本科毕业论文-基于负压波的直管泄漏检测技术研究

1绪论11管道泄漏检测的背景意义在当今能源缺失的大环境下，节约现有能源和开发科再生能源是国际各种能源组织的重大课题。近年来，已有很多西方大国为了能源而不惜大打出手，向很多拥有大能源的小国发起能源侵略战争，相反的有些东方大国却是和和这些用于大量能源的小国建立能源合作关系，从而满足自身的能源需求。在这样的大环境下，最节约能源的方式就是减少能源流失和泄漏。石油行业中，使用管道运输流体是一种经济、方便的运输方式，和其他运输方式相比，它具有高效、安全、经济、便于控制和管理等多项优点，因此在石油、天然气及其他流体运输中占重要地位。据不完全统计，我国目前已建成的各类输送管线长度已达到60000余千米。但是由于管道设备老化，地理条件的变化如滑坡、地震等以及人为原因，管道泄漏事故经常发生1。管道一旦泄漏，不仅会带来因流体流失而造成的直接经济损失和对环境的污染，严重情况下，还可能发生爆炸和引起火灾，甚至造成人员伤亡。例如1993年委内瑞拉的一条天然气管道发生泄漏引起火灾，烧死51人2。管道输送石油产品的泄漏不仅造成宝贵自然资源的浪费、环境污染和影响油田的正常生产，危害工农业生产和人民生活，更重要的是，由于石油产品是易燃、易爆物品，甚至可能具有较强的腐蚀性，泄漏的石油产品还将直接威胁输油管道、设施的安全运行和人民生命财产，进而造成更大的间接损失和恶性事故。所以，及时、准确地发现管道输送石油产品的泄漏、泄漏位置和泄漏量具有重大意义。我国输油管道自动化水平的提高为管道泄漏检测技术的应用创造了条件，但目前所采集的数据仅服务于一些简单的应用，未能充分发挥自动控制系统的作用，因此，发展管道泄漏检测技术已成当务之急，对石油产品管道的调度、管理和维护以及充分发挥自动控制系统的作用具有重大和深远的影响。12管道泄漏检测和定位技术的研究现状121国内外研究现状国外输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自20世纪70年代以来，就在许多油气管道中安装了泄漏检测系统，效果显著。我国在80年代以来，数家单位相继开展了流体管道泄漏检测的研究工作，对流体的性质、流体的流动、传热及过程控制系统进行了实验和研究。虽然对管道泄漏检测和定位方法的研究已有几十年的历史，但由于管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式的多样性及检测的复杂性，使得目前没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏检测和定位问题，特别是小流量的泄漏检测和泄漏点定位问题。所以，加强管道泄漏检测和定位技术的研究和应用，提高管道输送管理水平，减少经济损失和环境污染，具有重要的现实意义。1211泄漏检测技术的发展趋势国外在泄漏检测方面起步较早，已经形成了较为成熟的理论体系和专用技术，广泛使用在石油产品输送管道的泄漏检测中，而我国在这方面的起步较晚，所做的工作还非常有限。20世纪80年代，国内的研究成果是在城市供水、煤气管道或者在实验室内搭设的等温、随机干扰少、介质状态水、煤气等稳定的小型管道上实验基础上得出的，没有涉及实际的原油、成品油或天然气的集输或长输管道的情况。在实际工业管道的运行中存在大量复杂的问题，如工况的正常调节、输送介质形态随温降的连续变化等都是实验室中研究难以完全涵盖的。虽然目前国际上已有多种检测管道泄漏的方法，有多家公司提供管道泄漏检测方面的软件包，如ATMOSPIPE、ATS、LOGICA等基于全线远程数据采集和监控SCADA系统的管道检测软件包，但这些系统的价格一般在数百万美元，由此可见其引进费用极其昂贵。进入90年代以来，我国的一些科研小组在工业管道上进行了一定的研究工作，尤其针对于穿越沙漠、海底、沼泽等特殊环境下的输送管道，需要充分利用管道油品输送的流动特性，它是运用现代分析方法和控制理论，对所采集的管道运行数据进行处理，结合管道流体的流动规律，实现管道泄漏检测和定位，人们称这种方法为现代管道泄漏检测和定位技术。