【正文】 (24) 式中 iQ — 考慮了熱動態(tài)效應(yīng)引起的管道流體變化量的計(jì)算值。如果在管道中間增加檢測點(diǎn)，將所有點(diǎn)的流量信號匯總構(gòu)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(diǎn)的大概位置，這種方法不僅增加硬件費(fèi)用，也給實(shí)施帶來困難。當(dāng)泄漏發(fā)生 時，泄漏點(diǎn)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。泄漏產(chǎn)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(zhì)有關(guān)。 Ⅰ .基于模式識別的方法：對泄漏產(chǎn)生的瞬態(tài)負(fù)壓波進(jìn)行特征提取和結(jié)構(gòu)模式識別，以此進(jìn)行泄漏檢測。在不同的波形段內(nèi)選取不同的基元形式，采用模式識別的方法對管道負(fù)壓波進(jìn)行描述，從而建立管道負(fù)壓波結(jié)構(gòu)模式的分類系統(tǒng)，用于區(qū)別管道正常調(diào)閥狀態(tài)和泄漏狀態(tài)，可以有效降低管道泄漏的漏報(bào)率和誤報(bào)率，提高泄漏檢測系統(tǒng)的性能。 Ⅱ .基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)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(xué)習(xí)的能力，在管道泄漏檢測中取得了一定程度的應(yīng)用。 目前，國內(nèi)、外廣泛使用的實(shí)時泄漏檢測與定位系統(tǒng)大多數(shù)采用基于負(fù)壓波的泄漏檢測和定位方法，這一方面是因?yàn)閷Υ蠖鄶?shù)長輸管道來說，中間管段的兩端沒有安裝流量計(jì)，采用基于負(fù)壓波原理的泄漏檢測和定位方法更為實(shí)用。 為了進(jìn)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。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)。但該方法檢測反應(yīng)速度較慢，檢測周圍環(huán)境的變化工作量較大，不能精確定位。這類方法主要是對實(shí) 時采集的溫度、流量、壓力信號進(jìn)行實(shí)時分析和處理，以此來檢測泄漏并定位。該波以一定速度自泄漏點(diǎn)向兩端傳播，經(jīng)過若干時間后分別傳到上下游。該法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡單、直觀，不僅可以檢測泄漏，而且可以確定泄漏點(diǎn)的位置。該方法簡單、直觀。在泄漏定位中使用穩(wěn)態(tài)模型，根據(jù)管道內(nèi)的壓力梯度變化可以確定泄漏點(diǎn)的位置。 根據(jù)測量媒介分類 [9] 根據(jù)測量分析的媒介不同可分為直接檢測法和間接檢測法。 基于信號處理的方式分類 [10] 泄漏檢測方法的技術(shù)難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理方面，根據(jù)對信號處理的方式不同 ，將其分為三類：基于殘差分析的方法、基于信號分析的方法及基于人工智能的方法。 (1)相關(guān)分析法：相關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在時延域中考察兩個信號的相似性，包括自相關(guān)和互相關(guān)兩個內(nèi)容。該方法可用單傳感器進(jìn)行檢測，從而減少設(shè)備成本，降低了安裝和維護(hù)費(fèi)用。該方法相比于時域分析，具有節(jié)約時間，提高檢測速度的優(yōu)點(diǎn)。利用小波分析可以檢測信號的突變、去噪、提取系統(tǒng)波形特征、提取故障特征進(jìn)行故障分析和識別等。 基于人工智能的方法 隨著智能技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等技術(shù)在管道泄漏檢測中展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。該方法特點(diǎn)是不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可連續(xù)進(jìn)行檢測，并且具有記憶功能、適應(yīng)性強(qiáng)、誤報(bào)率低、檢測精度高、靈敏、能檢測出 %的微小泄漏，且安裝方便、簡單易于維護(hù)等特點(diǎn)，尤其對已具備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管道運(yùn)輸系統(tǒng)，采用該技術(shù)對其進(jìn)行嵌入所需投入較小。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)管道的運(yùn)行狀況，適用于惡劣環(huán)境中對管道進(jìn)行連續(xù)在線檢測，它還可根據(jù)環(huán)境的變化及誤報(bào)警自動糾正更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是抗噪聲干擾能力強(qiáng)，檢測精度高 、靈敏，能檢測到 1%的微小泄漏，且保持很低的誤報(bào)警率。