【正文】 儲模塊、 GPS 時間同步模塊等。子站系統(tǒng)與中心站系統(tǒng)一般通過光纖或衛(wèi)星進行通信。 負壓波泄漏檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 硬件構(gòu)成 基于負壓波的管道泄漏檢測系統(tǒng)一般由中心站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)組成。 負壓波的優(yōu)點是檢測速度快、定位準確、成本費用低。 管線的長度通過實際測量可得到，壓力波傳播的速度可以根據(jù)流體介質(zhì)的特性得到，而首末兩端壓力下降的時間點 1t 和 2t 根據(jù) 對 壓力 波形的分析獲得。 定位公式經(jīng)推導得： aLtt ?? 21 (32) ttt ??? 21 (33) atx 1? (34) 綜上三個公式得到： 2 atLx ???? (35) 由公式 (35)可以看出，負壓波用于泄漏檢測與定位的 關(guān)鍵就在于負壓波速 a 和時間差t? 的獲取。利用該負壓波信號到達上下游的時間差，可以定位該泄漏點的具體位置。 由于泄漏產(chǎn)生的壓力波動可以參照水擊壓力計算方法來計算，介質(zhì)流速的瞬時變化引起的壓力值的變化為： )(2 0vvagp ??? ? (31) 式中 p? — 由于 介質(zhì)流速瞬時變化引起的壓力差； 西安石油大學 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 15 ? — 介質(zhì)的 重度， kg/m3； g— 重力加速度 ,m/s2； a — 負壓波在該管道中的傳播 速度 ， m/s； v — 正常輸送時介質(zhì)的流速， m/s； 0v — 瞬變后的介質(zhì)流速， m/s。因此，這種方法對數(shù)公里的管道可以在幾秒鐘內(nèi)檢出，具有極快的響應(yīng)速度，為及時檢測出泄漏，防止事故擴大，減少損失贏得寶貴時間。由負壓波的傳播速度和管道首末兩端壓力傳感器捕捉到的負壓波到達的時間差，就可以進行定位。 沿管道傳播的負壓波包含有關(guān)泄漏的信息，由于管道的波導作用，它能夠傳播數(shù)十公里以上的較遠距離。這種現(xiàn)象依次向泄漏區(qū)上下游擴散，這在水力學上稱為負壓波。 負壓波的形成 當流體輸送管道因機械、人為、材料失效等原因發(fā)生泄漏時，其泄漏部分立即有物質(zhì)損失，由此引起故障場所的流體密度減小，壓力下降。在生產(chǎn)上，把這種管道壓力突然發(fā)生瞬變，可能危及管道及設(shè)備安全的不穩(wěn)定狀態(tài)稱之為水擊。通常，管道在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，流體介質(zhì)各個截面上的流速與壓力平均值保持不變，或者變化很微小。但該技術(shù)在定位時只能定位到段，而不能進行更精確的定位。以管道系統(tǒng)泄漏后形成多相端射流所引發(fā)的應(yīng)力波信號構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矩陣，建立對管道運行狀況進行分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并提出以波峰、波谷、水平線等模式基元抽取負壓波波形特征，采用上下文無關(guān)文法對管道負壓波進行描述，進而建立了管道負壓波波形結(jié)構(gòu)的分類系統(tǒng)，用于區(qū)別管道正常狀態(tài)和泄漏狀態(tài)。 (2) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識別的方法 由于管道泄漏時未知因素很多，采用常規(guī)的數(shù)學模型存在一定的差異。它的原理是通過對管道發(fā)生泄漏時產(chǎn)生的壓力和流量間的變化關(guān)系進行分析，采用序貫概率比和模式識別的方法，構(gòu) 成兩種模態(tài)的假設(shè)實驗，通過統(tǒng)計分析技術(shù)對實測的壓力、流量間的這種變化進行分析，以此來檢測泄漏，并采用最小二乘法對泄漏進行定位。目前主要有以下幾種方法。但應(yīng)注意，此方法很難區(qū)別信號的突變點是由工況變化引起的還是由泄漏所引起的，故易產(chǎn)生誤報警。因此，可以利用小波變換技術(shù)對其進行消噪并檢測泄漏引發(fā)的壓力突降點，以此檢測泄漏并提高檢測的精度。 小波變換即小波分析是 20 世紀 80 年代中期發(fā)展起來的新的數(shù)學理論和方法，被稱為數(shù)學分析的“顯微鏡”，是一種良好的時頻分析工具。 (3)狀態(tài)估計法：該方法是將被檢測的管道分為 N1 段，并設(shè)每個分段上有三個狀態(tài)：壓力、流量和泄漏量，建立包括泄漏在內(nèi)的管線動態(tài)數(shù)學模型，利用擴展的Kalman 濾波器對系統(tǒng)進行狀態(tài)估計，由估計到的泄漏量及對應(yīng)點的位置進行泄漏的西安石油大學 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 13 檢測和定位。目前有通過對單一管道系統(tǒng)的單點或多點泄漏、串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分支管道等不同類型的管道系統(tǒng)的仿真實驗，證明了該方法的廣泛適用性。 (2)頻率響應(yīng)法：該方法是將管道系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換到頻域來進行管道泄漏檢測和定位分析的。