随着经济的快速发展，我国必将成为一个世界管道大国，对管道泄漏检测系统的要求也日益迫切，因而利用自动检测技术，研制开发一种适合我国管道状况的泄漏检测与定位系统，对于我国经济发展、提高安全生产效率将有重要意义。此后，人们还尝试了各种新的方法和手段，以提高泄漏检测的灵敏度和更加准确地判断泄漏点位置，逐步建立起了现代管道泄漏检测定位的理论体系，填补可这方面的空白。通过研制和开发新型高效的管道泄漏检测系统来提高泄漏检测与定位的灵敏度、精确度和可靠性，管道泄漏检测技术有如下的发展趋势1泄漏检测系统和SCADA系统的结合。SCADA系统不仅能为泄漏检测提供数据来源，而且能对管道的运行状况进行监控，是管道自动化的发展方向。由于单一的泄漏检测系统并不经济，因此将它集成到SCADA系统中，充分利用SCADA系统的功能，成为SCADA系统不可或缺的一部分。2多泄漏点、管网泄漏检测与定位的研究。目前的管道泄漏检测和定位技术的研究多是事对单根官道上的单点泄漏进行的，而对于单点多泄漏、多管耦合的泄漏研究还少见。该方面的研究对解决管道实际运行状况具有更直接的现实意义。3基于负压波的检测适合我国管道的泄漏检测。但是实际管道中的压力信号中混杂大量的噪声，主要来自于仪器仪表的测量噪音，输送过程中的随机噪声和外界干扰。噪声和干扰信号的幅度甚至可以讲泄漏引发的有用信号淹没。如果不能对原始压力信号进行有效的过滤，该泄漏检测方法将严重失效。因此，有效地滤波技术也是检测系统研究的主要内容。4分布式光纤传感器应用于管道检测。光纤传感器是今年来发展的一个热点，它在实际物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，它有着传统传感器所无法比拟的优势。此外，随着各种分布式光纤传感器的发展，未来可以实现利用一根或多根光纤对油气管道内介质的温度、压力、流量、管壁应力进行分布式在线测量，这在管道监控系统中将极具应用潜力。因此，江分布式的光纤传感器应用于管道检测有着良好的前景。5应用以软件方法为主、硬件方法为辅的软硬结合的方法进行油气管道泄漏检测。近年来，由于计算机技术、控制理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科的发展促进了以软件为主的油气管道实时泄漏检测技术的反战，这种方法能实现实时在线检测，及时给出报警信号，因此这方面的检测技术仍将是研究的热点和趋势，而且作为非线性时变参数的管道系统，自适应的思想在检测和定位算法中也将发挥越来越重要的作用。但是基于硬件的而方法有很高的定位精度和较低的误报警率，因此基于硬件的方法和基于软件的方法实现互补可以满足管道泄漏检测系统的要求。6提高泄漏检测与定位系统的自适应性、鲁棒性，解决检测灵敏度与误报率之间的矛盾，并对检测系统进行稳定性、灵敏度、鲁棒性等分析，是衡量一个检测系统好坏的标准。7音波管道泄漏检测技术是近几年新发展的管道泄漏检测技术。它利用泄漏点产生的次声波沿管道两壁传播的特点，开发出了配套的软硬件，较好的解决了目前管道泄漏检测领域存在的一些难点，具有反应灵敏，定位精度高，可靠性强等特点1212泄漏检测技术的分类3流体输送管道泄漏检测的方法很多，分类也很多，到目前为止没有一个统一的分类方法。根据近十几年来国内外相关资料，比较公认的分类方法大致有基于硬件和软件的方法、根据测量媒介分类、更具检测装置所处位置分类、根据检测对象分类、基于信号处理方式分类等等。20世纪80年代以来，随着计算机、信号处理、模式识别等技术的迅速发展，基于SCADA系统的实时数据采集泄漏检测技术受到了人们越来越多的关注，并逐渐发展为检测技术的主流和趋势。这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力信号进行实时分析和处理，以此来检测泄漏并定位。