【正文】 小, 進(jìn)而造成壓力降低。由于管道中流體不能立即改變流速, 會(huì)在泄漏處和其任一端流體之間產(chǎn)生壓差。該壓差引起液流自上而下流至泄漏處附近的低壓區(qū)。該液流立即擠占因泄漏而引起密度及壓力減小的區(qū)域在臨近泄漏區(qū)域和其上、下游之間又產(chǎn)生新的壓差。泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端的傳感器根據(jù)壓力信號(hào)的變化和泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差，就可以確定泄漏位置。該方法靈敏準(zhǔn)確，無需建立管線的數(shù)學(xué)模型，原理簡(jiǎn)單，適用性很強(qiáng)。但它要求泄漏的發(fā)生是快速突發(fā)性的，對(duì)微小緩慢泄漏不是很有效?；谪?fù)壓波的傳播理論, 提出了兩種定位方法：(1)設(shè)計(jì)了一種能夠快速捕捉負(fù)壓波前鋒到達(dá)壓力測(cè)量點(diǎn)的波形特征點(diǎn)的微分算法, 并基于此種算法進(jìn)行漏點(diǎn)定位；(2)將極性相關(guān)引入漏點(diǎn)定位技術(shù), 通過確定相關(guān)函數(shù)峰值點(diǎn)的方法, 進(jìn)行漏點(diǎn)定位。這兩種定位方法是對(duì)泄漏時(shí)的壓力時(shí)間序列分別從微分和積分, 從瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進(jìn)行處理,提取特征值。這兩種方法配合使用, 相互參照, 能夠提高泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。目前,負(fù)壓波法在我國(guó)輸油管道上進(jìn)行了多次試驗(yàn),取得了令人滿意的效果,但在輸氣管道上的試驗(yàn)并不多。有文獻(xiàn)指出,負(fù)壓波法完全適合于氣體管道的泄漏檢測(cè), ICI 公司曾經(jīng)使用負(fù)壓波法在乙烯管道上進(jìn)行過成功的試驗(yàn)。使用壓力波法時(shí),應(yīng)當(dāng)選用只對(duì)負(fù)壓波敏感的壓力傳感器(因?yàn)樾孤┎粫?huì)產(chǎn)生正壓波),傳感器應(yīng)當(dāng)盡量靠近管道,而且要設(shè)定合適的閾值,這樣可以更好地抑制噪音。 壓力點(diǎn)分析法(PPA)PPA較其它方法體現(xiàn)了許多優(yōu)點(diǎn)。該方法依靠分析由單一測(cè)點(diǎn)取得數(shù)據(jù), 極易實(shí)現(xiàn)。增添測(cè)點(diǎn)可改善性能, 但在技術(shù)上不是必需的。在站場(chǎng)或干線某位置上安裝一個(gè)壓力傳感器, 泄漏時(shí)漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波向檢測(cè)點(diǎn)傳播, 引起該點(diǎn)壓力(或流量)變化, 分析比較檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與正常工況的數(shù)據(jù), 可檢測(cè)出泄漏。再由負(fù)壓波傳播速度和負(fù)壓波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間可進(jìn)行漏點(diǎn)定位。PPA具有使用簡(jiǎn)便、安裝迅速等特點(diǎn)。美國(guó)謝夫隆管道公司(CPL)將PPA法作為其管道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(SCADA)的一部分，試驗(yàn)結(jié)果表明，PPA具有優(yōu)良的檢漏性能，能在10min內(nèi)確定50gal/min的漏失。但壓力點(diǎn)分析法要求捕捉初漏的瞬間信息，所以不能檢測(cè)微滲。該方法使用于檢測(cè)氣體、液體和某些多相流管道，己廣泛應(yīng)用于各種距離和口徑的管道泄漏檢測(cè)。 壓力梯度法壓力梯度法是上世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種技術(shù)，它的原理是：當(dāng)管道正常輸送時(shí)，站間管道的壓力坡降呈斜直線，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，漏點(diǎn)前后的壓力坡降呈折線狀，折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置。