相關(guān)分析法對區(qū)分正常操作與泄漏狀態(tài)的差別有很大的借鑒意義。油氣輸送管道一般都為彈性體，流體發(fā)生泄 漏時，受壓力噴射而誘發(fā)彈性波，分析其相關(guān)函數(shù)，利用相關(guān)時延技術(shù)即可判斷是否發(fā)生泄漏及泄漏的位置。根據(jù)對殘差分析方法的不同，又可分為相關(guān)分析法、頻率響應(yīng)法和狀態(tài)估計法。 基于殘差分析的方法 該方法的基本思想是將含有一定泄漏信息的測量值與無泄漏狀態(tài)下反應(yīng)實際操作的參考值進行對比，兩者的殘差即為分析泄漏存在與否的依據(jù)。內(nèi)部檢測法是指將檢測裝置置于管道內(nèi)部，或行走或固定，通過測量管道的內(nèi)部狀況進行泄漏的檢測；外部檢測法是指在管道外通過鋪設(shè)敏感介質(zhì)或安裝傳感器等各種方法所進行的泄漏檢測。直接檢測法是直接用測量裝置對管線周 圍的介質(zhì)進行測量，判斷有無泄漏發(fā)生；間接檢測法是根據(jù)泄漏引起的管道流量、壓力等參數(shù)及聲、光、電等方面變化進行泄漏檢測。它西安石油大學 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 12 使用序貫概率比的方法和模式識別技術(shù)對實測的壓力、流量值進行分析，連續(xù)計算發(fā)生泄漏的概率，并利用最小二乘法進行泄漏點定位。 (5)統(tǒng)計決策方法：統(tǒng)計決策方法是殼牌公司開發(fā)的一種新型的管道泄漏檢測方法。當實測值 與計算值的偏差大于一定范圍時，即為發(fā)生了泄漏。 (4)實時模型法：實時模型是近年來國際上著力研究的檢測管道泄漏的方法。檢測管道多點位的輸入和輸出流量，或檢測管道兩端泵站的流量并將信號匯總構(gòu)成質(zhì)量流量平衡圖像，根據(jù)圖像的變化特征就可確定泄漏的程度和大致的位置。 (3)質(zhì)量平衡法：質(zhì)量平衡法基于管道流體流動的質(zhì)量守恒關(guān)系，在管道無泄漏的情況下進入管道的流 體質(zhì)量流量等于流出管道的流體質(zhì)量流量。 (2)壓力梯度法：壓力梯度法發(fā)展與 20 世紀 80 年代末，它的原理是正常輸送時站間管道的壓力坡降呈斜直線；當發(fā)生泄漏時，漏點前的流量變大、坡降變陡，漏點后的流量變小、坡降變平，沿線的壓力坡降呈折線狀，折點即為泄漏點，據(jù)此可算出實際泄漏位置。上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬時壓力降的波形就可以進行泄漏判斷，根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時間差和負壓波的傳播速度就可以定出泄漏點。當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時壓力的減壓波就稱為負壓波?；谲浖姆椒ㄓ腥缦聨追N。 20 世紀 80 年代以來，隨著計算機、信號處理、模式識別等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于 SCADA 系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集泄漏檢測技術(shù)受到了人們越來越多的關(guān)注，并逐漸發(fā)展為檢測技術(shù)的主流和趨勢。 (4)光纖泄漏檢測法：用光纖傳感器檢測管道泄漏的方法是根據(jù)管道中輸送的熱西安石油大學 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 11 物質(zhì)泄漏引起周圍環(huán)境溫度的變化，利 用分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測量沿管道的溫度分布，當管道的溫度變化超過一定范圍，就可以判斷發(fā)生了泄漏。 (3)示蹤劑檢測法：在管道所輸送介質(zhì)中摻入液體示蹤劑，當管道泄漏時，從管道中流出的流體中的示蹤劑揮發(fā)，并通過分子擴散彌漫到周圍的土壤中，搜集這些氣體并分析檢測管道的泄漏。且該方法依賴人的敏感性、經(jīng)驗和責任心，且只能發(fā)現(xiàn)一些較大的泄漏。 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。采用聲波變送器 ，檢測因泄漏產(chǎn)生的聲波信號并進行相應(yīng)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。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。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。 實驗研究表明，基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)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。 西安石油大學 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 10 科學家提出了一種自適應(yīng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的算法，算法使用 BP 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，采用泄漏信號特征指標構(gòu)造神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入矩陣，簡歷管道運行狀況的分類神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，以檢測泄漏故障。