我們通過Matlab軟件完成了低通濾波器向高通濾波器的轉(zhuǎn)換。

波動(dòng)幅度的平方函數(shù)是上述巴特沃茲濾波方法中的重要參數(shù)，其定義式如下：

本研究中，我們應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)巴特沃滋濾波器進(jìn)行編寫，并得出對(duì)油泵壓力信號(hào)進(jìn)行降噪后的效果圖如下：

2.2快速傅里葉分析提取特征壓力信號(hào)

為了對(duì)長(zhǎng)距離輸油氣管道內(nèi)的油氣泄漏所引發(fā)的壓力驟然下降，和因?yàn)楸谜菊{(diào)節(jié)等因素造成的壓力波動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分，本文中應(yīng)用快速傅里葉分析方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傅里葉方法，來對(duì)特征壓力信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，完成時(shí)域信號(hào)向頻域的快速轉(zhuǎn)變，并對(duì)泄露故障進(jìn)行識(shí)別。

本文應(yīng)用上述方法對(duì)長(zhǎng)距離油氣輸運(yùn)過程中的加速度數(shù)據(jù)和油氣泵內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析。結(jié)果表明，由于長(zhǎng)距離油氣輸運(yùn)的驗(yàn)過程中各種信號(hào)的采集量均較為旁大，故而直接應(yīng)用傅立葉變換會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過大，對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和以及CPU的處理速度要求相對(duì)很高。因此，從正常輸運(yùn)過程，即非泄漏過程的采集數(shù)據(jù)中截取數(shù)段數(shù)據(jù)，同時(shí)在泄漏過程中截取數(shù)段數(shù)據(jù)，并將多端不同情況下的信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉處理，是本文采用的可行且節(jié)約計(jì)算資源的處理方法。在我們的研究中窗函數(shù)中的hamming窗被應(yīng)用于數(shù)據(jù)的截取，并且根據(jù)大量測(cè)試，將窗口的長(zhǎng)度設(shè)置成69個(gè)采樣的信號(hào)點(diǎn)，這里為了證明在長(zhǎng)距離有氣泄漏檢測(cè)研究中過濾降噪處理的必要性，我們?cè)趯?duì)濾波后得到的正常油氣輸運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，對(duì)沒有經(jīng)過濾波的正常信號(hào)同樣作出快速傅立葉轉(zhuǎn)換，并將兩種情況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)程對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖5中所示。

同時(shí)，對(duì)應(yīng)于上述操作，從油氣泄漏情況下的數(shù)據(jù)中截取局部數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換，這部分操作也同樣使用了hamming窗，窗函數(shù)的尺度與上述操作中相等，并同樣給出濾波前后油氣泄漏情況下數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見圖6。

聯(lián)合觀察圖5、圖6，我們可以分析得出，在上述的兩種輸運(yùn)狀態(tài)，即正常輸運(yùn)和發(fā)生油氣泄漏的輸運(yùn)過程中，兩種狀態(tài)下的到的采集數(shù)據(jù)的能量均集中分布于2500Hz以下的低頻率區(qū)域，然而在油氣泄漏現(xiàn)象較為頻繁出現(xiàn)的3000Hz-24000Hz頻率分布帶內(nèi)則無法觀察到明顯的處理信息。通過研究分析我們得出，從長(zhǎng)距離油氣輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中我們所檢測(cè)得到的流動(dòng)加速度信號(hào)以及泵站壓力信號(hào)中，是以較低頻率的信號(hào)占據(jù)了較為重要的地位，而這些較低頻率的信號(hào)的成分卻是基本由各種各樣的噪聲信號(hào)組成的，這樣以來，研究中較為重要，且具有價(jià)值的油氣泄漏時(shí)對(duì)應(yīng)的特征信號(hào)，反而由于所處頻帶較高而被能量較高的低頻信息所掩蓋，而無法正常顯示，不能得到很好的分析，也就是通常認(rèn)為的信噪比較低。

而為了將信噪比例有效的提高，我們?cè)谇懊娴难芯恐胁捎昧税吞匚肿虨V波器進(jìn)行濾波，較為有效的將泵站信號(hào)中低于2500Hz的各種低頻率信號(hào)消除，而后在此基礎(chǔ)之上使用快速傅立葉處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。如圖5中右邊的兩個(gè)經(jīng)過濾波后的云圖所示，由于圖5中給出的數(shù)據(jù)是基于正常油氣輸運(yùn)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)采集得到的，在該狀態(tài)下并沒有相應(yīng)的油氣泄漏現(xiàn)象發(fā)生，因此可以在圖中看出，在時(shí)頻分布中油氣泄漏具有發(fā)生可能的時(shí)頻區(qū)域內(nèi)并不出現(xiàn)可觀察到的云圖成分，也就是無法提取出相應(yīng)的油氣泄漏特征，這個(gè)現(xiàn)象同樣可說明快速傅立葉轉(zhuǎn)換所得到的結(jié)果是合理且相符于實(shí)際情況的。進(jìn)一步分析圖6，泵站的壓力信號(hào)在通過濾波后于0.012處出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊。對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，這與油氣泄露產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)基本符合。

3油氣管道泄露監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)具體如圖7所示。系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到泄露信號(hào)之后，搜集泄露信息，并對(duì)泄露信息進(jìn)行處理，進(jìn)行故障報(bào)警?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)報(bào)警顯示確定泄露點(diǎn)，并進(jìn)行泄露原因識(shí)別和泄露故障處理。系統(tǒng)檢測(cè)泄露點(diǎn)處理完畢之后恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

4結(jié)語

本文針對(duì)長(zhǎng)距離油氣輸運(yùn)過程中的泄漏檢測(cè)進(jìn)行了較為深人的研究，結(jié)果表明，在對(duì)長(zhǎng)距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)的研究中，直接使用快速傅立葉變換，由于各種非泄漏噪聲的低頻數(shù)據(jù)在整體能量分布上占據(jù)了主要部分，會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，是無法區(qū)別提取管道泄露信息的，進(jìn)而無法進(jìn)行準(zhǔn)時(shí)的檢測(cè)，在研究過程中需要通過對(duì)流動(dòng)加速度以及壓力信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理，應(yīng)用巴特沃茲濾波器消除在能量上占據(jù)主要地位的低頻信號(hào)段，再聯(lián)合使用快速傅里葉變換，則能夠成功的從流體的加速度數(shù)據(jù)以及泵站的壓力數(shù)據(jù)中有效的提取出油氣泄露相關(guān)數(shù)據(jù)特征。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了長(zhǎng)距離油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。