壓力梯度法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器，簡(jiǎn)單、直觀，不僅可以檢測(cè)泄漏，而且可確定泄漏點(diǎn)的位置。但因?yàn)楣艿涝趯?shí)際運(yùn)行中，沿線壓力梯度呈非線性分布，因此壓力梯度法的定位精度較差，而且儀表測(cè)量對(duì)定位結(jié)果有很大影響。所以壓力梯度法定位可以作為一個(gè)輔助手段與其它方法一起使用。 小波變換法小波變換即小波分析是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來新的數(shù)學(xué)理論和方法，被稱為數(shù)學(xué)分析的“顯微鏡”，是一種良好的時(shí)頻分析工具。利用小波分析可以檢測(cè)信號(hào)的突變、去噪、提取系統(tǒng)波形特征、提取故障特征進(jìn)行故障分類和識(shí)別等。因此，可以利用小波變換檢測(cè)泄漏引發(fā)的壓力突降點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行消噪，以此檢測(cè)泄漏并提高檢測(cè)的精度。小波變換法的優(yōu)點(diǎn)是不需要管線的數(shù)學(xué)模型，對(duì)輸入信號(hào)的要求較低，計(jì)算量也不大，可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)，克服噪聲能力強(qiáng)，是一種很有前途的泄漏檢測(cè)方法。但應(yīng)注意，此方法對(duì)山工況變化及泄漏引起的壓力突降難以識(shí)別，易產(chǎn)生誤報(bào)警。 互相關(guān)分析法相關(guān)技術(shù)實(shí)質(zhì)是在時(shí)延域中考察兩個(gè)信號(hào)之間的相似性，包含自相關(guān)和互相關(guān)兩個(gè)內(nèi)容。油氣輸送管道管壁一般都是彈性體，流體發(fā)生泄漏時(shí)，流體受壓力噴射而誘發(fā)彈性波并沿管壁內(nèi)傳播。檢測(cè)管道某兩點(diǎn)處的彈性波信號(hào)，分析其互相關(guān)函數(shù),利用相關(guān)時(shí)延技術(shù)便可判定是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。相關(guān)檢漏技術(shù)是綜合振動(dòng)、測(cè)試、信號(hào)處理等許多學(xué)科知識(shí)的高新技術(shù)。用互相關(guān)分析法檢漏和定位靈敏、準(zhǔn)確，只需檢測(cè)壓力信號(hào)，不需要數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量小。但它對(duì)快速突發(fā)性的泄漏比較敏感，對(duì)泄漏速度慢、沒有明顯負(fù)壓波出現(xiàn)的泄漏很難奏效。 基于瞬變流模型的檢漏法文獻(xiàn)[18]介紹了一種基于瞬變流模型的檢漏方法。該方法根據(jù)擬穩(wěn)態(tài)流的假設(shè)，考慮了在瞬態(tài)條件下管道的流量變化和壓力分布。對(duì)一條假設(shè)天然氣管道的研究結(jié)果表明，即使是對(duì)于瞬態(tài)條件，該方法也比以往一些未考慮管道的流量變化和壓力分布的常規(guī)方法更準(zhǔn)確地確定管道的泄漏點(diǎn)。這種方法也能應(yīng)用于設(shè)有能引起管道流量分布突變的配氣站的管道系統(tǒng)。瞬態(tài)模型法主要針對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)泄漏,瞬時(shí)模擬管道運(yùn)行工況,它可以提供確定管道存儲(chǔ)量變化的數(shù)據(jù),為流量平衡法提供參考量。使用管道瞬變模型法的關(guān)鍵在于建立比較準(zhǔn)確的管道流體實(shí)時(shí)模型,以可測(cè)量的參數(shù)作為邊界條件,對(duì)管道內(nèi)的壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果的偏差超過給定值時(shí),即發(fā)出泄漏報(bào)警。 應(yīng)力波法管線由于腐蝕、人為打孔原因破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻的振動(dòng)噪聲，該噪聲以應(yīng)力波的形式沿管壁傳播，強(qiáng)度隨距離按指數(shù)規(guī)律衰減。在管道上安裝對(duì)泄漏噪聲敏感的傳感器，通過分析管道應(yīng)力波信號(hào)功率譜的變化，即可檢測(cè)出流體的泄漏。由于影響管道應(yīng)力波傳播的因素很多，在實(shí)際中很難用解析的方法準(zhǔn)確描述出管道振動(dòng)。