【正文】 發(fā)，這種方法的缺點是速度比較慢，且無法實現(xiàn)連續(xù)性檢測。 (2)油 (氣 )敏線纜：分布式碳氫化合物傳感器電纜 (hydrocarbon distributed sensor cable)，該電纜對油 (氣 )十分敏感，通過沿管道的外壁鋪設該種線纜來進行泄漏檢測和定位。該方法非常靈敏，可以連續(xù)檢測，尤其對于小的和緩慢的泄漏有良好的效果。但是電纜造價昂貴，被泄漏物質沾染過的線纜需要及時更換。 (3)檢測光纖 :利用先進的感應材料對管 道外部環(huán)境中的一些參數(shù)進行探測，從而根據(jù)檢測值與正常值的差距判斷是否發(fā)生泄漏。常用的光纖材料有一下幾種： Ⅰ .硅膠包覆石英 (PCS)光纖傳感器 [3] 通常的光纖，是由一個玻璃芯和覆蓋其上的一層透明物質包層構成的，玻璃芯和包層和折射率不同，匹配適當?shù)臅r候，光線可以在其中傳播而不發(fā)生外泄。硅膠包覆石英 (PCS)光纖傳感器使用了一種含有特定化學成分的可滲透硅膠包層，當泄漏出的被檢測物質和包層中的化學成分相遇的時候，發(fā)生化學反應，使包層的折射率發(fā)生變化，一部分光線就會被反射回來，通過測量發(fā)射和反射脈沖之間的時間差， 可以確定泄漏點的位置。這種光纖傳感器可用于多種油液的泄漏檢測，但價格昂貴。 Ⅱ .光纖溫度傳感器 原油、天然氣等加熱輸送管道的泄漏會引起周圍環(huán)境溫度的變化。分布式光纖溫度傳感器可連續(xù)測量沿管道的溫度分布的變化情況，當沿管道的溫度變化超過一定范圍時就可以判斷管道發(fā)生了泄漏。據(jù)報道， YORK 公司的 DTS 系統(tǒng) (分布式光纖溫度傳感系統(tǒng) )，一個光電處理單元可連接幾根溫度傳感光纜，長度達 25km，對于溫度的變化可在幾秒鐘內反映出來。 管壁狀況檢測法 (1)管道外壁檢測法：當管道遭到外力破壞時會發(fā)出聲音， 此聲音沿管壁向管線兩端傳播，在管線沿線設置多個聲音接收器，以檢測管道是否受到破壞。由于聲音在管壁中的衰減，每一個接收器所能檢測的距離只有幾千米。 (2)管道內壁檢測法：采用管內探測球 (也叫智能清管球， PIG)直接對管道內壁進行檢測，看是否發(fā)生腐蝕或者破裂。管內探測球 (PIG)[4]是一種基于漏磁技術或超聲波技術、可在管道內隨介質漂流的探測工具。探測球沿管線漂流并且進行探測，將探測到的管壁數(shù)據(jù)存在內置的專用數(shù)據(jù)存儲器中以便進行分析?；诼┐偶夹g的管內探測球具有 N、 S 兩極，在兩極之間有一個對磁漏敏感的傳感器。當 金屬管壁發(fā)生腐蝕甚至破裂時， N、 S 兩極之間的磁場會發(fā)生變化，這種變化能被中間的傳感器檢測到?；诔暭夹g的管內探測球向管壁發(fā)射超聲波信號并接收發(fā)射信號，從而得到關于管壁厚度的信息。一般的說， 基于漏磁技術的探測器對工況擾動的魯棒性好，更適用于西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 7 薄管壁；基于超聲波技術的探測球更加精確靈敏，更適用于厚管壁。管內探測球敏感性好，定位準確，但是無法連續(xù)探測，隨介質漂流時容易發(fā)生堵塞事故，且價格昂貴。 管內流動狀態(tài)檢測法 近年來，隨著計算機應用的迅速發(fā)展，監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)獲取 (supervisory control and data acquisition， SCADA)系統(tǒng)在管道上的應用愈來愈普遍，泄漏檢測和定位功能逐漸成為 SCADA 系統(tǒng)的一個重要組成部分。