由于介質(zhì)的流動性，具有“牽一發(fā)而動全身”的特點(diǎn)，所輸介質(zhì)的改變、局部管道輸送條件的變化、運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整、泵站設(shè)備故障、介質(zhì)泄漏等都會引起管道中流體介質(zhì)的水力狀態(tài)發(fā)生變化，尤其在突然啟停泵、快速開關(guān)閥門時，管 道中介質(zhì)各個截面上的流速與壓力將會發(fā)生急劇變化，管道運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞。由于連續(xù)性，管道中的流體不會立即改變速度，流體在泄漏點(diǎn)和相鄰的兩邊區(qū)域之 間的壓力差導(dǎo)致流體從上下游區(qū)域內(nèi)向泄漏區(qū)填充，從而引起與泄漏區(qū)相鄰的區(qū)域的密度和壓力的降低。在管道兩端安裝的壓力傳感器捕捉到包含 泄漏 信息的負(fù)壓波，就可以檢測出泄漏。 負(fù)壓波的傳播 當(dāng)管道在距上游端 X 處發(fā)生泄漏時，該點(diǎn)的壓力降低產(chǎn)生壓力波動，這個壓力降P? 向管道兩端傳播， P? 向兩端的傳播速度為 ? 0? ，向末端的傳播速度為 ? + 0? 。負(fù)壓波泄漏檢測示意圖如下圖 31： 設(shè) 1t 和 2t 分別為負(fù)壓波信號從泄漏點(diǎn)處傳輸帶管道上、下游壓力變送器時所消耗的時間 (s)； a 為負(fù)壓波在管內(nèi)介質(zhì)中的傳播速度 (m/s)； x 為泄漏點(diǎn)到管道上游壓變的距離 (m)； L 為管道上、下游壓變之間的距離 (m)。因此，軟件的關(guān)鍵是根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地找到首末兩端壓力下降的時間差。子 站系統(tǒng)包括現(xiàn)場壓力變送器、 PLC 系統(tǒng)、信號調(diào)理單元、通信終端機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)；中心站系統(tǒng)包括 SCADA 主機(jī)、存儲設(shè)備、打印機(jī)、 GPS 授時系統(tǒng)、顯示終端、培訓(xùn)計(jì)算機(jī)、操作員工站等。 (2) 站控軟件 站控軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分 析、數(shù)據(jù)存儲、 GPS 時間同步和數(shù)據(jù)通信模塊組成。因此數(shù)據(jù)在傳輸之前，必須添加時間標(biāo)簽，記錄數(shù)值發(fā)生的精確時刻。但它要求泄漏的發(fā)生時快速突發(fā)性的，對 微小 緩慢泄漏不是很有效。 在管道工況復(fù)雜時，基于負(fù)壓波的管道泄漏檢測定位技術(shù)很難得到令人滿意的檢測效果，原因是是因?yàn)槠湓硭?。對第三個問題，國外有人提出在管道兩端各安裝兩個傳感器，通過判斷負(fù)壓波的傳播方向來判定泄漏。由于長距離輸油管線多在無人區(qū)，地理?xiàng)l件差，當(dāng)管道中間某點(diǎn)發(fā)生突發(fā)性泄漏時，依靠人工巡線比較困難，而且速度慢。 為簡化起見，下文中將 )(21, ?PP?簡寫為 )(?? 。設(shè)采樣時間間隔為 sT ，管長為 L ，負(fù)壓波的傳播速度為 v ，則壓力數(shù)組的長度 N 選為 daTLN S ???? )(2 式 中， d? 相應(yīng) 于管道內(nèi)流體的狀態(tài)從舊穩(wěn)態(tài)到新穩(wěn)態(tài)所需的時間； aL 表示壓力波從一端傳到另一端所需的時間； )( SaTL 為相應(yīng)的 采樣點(diǎn)數(shù)。廣義相關(guān)分析是在相關(guān)分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它通過前置濾波以得到更好的估計(jì)結(jié)果 [13]。假設(shè)負(fù)壓西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 19 波信號經(jīng)過兩個相隔一定距離的壓力傳感器接受后得到的信號為 )(1tx 和 )(2tx ，則)(1tx 和 )(2tx 的互相關(guān)函數(shù)為 ? ?)()()( 21, 21 ?? ?? txtxER xx (311) )(21, ?xxR 的峰值 所對應(yīng)的 ? 即為兩個傳感器接收到負(fù)壓波信號的時間差的估計(jì)值 0? 0? = ? ?)()(max)(max 21, 21 ?? ?? ?? txtxER xx (312) 在計(jì)算互相關(guān)函數(shù)時，如果直接通過式 (311)計(jì)算，計(jì)算復(fù)雜度為 )( 2N? ，其中 N 為)(1tx 的采樣數(shù)據(jù)長度，當(dāng)管道長、采樣率高時，計(jì)算量大。由于直接計(jì)算 )(21, ?xxR總共需要移位 N2 次，總的計(jì)算量為 )( 2N? ， 而在圖 32 中避免了移位計(jì)算過程，且可采用快速傅里葉變換算法，因而總計(jì)算量大大降低，僅為 )log( NN? 。從動態(tài)特性的角度，泄漏點(diǎn)到官道上游端和下游端管段的信號傳輸通道可近似看成一個慣性環(huán)節(jié)加純延遲，其傳遞函數(shù)可以表示為 [15] ?????????? ?????? ???????ssdsddsdesHeasasa bsbsbsHesHeasasa bsbsbsH2211)(?)()(?)