122管道泄漏检测研究研究内容本文介绍了基于管道泄漏检测对象分类的的检测方法分类及其主要内容，并着重介绍了基于负压波的管道泄漏检测技术的原理和负压波泄漏检测系统的数据处理方法。最后，以负压波检测技术为基础，阐述了泄漏检测技术的应用，并重点讲述了负压波法在特定管道的泄漏检测应用。2流体输送管道的泄漏与泄漏检测21概述管道运输是继铁路、公路、航空、水运的第五大运输手段。在石油、天然气等流体运输中有着独特的优势。但是，随着输油、输气管线的增多，管龄的增长，由于施工缺陷、腐蚀和人为破坏的存在，管道事故频频发生，给人们的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。所以在当前的关键就是要我们了解泄漏、预防泄漏和在面临管道泄漏时能及时发现并采取适当的措施。211泄漏泄漏产生的原因及危害管道运输是五大运输方式之一铁路、公路、水运、空运、管道，是石油和天然气产品的主要运输方式，是国家的能源动脉，因此，安全是油气管道的生命。泄漏是影响油气管道安全的主要因素。管道的腐蚀穿孔、突发性的自然灾害如地震、滑坡、河流冲刷以及人为破坏等都会造成管道泄漏乃至破裂，威胁到长输管道的安全运行。按损失程度的不同，泄漏可分为小漏低于正常流量的3、中漏在正常流量的310以内、和大漏超过正常流量的10三种。产生泄漏的原因可能千差万别。例如，小漏或称为“砂眼”通常发生于管道金属被周围介质腐蚀破坏时。埋地管线由于受土壤中电化学过程的作用，金属逐渐受到破坏，导致管壁上出现锈点和蜂窝，逐渐扩展到管道的全部壁厚。在土壤腐蚀的情况下，管壁穿孔速度可达67MM/年。发生泄漏的原因还可能是在管道施工过程中管道金属受到损伤，而在试压时又未能及时发现，这些呈小裂纹状的损伤在管线内外压力的作用下逐渐发展，从而导致出现砂眼或破裂。管线的工作压力过高，产生水击压力波，也可能使管线超压造成金属损伤和破裂。我国有大部分油气管道的运行时间已超过二十年，管道强度和涂层完整性都已进入危险期，整个油田管网已进入事故高发期，据统计，我国油田管道穿孔率为066次/KMA左右。近年来，由于原油价格上涨，国内不法分子受利益驱动疯狂地在输油管道上打孔盗油，严重干扰了正常的输油生产，给油田造成了巨大的经济损失。例如，胜利油田油气集输公司仅在1999年10月一个月内就发生盗油破坏泄漏点13处，损失原油数千吨，直接经济损失200多万元。虽然采取了加大巡查力度，重奖举报考或发现泄漏及时封堵等措施，但收效甚微。长距离输油管道盗油事件也时有发生，且呈蔓延之势。例如中洛输油管道严重时每年发生盗油泄漏事故达300余起之多，给管道造成了严重的经济损失，同时造成了严重的环境污染。泄漏产生的原因可归纳如下1管道材质不良，由于材质开裂，存在砂眼；2管道涂层损坏、脱落，造成管道腐蚀穿孔；3管道接头、阀门安装不良造成泄漏；4由于地下管道拥挤，在施工其他地下工程时而影响所致；5由于高层建筑工程的重压，使地基下沉，致使管道开裂；6由于地质构造原因使地基下沉，造成管道开裂如地震、地下水位下降等；7穿越公路的管道由于重载车辆的通行而造成管道开裂；8人为盗油，造成管道穿孔。长输管道发生泄漏事故极其危险，因为除了损失油气产品之外，还会酿成爆炸或火灾事故，严重威胁管道沿线国家和人民的生命财产安全。另外，油气产品泄漏还会造成严重的环境污染，尤其是油品流入土壤和河流的危害更大，会污染水土介质，造成灭绝动植物。输油管道泄漏的污染面积可按下列经验公式估算KQS式中系数；KS污染面积，M2；Q泄漏量，M3。因此，在油气管道的运行管理中，及时发现管道泄漏并确定漏点位置，对于保证管道的安全运行、减少因泄漏造成的经济损失和对环境的污染、防止爆炸和火灾事故的发生具有十分重要的意义。212泄漏检测随着石油、天然气等工业的发展，管道输送在国民经济中的地位越来越重要。但由于管道泄漏不仅造成资源浪费，而且污染环境，所以管道输送的在线实时泄漏检测与定位技术已显得异常重要。