泄漏檢測和定位系統(tǒng)測量管段上、下游端的壓力和流量等參數(shù)，所測數(shù)據(jù)送往中央處理計算機，采用各種算法進行實時分析處理。以此來進行泄漏檢測和定位 [5,6,7,8]。以 SCADA 系統(tǒng)為平臺的計算機實時泄漏檢測系統(tǒng)正成為目前泄漏檢測和定位的主流工具。 (1) 基于模型的方法 這類方法利用管道中流體的質量平衡方程、動量平衡方程和能量平衡方程等進行機理建模。由于管道 系統(tǒng)是一個非線性分布參數(shù)系統(tǒng)，所建立的模型為非線性偏微分方程，為便于求解，通常采用差分法或者特征線法等方法將其化為線性差分方程。然后，設計狀態(tài)估計器對系統(tǒng)狀態(tài)進行估計，根據(jù)估計值和實測值之間的差去進行泄漏檢測。狀態(tài)估計器可以是觀測器，也可是卡爾曼 (Kalman)濾波器。根據(jù)建立模型的方法不同，可以分為不包含故障的模型方法和包含故障的模型方法。 Ⅰ .不包含故障的模型方法：不包含故障的模型方法的基本思路是建立不包含故障的管道動態(tài)模型并設計狀態(tài)觀測器，當泄漏發(fā)生時，狀態(tài)值和實際值之間會產生偏差，根據(jù)偏差進行泄漏檢 測。 Ⅱ .包含故障的模型方法 :包含故障的模型方法的基本思路是建立管道的動態(tài)模型時預先假定管道有幾處制定的位置發(fā)生泄漏，通過對系統(tǒng)的狀態(tài)估計得到這幾個預先假定的泄漏點的泄漏量估計值，運用適當?shù)呐袆e準則便可以進行泄漏檢測和定位。 使用上述方法建模，然后針對每一個假定的泄漏點分別設計一個獨立的濾波器，利用各個濾波器的信息，運用統(tǒng)計的方法來進行泄漏檢測與定位。該方法由于設計的濾波器太多，計算復雜，不適合實際應用。另一種方法是將管道等分成 N 段，并假定在中間的 i 個指定分段點上的泄漏量為 1L , 2L ,? , iL ，建立包括上述泄漏在內的狀態(tài)空間離散模型，并設計擴展的 Kalman 濾波器來估計這些泄漏量。 Kalman 濾波器的狀態(tài)變量為各段的壓力、流量和預先定義的泄漏量。假定管道只有一個泄漏點，在穩(wěn)定流動的條件下，利用質量守恒和動量守恒原理，可以得到如下關系式來進行泄漏量估計和定位。 泄漏量的估計公式為 ???? 11Ni iLL ?? (21) 泄漏位置的估計公式為 iLNi iL zLLz ????111 ??? (22) 西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 8 式中 Lz? — 泄漏點的估計值 ； iLz— 管道第 i 個分段點的坐標。 通過對 L設置報警限即可進行泄漏檢測和報警。管道系統(tǒng)為分線性分布參數(shù)系統(tǒng)，線性化以后設計的 Kalman 濾波器的過程噪聲是時變的。對時變噪聲采用帶指數(shù)加權的噪聲估計器進行自適應濾波，可使檢測系統(tǒng)的適應能力進一步增強。 該方法的不足之處是 ：檢測和定位精度與分段數(shù) N 有關，當實際泄漏點不處于設定泄漏點上時，將會產生定位誤差 ， 需要設置流量計。 (2) 基于信號處理的方法 基于模型方法的一個共同特點是需要建立較為準確的數(shù)學模型，一些官道上沒有安裝流量計，使得模型方法的使用受到限制?；谛盘柼幚淼姆椒ㄖ饕峭ㄟ^對所檢測管道兩端的壓力和流量信號的分析進行泄漏檢測和泄漏點的定位，不需要建立管道的數(shù)學模型，更符合我國管道的實際情況，具有更為廣泛的應用價值。絕大多數(shù)長輸管道除首末端安裝有供給量用的流量計外，中間管段兩端均沒有流量計，而目前的管道泄漏檢測好泄 漏點的定位幾乎都是按管段進行的，因而基于信號處理的泄漏檢測和定位主要是基于壓力信號進行的。