有人提出使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)管道正常信號(hào)與泄漏信號(hào)，進(jìn)而對(duì)管道的泄漏進(jìn)行判斷。 基于狀態(tài)估計(jì)的方法該方法根據(jù)質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、能量平衡方程及狀態(tài)方程等機(jī)理建模。得到一個(gè)非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)模型, 通常可采用差分法或特征線法等方法將其線性化。設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),將估計(jì)值作為泄漏檢測(cè)的依據(jù),這就是基于狀態(tài)估計(jì)的方法的基本原理。其中估計(jì)器可以是觀測(cè)器,也可以是Kalman 濾波器。根據(jù)建立模型的方法,這類方法可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。①不包含故障的模型法。不包含故障的模型法的基本思路是,建立管道模型并設(shè)計(jì)估計(jì)器,模型中不含有泄漏的信息。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí),模型估計(jì)值與實(shí)際測(cè)量值將會(huì)產(chǎn)生殘差,可用殘差信號(hào)來進(jìn)行檢測(cè)定位。當(dāng)泄漏量大時(shí),該方法不可行。另外,該方法需要設(shè)置流量計(jì),而且對(duì)于氣體管道,檢測(cè)和定位的響應(yīng)時(shí)間太慢。②包含故障的模型法。包含故障的模型法的基本思路是,建立管道模型時(shí)預(yù)先假設(shè)管道有幾處指定的位置發(fā)生了泄漏, 通過對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)得到這幾個(gè)預(yù)先假設(shè)的泄漏點(diǎn)的泄漏量估計(jì)值, 運(yùn)用適當(dāng)?shù)呐袆e準(zhǔn)則便可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。該方法在長(zhǎng)90 km、內(nèi)徑785 mm 的氣體管道上,在80 min 內(nèi)可檢測(cè)出2 %的泄漏量,并在100min 內(nèi)可完成定位,定位精度比較高。但當(dāng)實(shí)際泄漏點(diǎn)不處于指定泄漏點(diǎn)之間時(shí),定位公式將無法使用。對(duì)于氣體管道,檢測(cè)速度相對(duì)較慢,仍需設(shè)置流量計(jì)。 基于系統(tǒng)辨識(shí)的方法通過系統(tǒng)辨識(shí)來建立模型是工業(yè)上經(jīng)常使用的方法,與基于估計(jì)器的方法相比,具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)和更加精確等優(yōu)點(diǎn),管道的模型也可以通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法來得到。目前,采用的方法是在管道系統(tǒng)上施加M 序列信號(hào),采用線性ARMA 模型結(jié)構(gòu)增加某些非線性項(xiàng)來構(gòu)成管道的模型結(jié)構(gòu),采用辨識(shí)的方法來求解模型參數(shù),并用與估計(jì)器方法類似的原理進(jìn)行檢漏和定位。為了對(duì)管道的泄漏進(jìn)行檢測(cè),可以對(duì)根據(jù)管道實(shí)際情況建立“故障靈敏模型”及“無故障模型”進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算。系統(tǒng)辨識(shí)法的局限性與不包含故障的模型法類似?；谀Ｐ头ǖ囊粋€(gè)共同的問題在于,檢測(cè)管道泄漏時(shí)的響應(yīng)時(shí)間慢,特別是對(duì)于氣體管道。這是由于氣體的動(dòng)態(tài)特性變化比較緩慢,實(shí)際測(cè)量信號(hào)的采樣時(shí)間比較長(zhǎng)的緣故。另外,基于模型的方法無一例外,都要采用實(shí)際測(cè)量的流量信號(hào),由于流量計(jì)價(jià)格昂貴,維護(hù)起來比較困難,因此,我國(guó)多數(shù)管道沒有安裝,而且受流量測(cè)量時(shí)流體成分、溫度以及壓力等參數(shù)變化的影響,測(cè)量的準(zhǔn)確度比較低。