所以现在不管是国内还是国外，都在积极进行泄漏检测与定位方面的研究，以使得石油行业有更好的发展和更安全的运行环境。22输送管道泄漏检测方法流体输送管道泄漏检测的方法很多，分类也很多，到目前为止没有一个统一的分类方法。根据近十几年来国内外相关资料，比较公认的分类方法大致有基于硬件和软件的方法、根据测量媒介分类、更具检测装置所处位置分类、根据检测对象分类、基于信号处理方式分类等等。大致分类如下221根据检测对象分类1根据检测对象的不同可分为管道外部环境检测、检测管壁状况和检测内部流体状态的方法。管道外部环境检测法是指采用一些设备或者应用检测设备对感到外部的环境进行的的检测；管壁状况检测法是指直接用各种装置检测管壁是否有破损，以此进行泄漏检测与定位；内部流体状况检测法是指将实时采集到的管线流体的压力、流量等信号进行分析处理，从而确定是否有泄漏发生并定位。2211外部环境检测法1外部巡视法早期的管道大多采用人工分段巡视的昂发，这种方法的缺点是速度比较慢，且无法实现连续性检测。2油气敏线缆分布式碳氢化合物传感器电缆HYDROCARBONDISTRIBUTEDSENSORCABLE，该电缆对油气十分敏感，通过沿管道的外壁铺设该种线缆来进行泄漏检测和定位。该方法非常灵敏，可以连续检测，尤其对于小的和缓慢的泄漏有良好的效果。但是电缆造价昂贵，被泄漏物质沾染过的线缆需要及时更换。3检测光纤利用先进的感应材料对管道外部环境中的一些参数进行探测，从而根据检测值与正常值的差距判断是否发生泄漏。常用的光纤材料有一下几种硅胶包覆石英PCS光纤传感器3通常的光纤，是由一个玻璃芯和覆盖其上的一层透明物质包层构成的，玻璃芯和包层和折射率不同，匹配适当的时候，光线可以在其中传播而不发生外泄。硅胶包覆石英PCS光纤传感器使用了一种含有特定化学成分的可渗透硅胶包层，当泄漏出的被检测物质和包层中的化学成分相遇的时候，发生化学反应，使包层的折射率发生变化，一部分光线就会被反射回来，通过测量发射和反射脉冲之间的时间差，可以确定泄漏点的位置。这种光纤传感器可用于多种油液的泄漏检测，但价格昂贵。光纤温度传感器原油、天然气等加热输送管道的泄漏会引起周围环境温度的变化。分布式光纤温度传感器可连续测量沿管道的温度分布的变化情况，当沿管道的温度变化超过一定范围时就可以判断管道发生了泄漏。据报道，YORK公司的DTS系统分布式光纤温度传感系统，一个光电处理单元可连接几根温度传感光缆，长度达25KM，对于温度的变化可在几秒钟内反映出来。2212管壁状况检测法1管道外壁检测法当管道遭到外力破坏时会发出声音，此声音沿管壁向管线两端传播，在管线沿线设置多个声音接收器，以检测管道是否受到破坏。由于声音在管壁中的衰减，每一个接收器所能检测的距离只有几千米。2管道内壁检测法采用管内探测球也叫智能清管球，PIG直接对管道内壁进行检测，看是否发生腐蚀或者破裂。管内探测球PIG4是一种基于漏磁技术或超声波技术、可在管道内随介质漂流的探测工具。探测球沿管线漂流并且进行探测，将探测到的管壁数据存在内置的专用数据存储器中以便进行分析。基于漏磁技术的管内探测球具有N、S两极，在两极之间有一个对磁漏敏感的传感器。当金属管壁发生腐蚀甚至破裂时，N、S两极之间的磁场会发生变化，这种变化能被中间的传感器检测到。基于超声技术的管内探测球向管壁发射超声波信号并接收发射信号，从而得到关于管壁厚度的信息。一般的说，基于漏磁技术的探测器对工况扰动的鲁棒性好，更适用于薄管壁；基于超声波技术的探测球更加精确灵敏，更适用于厚管壁。管内探测球敏感性好，定位准确，但是无法连续探测，随介质漂流时容易发生堵塞事故，且价格昂贵。2213管内流动状态检测法近年来，随着计算机应用的迅速发展，监督控制和数据获取SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION，SCADA系统在管道上的应用愈来愈普遍，泄漏检测和定位功能逐渐成为SCADA系统的一个重要组成部分。