對兩端安裝有流量計的管段，流量信號的引入能使泄漏檢測的性能得到改善?；谛盘柼幚淼姆椒ㄖ饕ǎ夯诹髁啃盘柕牧髁科胶夥?；基于壓力信號的壓力梯度法、壓力點法、統(tǒng)計分析法和負壓波法；基于聲波的方法。 Ⅰ .基于流量信號的流量平衡法：根據(jù)管道兩端出、入口流量是否平衡來檢測管道是佛發(fā)生泄漏，是一種最直觀的方法。定義 ? ?outin EQ ??? (23) 式中 inQ 、 outQ — 分別表示管段上游端的入口流量和管段下游端的出口流量 ； ???E — 數(shù)學期望，在工程上課用一個時間段內的 ? ?outin ? 的平均值來近似 ； Q? — 入、出口流量的差 。 對液體管道來說，近 似認為管內介質為不可壓縮流體，如管段中間沒有分支，則當 Q? 超過一定數(shù)值時，就認為管道發(fā)生 了泄漏。 由于工況條件的變化或者管道內流體參數(shù)的變化，也會使流量在動態(tài)過程中出現(xiàn)不平衡，因而出現(xiàn)誤報。為提高檢測的靈敏度和減少誤報，有以下改進的體積流量平衡法 ? ?ioutin QEQ ???? (24) 式中 iQ — 考慮了熱動態(tài)效應引起的管道流體變化量的計算值。 為了計算 iQ ，需要建立與溫度、壓力、比重、粘度以及摩擦等因素有關的管道動態(tài)模型。改進的流量平衡法在檢漏靈敏度上 比一般的流量平衡法有所提高，誤報率也有所降低，但它需要建立管道的精確動態(tài)模型，增加了復雜性。 西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 9 該方法直管、簡單，但不能對泄漏點進行定位。如果在管道中間增加檢測點，將所有點的流量信號匯總構成流量平衡圖像，根據(jù)圖像的變化特征也可以判斷出泄漏點的大概位置，這種方法不僅增加硬件費用，也給實施帶來困難。 Ⅱ .基于壓力信號的方法：這種方法也包括很多種，其中一些將會在下面的分類方法中提到，此處不再重寫。主要敘述一些沒重復的檢測方法，如壓力點分析法。 壓力點分析法指，管道正在運行時，其壓力值呈連續(xù)變化的穩(wěn)定狀態(tài)。當泄漏發(fā)生 時，泄漏點處出現(xiàn)壓力突降，破壞了原有的穩(wěn)態(tài)，并向新的穩(wěn)態(tài)過渡。泄漏點處產生的負壓波以聲速沿管道向兩個方向傳播，同時把失穩(wěn)的瞬態(tài)傳遞到管道的沿線各點，管道的沿線各點都會出現(xiàn)向新穩(wěn)態(tài)過渡的過程。通過在管道沿線設置壓力檢測傳感器，并用統(tǒng)計的方法分析所檢測到的壓力信號值，提取壓力變化曲線，并與管道處于正常狀態(tài)下的曲線作比較，根據(jù)兩者之間的差別來檢測泄漏。 Ⅲ .基于聲波信號的方法：發(fā)生泄漏時，由于管道內外的壓力差，流體經過漏點時會形成渦流，加上流體和管壁以及周圍環(huán)境的摩擦都會產生泄漏聲波。泄漏產生的信號是由流體激發(fā)的 連續(xù)信號，通常有較寬的頻譜，其頻譜范圍與流體及管壁的性質有關。這種聲波信號在傳播過程中能夠反映泄漏大小、位置等信息，通過一定的信號處理方法能夠從聲波信號中獲得 泄漏 信息。 (3) 基于模式識別和人工神經元網(wǎng)絡的方法 近年來，人工智能的研究取得了很大進展，將人工智能技術應用于管道系統(tǒng)的泄漏檢測方面也做了大量的工作。目前，基于人工智能的泄漏檢測技術主要應用的是基于模式識別和人工神經元網(wǎng)絡的方法。 Ⅰ .基于模式識別的方法：對泄漏產生的瞬態(tài)負壓波進行特征提取和結構模式識別，以此進行泄漏檢測。泄漏引起的壓力波變化與調 泵、調閥等引起的壓力波波形變化特征有相當大的區(qū)別。 負壓波形的描述是通過對波形的分段符號化處理實現(xiàn)的。