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。 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”。根據(jù)大量實驗的結(jié)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。泄漏引起的壓力波變化與調(diào) 泵、調(diào)閥等引起的壓力波波形變化特征有相當大的區(qū)別。目前，基于人工智能的泄漏檢測技術(shù)主要應(yīng)用的是基于模式識別和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法。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。 Ⅲ .基于聲波信號的方法：發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外的壓力差，流體經(jīng)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(chǎn)生泄漏聲波。泄漏點處產(chǎn)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。 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)。 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。 西安石油大學 本科 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 9 該方法直管、簡單，但不能對泄漏點進行定位。 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(guān)的管道動態(tài)模型。 由于工況條件的變化或者管道內(nèi)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。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(nèi)的 ? ?outin ? 的平均值來近似 ； Q? — 入、出口流量的差 ?；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。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。 (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。對時變噪聲采用帶指數(shù)加權(quán)的噪聲估計器進行自適應(yīng)濾波，可使檢測系統(tǒng)的適應(yīng)能力進一步增強。 通過對 L設(shè)置報警限即可進行泄漏檢測和報警。假定管道只有一個泄漏點，在穩(wěn)定流動的條件下，利用質(zhì)量守恒和動量守恒原理，可以得到如下關(guān)系式來進行泄漏量估計和定位。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(nèi)的狀態(tài)空間離散模型，并設(shè)計擴展的 Kalman 濾波器來估計這些泄漏量。 使用上述方法建模，然后針對每一個假定的泄漏點分別設(shè)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。 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(shè)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(chǎn)生偏差，根據(jù)偏差進行泄漏檢 測。狀態(tài)估計器可以是觀測器，也可是卡爾曼 (Kalman)濾波器。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。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。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。管內(nèi)探測球敏感性好，定位準確，但是無法連續(xù)探測，隨介質(zhì)漂流時容易發(fā)生堵塞事故，且價格昂貴?；诔暭夹g(shù)的管內(nèi)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(guān)于管壁厚度的信息?；诼┐偶夹g(shù)的管內(nèi)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。管內(nèi)探測球 (PIG)[4]是一種基于漏磁技術(shù)或超聲波技術(shù)、可在管道內(nèi)隨介質(zhì)漂流的探測工具。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。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(nèi)反映出來。 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。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(zhì)和包層中的化學成分相遇的時候，發(fā)生化學反應(yīng)，使包層的