泄漏检测和定位系统测量管段上、下游端的压力和流量等参数，所测数据送往中央处理计算机，采用各种算法进行实时分析处理。以此来进行泄漏检测和定位5,6,7,8。以SCADA系统为平台的计算机实时泄漏检测系统正成为目前泄漏检测和定位的主流工具。1基于模型的方法这类方法利用管道中流体的质量平衡方程、动量平衡方程和能量平衡方程等进行机理建模。由于管道系统是一个非线性分布参数系统，所建立的模型为非线性偏微分方程，为便于求解，通常采用差分法或者特征线法等方法将其化为线性差分方程。然后，设计状态估计器对系统状态进行估计，根据估计值和实测值之间的差去进行泄漏检测。状态估计器可以是观测器，也可是卡尔曼KALMAN滤波器。根据建立模型的方法不同，可以分为不包含故障的模型方法和包含故障的模型方法。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动态模型并设计状态观测器，当泄漏发生时，状态值和实际值之间会产生偏差，根据偏差进行泄漏检测。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动态模型时预先假定管道有几处制定的位置发生泄漏，通过对系统的状态估计得到这几个预先假定的泄漏点的泄漏量估计值，运用适当的判别准则便可以进行泄漏检测和定位。使用上述方法建模，然后针对每一个假定的泄漏点分别设计一个独立的滤波器，利用各个滤波器的信息，运用统计的方法来进行泄漏检测与定位。该方法由于设计的滤波器太多，计算复杂，不适合实际应用。另一种方法是将管道等分成N段，并假定在中间的I个指定分段点上的泄漏量为,，建立包括上述泄漏在内的1L2I状态空间离散模型，并设计扩展的KALMAN滤波器来估计这些泄漏量。KALMAN滤波器的状态变量为各段的压力、流量和预先定义的泄漏量。假定管道只有一个泄漏点，在稳定流动的条件下，利用质量守恒和动量守恒原理，可以得到如下关系式来进行泄漏量估计和定位。泄漏量的估计公式为211NIL泄漏位置的估计公式为22ILNILZZ1式中泄漏点的估计值；LZ管道第I个分段点的坐标。I通过对L设置报警限即可进行泄漏检测和报警。管道系统为分线性分布参数系统，线性化以后设计的KALMAN滤波器的过程噪声是时变的。对时变噪声采用带指数加权的噪声估计器进行自适应滤波，可使检测系统的适应能力进一步增强。该方法的不足之处是检测和定位精度与分段数N有关，当实际泄漏点不处于设定泄漏点上时，将会产生定位误差，需要设置流量计。2基于信号处理的方法基于模型方法的一个共同特点是需要建立较为准确的数学模型，一些官道上没有安装流量计，使得模型方法的使用受到限制。基于信号处理的方法主要是通过对所检测管道两端的压力和流量信号的分析进行泄漏检测和泄漏点的定位，不需要建立管道的数学模型，更符合我国管道的实际情况，具有更为广泛的应用价值。绝大多数长输管道除首末端安装有供给量用的流量计外，中间管段两端均没有流量计，而目前的管道泄漏检测好泄漏点的定位几乎都是按管段进行的，因而基于信号处理的泄漏检测和定位主要是基于压力信号进行的。对两端安装有流量计的管段，流量信号的引入能使泄漏检测的性能得到改善。基于信号处理的方法主要包括基于流量信号的流量平衡法；基于压力信号的压力梯度法、压力点法、统计分析法和负压波法；基于声波的方法。基于流量信号的流量平衡法根据管道两端出、入口流量是否平衡来检测管道是佛发生泄漏，是一种最直观的方法。定义23OUTINQE式中、分别表示管段上游端的入口流量和管段下游端的出口流量；INQOUT数学期望，在工程上课用一个时间段内的的平均值来近似；EOUTIN入、出口流量的差。对液体管道来说，近似认为管内介质为不可压缩流体，如管段中间没有分支，则当超过一定数值时，就认为管道发生了泄漏。由于工况条件的变化或者管道内流体参数的变化，也会使流量在动态过程中出现不平衡，因而出现误报。