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法由于有關(guān)管道泄漏的未知因素很多,采用常規(guī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述存在較大困難,用于泄漏檢測(cè)時(shí),常因誤差很大或易漏報(bào)誤報(bào)而不能用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管道泄漏的方法,不同于已有的基于管道準(zhǔn)確流動(dòng)模型描述的泄漏檢測(cè)法,能夠運(yùn)用自適應(yīng)能力學(xué)習(xí)管道的各種工況,對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行分類識(shí)別,是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類似人類的認(rèn)知過程的方法。試驗(yàn)證明這種方法是十分靈敏和有效的。理論分析和實(shí)踐表明,這種檢漏方法能夠迅速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出管道運(yùn)行情況,檢測(cè)管道運(yùn)行故障并且有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力。泄漏引發(fā)應(yīng)力波適當(dāng)?shù)奶卣魈崛≈笜?biāo)能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算速度。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)計(jì)算研制的管道泄漏檢測(cè)儀器簡(jiǎn)潔實(shí)用,能適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法可推廣應(yīng)用到管道堵塞、積砂、積蠟、變形等多種故障的檢測(cè)中,對(duì)于管網(wǎng)故障診斷有廣泛的應(yīng)用前景。 統(tǒng)計(jì)檢漏法該方法采用一種“順序概率測(cè)試”(SequentialProbability Ratio Test)假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法,從實(shí)際測(cè)量到的流量和壓力信號(hào)中實(shí)時(shí)計(jì)算泄漏發(fā)生的置信概率。在實(shí)際統(tǒng)計(jì)上,輸入和輸出的質(zhì)量流通過流量變化(Inventory Variation)來平衡。在輸入的流量和壓力均值與輸出的流量和壓力均值之間會(huì)有一定的偏差,但大多數(shù)偏差在可以接受的范圍之內(nèi),只有一小部分偏差是真正的異常。通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和檢驗(yàn)零假設(shè),對(duì)偏差的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),來判斷是否出現(xiàn)故障。泄漏發(fā)生后,采用一種最小二乘算法進(jìn)行定位。 水力坡降線法 水力坡降線法的技術(shù)不太復(fù)雜。這種方法是根據(jù)上游站和下游站的流量等參數(shù), 計(jì)算出相應(yīng)的水力坡降, 然后分別按上游站出站壓力和下游站進(jìn)站壓力作圖, 其交點(diǎn)就是理想的泄漏點(diǎn)。但是這種方法要求準(zhǔn)確測(cè)出管道的流量、壓力和溫度值。對(duì)于間距長(zhǎng)達(dá)幾十或百公里的長(zhǎng)輸管道, 由儀表精度造成的誤差可能使泄漏點(diǎn)偏移幾公里到幾十公里, 甚至更遠(yuǎn), 給尋找實(shí)際泄漏點(diǎn)帶來困難。因此,應(yīng)用水力坡降線法尋找長(zhǎng)輸管道泄漏點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮儀表精度的影響。壓力表、溫度計(jì)和流量計(jì)等的精度對(duì)泄漏點(diǎn)的判定都有直接關(guān)系。把上、下游站這3種儀表的最大和最小兩種極端情況按照排列組合方式, 可以構(gòu)成64 種組合, 其中有2 種組合決定泄漏區(qū)間的上、下游極端點(diǎn)。目前這種方法較少采用。