張瑜

(中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

0 引言

管道運(yùn)輸已成為天然氣長(zhǎng)距離輸送的主要方式。隨著管線增多、管齡增長(zhǎng)、以及不可避免的腐蝕和自然或人為損壞等原因，管線泄漏屢見不鮮，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失及人身安全威脅。管道泄漏在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成為天然氣管道泄漏安全預(yù)警的有效手段之一，該技術(shù)對(duì)管道的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)可在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出警報(bào)并準(zhǔn)確定位，管道公司可及時(shí)做出應(yīng)急響應(yīng)，有效的控制管道泄漏損失及危害。由于天然氣的可壓縮性，在輸油管道上效果良好的方法用在輸氣管道管道上，靈敏度及可靠性就大為降低，如負(fù)壓波法、瞬態(tài)模型法。相比其他泄漏檢測(cè)方法，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏性好、定位準(zhǔn)確、誤報(bào)率低、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外天然氣管道中應(yīng)用較多。本文將對(duì)該系統(tǒng)的檢測(cè)原理、定位方法及關(guān)鍵技術(shù)的研究方法進(jìn)行總結(jié)分析。

1 次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

1.1 泄漏監(jiān)測(cè)方法

當(dāng)天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，氣體噴出摩擦管壁、穿過漏點(diǎn)時(shí)形成的渦流產(chǎn)生聲波，特別是窄孔泄漏過程中，氣體在橫截面上流速的差異產(chǎn)生渦流而形成強(qiáng)烈的聲波信號(hào)，聲波信號(hào)會(huì)沿著管道內(nèi)的氣體向管道上下游傳播，泄漏聲波頻譜跟介質(zhì)種類、壓力、漏孔大小、管材等因素有密切關(guān)系。在音波傳播過程中，聲波信號(hào)的高頻成分迅速衰減，只有低頻成分(即次聲波)可傳播較遠(yuǎn)的距離，在管道兩端安裝的次聲波傳感器就會(huì)捕捉到次聲波信號(hào)，信號(hào)處理分析系統(tǒng)在對(duì)采集到的次聲波信號(hào)進(jìn)行降噪、特征提取、模式識(shí)別等分析，判斷管道是否發(fā)生泄漏。

1.2 定位方法

根據(jù)次聲波傳感器接收到次聲波信號(hào)的時(shí)間差及次聲波在管道內(nèi)氣體介質(zhì)的傳播速度就可計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。

式中：x為上游傳感器安裝位置與泄漏點(diǎn)距離(m)；L為上、下游站之間的距離(m)；a為次聲波的傳播速度(m/s)；ν0為介質(zhì)流速(m/s)；Δt為上、下游站次聲波傳感器接收到泄漏信號(hào)的時(shí)間差，Δt=tl-t2，t1、t2為上、下游站次聲波傳感器接收到泄漏信號(hào)的時(shí)間。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

由于管道鋪設(shè)環(huán)境、泄漏孔徑、運(yùn)行壓力等的不同，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)聲波信號(hào)也不相同，此外，當(dāng)管道運(yùn)行工況變化時(shí)，如泵啟停、泵速調(diào)節(jié)、閥門調(diào)節(jié)等，都會(huì)產(chǎn)生一些干擾噪音信號(hào)，這些因素都加大了泄漏信號(hào)提取和識(shí)別的難度，進(jìn)而影響了泄漏檢測(cè)和定位精度。次聲波傳感器、降噪處理是獲取泄漏音波信號(hào)的關(guān)鍵，直接影響泄漏檢測(cè)的效果。信號(hào)識(shí)別是判別管道是否發(fā)生泄漏的關(guān)鍵，選擇合適的信號(hào)識(shí)別方法可有效降低泄漏誤報(bào)和漏報(bào)。