(20,21,222,20,21,222,2210,11,122,10,11,122,11 (315) 式中， )(?1 sH ， )(?2 sH 分別為 上述信號通道除純延遲以外的慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 由式 (317)可以看到，測量信號的互相關(guān)函數(shù) )(21, ?xxR與三個因素有關(guān) ：負(fù)壓波傳輸通道的動態(tài)特性 )(?th (包括 信號傳輸通道對源信號的衰減作用和慣性環(huán)節(jié)特性對信號波形的影響 )， 源信號 的自相關(guān)函數(shù) )(, ?ssR 和反映在沖激函數(shù)中的時延信息 D 。 另一方面，管內(nèi)介質(zhì)的可壓縮性和摩阻的存在，負(fù)壓波傳輸通道的動態(tài)特性 )(?th 表現(xiàn)為慣性環(huán)節(jié)的特性 ，使得源信號在傳播過程中會產(chǎn)生波形的變化，給測量信號 )(1tx和 )(2tx 的互相關(guān)函數(shù)的峰值位置的確定帶來困難，對基于相關(guān)分析的泄漏點(diǎn)的定位產(chǎn)生不利影響。 )(1ty 和 )(2ty 的互功率譜為 )()()()( 2121 ,*21, ?????? xxyy GG ? (319) 因此，其互相關(guān)函數(shù)為 ?????? ? deGR jwxxyy )()(21)( 2121 , ?????? (320) 其中 )()()( *21 ?????? ? (321) 在實(shí)際中， )(21, ?xxG根據(jù) 實(shí)測數(shù)據(jù) )(1tx 和 )(2tx 計(jì)算出來， )(?? 為選定 的前置濾波器的函數(shù)。 當(dāng)采用 Roth 脈沖響應(yīng)濾波器時，圖 31 所示前置濾波器輸出的互相關(guān)函 數(shù)為 [4] ?????????? ?? deGGdeGR jwxxxxjwxxyy ?? ???????? ?? )()(2 1)()(2 1)(11212121 , (322) 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 23 式中前置濾波器的傳遞函數(shù) ? ? )(111, ??? xxG?可通過實(shí)測泄漏信號 )(1tx 計(jì)算得到。在 ? ?ud ??, 外，即 u??? 或者 d??? 時，源信號的譜功率就很小，就可以認(rèn)為 ? ? 0, ??ssG ， 此時，式 (324)可改寫成 ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ????? ??????? ??? deGGHH GHHDR jwnnssssyy ud? ????1121 ,*11*21, ~~~~2 1)( ， ， ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ??????????????? deGGGHHHHD jwssnnssud? ????， 11,*11*21~~~~21 ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ????? ??? deHH HHD jwud???? *11*21 ~~ ~~21 (325) 從上面的 分析可見，當(dāng)泄漏源信號為類階躍信號，且泄 漏點(diǎn)位于管段中間 (此時? ? ? ??? 21 ~~ HH ? )時，經(jīng)過前置濾波后的互相關(guān)函數(shù) )(21, ?yyR 與泄漏點(diǎn)到上、下游端的管段的 ? ??2~H 與 ? ??2~H 無關(guān) 。 理論上，若取 Roth 脈沖響應(yīng)濾波器 ? ? )(111, ??? xxG?，也能得到類似的效果。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 25 ` 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 26 下面以一條具體的管道為例，研究廣義相關(guān)分析方法 (前置濾波器分別采用 Roth、SCOT、 PHAT)在泄漏定位中的應(yīng)用。 表 32 基于負(fù)壓波信號的泄漏定位結(jié)果 定位結(jié)果 編號 泄漏位置 (km) 相關(guān)分析 Roth SCOT PHAT 1 16 16 16 16 2 10 3 27 4 10 5 6 6 7 6 8 10 16 由表 32 看到，在第 2 組數(shù)據(jù)中，壓力比較平穩(wěn)，泄漏信號比較規(guī)則，相關(guān)分析方法和廣義相關(guān)分析方法都得到了比較準(zhǔn)確的結(jié)果。由此可見，廣義相關(guān)分析方法可以有效地減小緩慢泄漏、管道特性等因素所引起的泄漏信號不規(guī)則對定位的影響，可以提高泄漏點(diǎn)的定位精度。對系統(tǒng)的連續(xù)輸入、輸出信號進(jìn)行采樣所得到的按觀測時間順序依次排列的有序數(shù)據(jù)就是時間序列信號，簡稱時序信號。如當(dāng)長距離輸油管線發(fā)生泄漏時，管內(nèi)的壓力分布發(fā)生變化，若將反映壓力分布的觀測數(shù)據(jù)作為輸出，那么產(chǎn)生輸出的相應(yīng)系統(tǒng)和輸入雖然是具體的，但在實(shí)際管線中，站與站之間的管線上無流量測量儀表，因而作為輸入的流量無法識別。 近年來，時序參數(shù)模型方法在故障診斷中得到廣泛的應(yīng)用。 采用時序分析的方法 進(jìn)行故障檢測大致包括四個方面：特征信號的選擇、模式向量的形成、判別函數(shù)的構(gòu)造和系統(tǒng)模式的