根據(jù)大量實驗的結果，將管道負壓波形分為穩(wěn)定段、劇變段和持續(xù)段三個波形段。在不同的波形段內選取不同的基元形式，采用模式識別的方法對管道負壓波進行描述，從而建立管道負壓波結構模式的分類系統(tǒng)，用于區(qū)別管道正常調閥狀態(tài)和泄漏狀態(tài)，可以有效降低管道泄漏的漏報率和誤報率，提高泄漏檢測系統(tǒng)的性能。 將負壓波的檢測視為有限長壓力曲線的兩模式分類問題，這兩類模式分別為“是負壓波”和“非負壓波”?！笆秦搲翰ā睂谥С窒蛄繖C (SVM)中的負樣本，“非負壓波”則對應于正樣本。采用 SVM 方法通過有監(jiān)督的學習得到一種非線性分類器，從而自動地檢測出壓力曲線中的負壓波。 Ⅱ .基于人工神經元網(wǎng)絡的方法：人工神經元網(wǎng)絡可以實現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射，它具有模擬任何連續(xù)非線性函數(shù)的能力和從樣本學習的能力，在管道泄漏檢測中取得了一定程度的應用。 西安石油大學 本科 畢業(yè)設計 （論文） 10 科學家提出了一種自適應神經元網(wǎng)絡的算法，算法使用 BP 神經元網(wǎng)絡，采用泄漏信號特征指標構造神經元網(wǎng)絡輸入矩陣，簡歷管道運行狀況的分類神經元網(wǎng)絡模型，以檢測泄漏故障。由于所獲得的訓練數(shù)據(jù)難以包含所有的故障模式 ，使其應用受到限制。 實驗研究表明，基于人工神經元網(wǎng)絡的管道運行狀況分類器能夠較為迅速準確地預報出管道運行狀況，檢測管道是否發(fā)生泄漏，并且有較強的抗環(huán)境噪聲干擾的能力。 目前，國內、外廣泛使用的實時泄漏檢測與定位系統(tǒng)大多數(shù)采用基于負壓波的泄漏檢測和定位方法，這一方面是因為對大多數(shù)長輸管道來說，中間管段的兩端沒有安裝流量計，采用基于負壓波原理的泄漏檢測和定位方法更為實用。另一方面，這種方法采用工業(yè)用壓力變送器即可，并可與已有的管道 SCADA 系統(tǒng)共用壓力變送器的輸出信號，系統(tǒng)簡單，價格便宜。實踐證明，這種方法對 明顯的突發(fā)性泄漏的檢測與定位具有比較好的效果，在實際匯總發(fā)揮了比較好的作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益。但這類方法存在固有的不足：對明顯的突發(fā)性泄漏的檢測與定位效果比較好，對緩變的小泄漏漏報比較多，定位精度比較差；對工況平穩(wěn)的長距離輸送管道來說效果比較好，對工況擾動頻繁的管道來說，誤報比較多；對性能接近不可壓縮流體的液體管道來說效果較好，對氣體管道的泄漏檢測與定位比較差，甚至基本不行。 為了進一步提高系統(tǒng)的性能，特別是解決對氣體管道的泄漏檢測與定位問題，探討新的泄漏檢測原理和方法勢在必行。采用聲波變送器 ，檢測因泄漏產生的聲波信號并進行相應的處理，以進行泄漏檢測與定位可能是一種較有發(fā)展前景的方法。 基于硬件和軟件分類 [9] 根據(jù)檢測過程中所使用的測量手段不同，分為基于硬件的方法和基于軟件的方法。 基于硬件的方法 (1)直接觀察法：最初，油氣長輸管道的泄漏監(jiān)視采用人工分段巡視的方法。該方法不能及時發(fā)現(xiàn)油氣泄漏，只有在管道泄漏處地表面出現(xiàn)油跡，氣味散發(fā)，甚至草枯樹死時才能發(fā)現(xiàn)。且該方法依賴人的敏感性、經驗和責任心，且只能發(fā)現(xiàn)一些較大的泄漏。 (2)泄漏檢測電纜法：本方法是將特殊的 泄漏檢測電纜 (該電纜與管道輸送的介質發(fā)生某種物理或化學反應 )沿管道設置，當管道發(fā)生泄漏時，電纜發(fā)生劣化并被轉化為電信號或光信號輸