2.1 次聲波傳感器

次聲波傳感器主要作用是接收次聲波信號(hào)，它是精確的信號(hào)采集、特征分析和聲波源定期的基礎(chǔ)。它的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精確性。次聲波傳感器的探頭為一個(gè)換能元件，是次聲波傳感器接收信號(hào)的關(guān)鍵。由于次聲波的信號(hào)超低頻特點(diǎn)，次聲波的探頭需要有足夠低的下限頻率靈敏度。目前常見的聲波探頭種類有很多，如：動(dòng)圈式、駐極體式、電容式等，其中電容式傳感器靈敏度為8～30mv/Pa，次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器要求的靈敏度為10～50mv/Pa，因此，電容式傳感器可用作泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的次聲波傳感器。在選擇泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)次聲波傳感器時(shí)，應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：一是所應(yīng)用的管道輸送介質(zhì)特性；二是泄漏環(huán)境，如：泄漏信號(hào)的頻率范圍、管道壓力、泄漏點(diǎn)位置、泄漏孔徑大小等等。此外，還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，對(duì)次聲波傳感器的防水、防塵、防爆、耐高溫、耐低溫等性能酌情考慮。

2.2 降噪處理

天然氣管道是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，產(chǎn)生的聲波信號(hào)與背景噪聲極為相似，尤其在微小泄漏時(shí)，信號(hào)比較微弱，極易被背景 噪聲信號(hào)隱蔽，噪聲的存在會(huì)使泄漏信號(hào)識(shí)別困難，因此非常有必要進(jìn)行信號(hào)降噪處理。信號(hào)降噪處理有很多方法，如：小波法、奇異值分解法等。每種方法適用的信號(hào)類別和范圍都有所差別，因此要根據(jù)噪聲和信號(hào)的特點(diǎn)，選擇合適的降噪方法，這樣才能獲得理想的降噪效果，即降噪后的曲線比較光滑，不產(chǎn)生虛假突變，最大程度的保留泄漏突變特征，并且不發(fā)生平移。由于天然氣管道泄漏產(chǎn)生的信號(hào)比較微弱，單一的降噪方法可能無法實(shí)現(xiàn)理想的降噪效果，多種方法結(jié)合成為首選。梁偉等人利用局部投影降噪法及小波變換理論，提取弱特征信號(hào)，突出信號(hào)突變拐點(diǎn)，提高了降噪效果[1]。金浩等人利用雙樹復(fù)小波與奇異值結(jié)合的降噪方法，對(duì)音波信號(hào)進(jìn)行多層分解降噪處理[2]。武偉強(qiáng)等[3]通過信號(hào)尖端補(bǔ)償和小波變換處理，還原被舍棄的部分重要信號(hào)，對(duì)還原后的信號(hào)進(jìn)行消噪，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

2.3 信號(hào)特征識(shí)別

在進(jìn)行降噪處理后，對(duì)于管道是否發(fā)生泄漏，需進(jìn)行信號(hào)特征識(shí)別，常見的識(shí)別方法有：模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。模式識(shí)別方法是對(duì)管道泄漏所產(chǎn)生的聲波信號(hào)進(jìn)行特征值提取和模式分類，優(yōu)點(diǎn)是快速高效且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但是它需要豐富的先驗(yàn)知識(shí)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類似于人類的認(rèn)知學(xué)習(xí)過程的檢測(cè)方法，該方法可以根據(jù)管道的各種工況進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，具有良好的實(shí)時(shí)性，抗惡略環(huán)境和抗噪聲干擾能力較強(qiáng)[4]。這種方法也已經(jīng)成為管道泄漏檢測(cè)信號(hào)特征識(shí)別的常用方法。唐秀家等基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道運(yùn)行狀況分類器能夠較為迅速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出管道運(yùn)行狀況，檢測(cè)管道是否泄漏，并且有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境噪聲干擾的能力[5]。高炳坤等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)消噪后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，能夠?qū)π盘?hào)是否為泄漏信號(hào)進(jìn)行判斷并可以準(zhǔn)確地定位泄漏位置[6]。

3 結(jié)語

次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保障天然氣管道安全輸送的有效手段，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛，本文對(duì)次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理、定位方法、信號(hào)處理等技術(shù)進(jìn)行了闡述。次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)和定位原理簡(jiǎn)單，但在系統(tǒng)設(shè)備尤其是次聲波傳感器選型，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的管道環(huán)境和工況運(yùn)行情況來優(yōu)選合適的次聲波傳感器；此外，由于天然氣管道敷設(shè)環(huán)境和運(yùn)行工況復(fù)雜，采集的聲波信號(hào)比較復(fù)雜，需采用合適的降噪方法和特征識(shí)別方法，來降低泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)率及提高定位精度。