檢漏方法性能指標(biāo) 泄漏檢測(cè)性能指標(biāo)一個(gè)高效可靠的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)，必須在微小的泄漏發(fā)生時(shí)，在最短的時(shí)間內(nèi)，正確地報(bào)警，準(zhǔn)確地指出泄漏位置，并較好地估計(jì)出泄漏量，而且對(duì)工況的變化適應(yīng)性要強(qiáng)，也即泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)誤報(bào)率、漏報(bào)率低，魯棒性強(qiáng)，當(dāng)然還應(yīng)便于維護(hù)。歸結(jié)起來可分為:靈敏性、定位精度、響應(yīng)時(shí)間、誤報(bào)率、評(píng)估能力、適應(yīng)能力、有效性、維護(hù)要求、費(fèi)用。 診斷性能指標(biāo)1)正常工序操作和泄漏的分離能力:是指對(duì)正常的起/ 停泵、調(diào)閥、倒罐等情況和管道泄漏情況的區(qū)分能力。這種區(qū)分能力越強(qiáng),誤報(bào)率越低。2)泄漏辨識(shí)的準(zhǔn)確性:指泄漏檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)泄漏的大小及其時(shí)變特性的估計(jì)的準(zhǔn)確程度。對(duì)于泄漏時(shí)變特性的準(zhǔn)確估計(jì),不僅可識(shí)別泄漏的程度,而且可對(duì)老化、腐蝕的管道進(jìn)行預(yù)測(cè)并給出一個(gè)合理的處理方法。 綜合性能指標(biāo)1)魯棒性:指泄漏診斷系統(tǒng)在存有噪聲、干擾、建模誤差等情況下正確完成泄漏診斷的任務(wù),同時(shí)保證滿意的誤報(bào)率和漏報(bào)率的能力。診斷系統(tǒng)魯棒性越強(qiáng),可靠性就越高。2)自適應(yīng)能力:指診斷系統(tǒng)對(duì)于變化的診斷對(duì)象具有自適應(yīng)能力,并且能夠充分利用由于變化產(chǎn)生的新的信息來改善自身。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,首先要正確分析工況條件及最終性能要求,明確各性能要求的主次關(guān)系,然后從眾多的泄漏檢測(cè)方法中進(jìn)行分析,經(jīng)過適當(dāng)權(quán)衡和取舍,最后選定最優(yōu)解決方案。4 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)與定位具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,盡管已經(jīng)取得很大的進(jìn)步,工程實(shí)踐中已得到應(yīng)用,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也暴露了許多尚需解決的問題。例如長(zhǎng)輸管道的小泄漏檢測(cè)和定位仍是重點(diǎn)攻克問題；如何增強(qiáng)泄漏檢測(cè)和定位系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)能力；如何將多種方法有機(jī)的結(jié)合起來進(jìn)行綜合診斷,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合診斷性能；如何有效解決長(zhǎng)輸管道的非線性分布參數(shù)的時(shí)間滯后問題等。目前的泄漏檢測(cè)和定位手段是多學(xué)科多技術(shù)的集成,特別是隨著傳感器技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)等發(fā)展,為泄漏檢測(cè)定位方法帶來了新的活力,可對(duì)諸如流量、壓力、溫度、密度、粘度等管道和流體信息進(jìn)行采集和處理,通過建立數(shù)學(xué)模型或通過信號(hào)處理,或通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式分類，或通過模糊理論對(duì)檢測(cè)區(qū)域或信號(hào)進(jìn)行模糊劃分,利用粗糙集理論簡(jiǎn)約模糊規(guī)則,從而提取故障特征等基于知識(shí)的方法進(jìn)行檢測(cè)和定位。將建立管道的數(shù)學(xué)模型和某種信號(hào)處理方法相結(jié)合、將管外檢測(cè)技術(shù)和管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合、將智能方法引入檢測(cè)和定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位等是一研究方向。