为提高检测的灵敏度和减少误报，有以下改进的体积流量平衡法24IOUTINQE式中考虑了热动态效应引起的管道流体变化量的计算值。IQ为了计算，需要建立与温度、压力、比重、粘度以及摩擦等因素有关的管道I动态模型。改进的流量平衡法在检漏灵敏度上比一般的流量平衡法有所提高，误报率也有所降低，但它需要建立管道的精确动态模型，增加了复杂性。该方法直管、简单，但不能对泄漏点进行定位。如果在管道中间增加检测点，将所有点的流量信号汇总构成流量平衡图像，根据图像的变化特征也可以判断出泄漏点的大概位置，这种方法不仅增加硬件费用，也给实施带来困难。基于压力信号的方法这种方法也包括很多种，其中一些将会在下面的分类方法中提到，此处不再重写。主要叙述一些没重复的检测方法，如压力点分析法。压力点分析法指，管道正在运行时，其压力值呈连续变化的稳定状态。当泄漏发生时，泄漏点处出现压力突降，破坏了原有的稳态，并向新的稳态过渡。泄漏点处产生的负压波以声速沿管道向两个方向传播，同时把失稳的瞬态传递到管道的沿线各点，管道的沿线各点都会出现向新稳态过渡的过程。通过在管道沿线设置压力检测传感器，并用统计的方法分析所检测到的压力信号值，提取压力变化曲线，并与管道处于正常状态下的曲线作比较，根据两者之间的差别来检测泄漏。基于声波信号的方法发生泄漏时，由于管道内外的压力差，流体经过漏点时会形成涡流，加上流体和管壁以及周围环境的摩擦都会产生泄漏声波。泄漏产生的信号是由流体激发的连续信号，通常有较宽的频谱，其频谱范围与流体及管壁的性质有关。这种声波信号在传播过程中能够反映泄漏大小、位置等信息，通过一定的信号处理方法能够从声波信号中获得泄漏信息。3基于模式识别和人工神经元网络的方法近年来，人工智能的研究取得了很大进展，将人工智能技术应用于管道系统的泄漏检测方面也做了大量的工作。目前，基于人工智能的泄漏检测技术主要应用的是基于模式识别和人工神经元网络的方法。基于模式识别的方法对泄漏产生的瞬态负压波进行特征提取和结构模式识别，以此进行泄漏检测。泄漏引起的压力波变化与调泵、调阀等引起的压力波波形变化特征有相当大的区别。负压波形的描述是通过对波形的分段符号化处理实现的。根据大量实验的结果，将管道负压波形分为稳定段、剧变段和持续段三个波形段。在不同的波形段内选取不同的基元形式，采用模式识别的方法对管道负压波进行描述，从而建立管道负压波结构模式的分类系统，用于区别管道正常调阀状态和泄漏状态，可以有效降低管道泄漏的漏报率和误报率，提高泄漏检测系统的性能。将负压波的检测视为有限长压力曲线的两模式分类问题，这两类模式分别为“是负压波”和“非负压波”。“是负压波”对应于支持向量机SVM中的负样本，“非负压波”则对应于正样本。采用SVM方法通过有监督的学习得到一种非线性分类器，从而自动地检测出压力曲线中的负压波。基于人工神经元网络的方法人工神经元网络可以实现输入到输出的非线性映射，它具有模拟任何连续非线性函数的能力和从样本学习的能力，在管道泄漏检测中取得了一定程度的应用。科学家提出了一种自适应神经元网络的算法，算法使用BP神经元网络，采用泄漏信号特征指标构造神经元网络输入矩阵，简历管道运行状况的分类神经元网络模型，以检测泄漏故障。由于所获得的训练数据难以包含所有的故障模式，使其应用受到限制。实验研究表明，基于人工神经元网络的管道运行状况分类器能够较为迅速准确地预报出管道运行状况，检测管道是否发生泄漏，并且有较强的抗环境噪声干扰的能力。目前，国内、外广泛使用的实时泄漏检测与定位系统大多数采用基于负压波的泄漏检测和定位方法，这一方面是因为对大多数长输管道来说，中间管段的两端没有安装流量计，采用基于负压波原理的泄漏检测和定位方法更为实用。另一方面，这种方法采用工业用压力变送器即可，并可与已有的管道SCADA系统共用压力变送器的输出信号，系统简单，价格便宜。实践证明，这种方法对明显的突发性泄漏的检测与定位具有比较好的效果，在实际汇总发挥了比较好的作用，取得了明显的经济效益和社会效益。但这类方法存在固有的不足对明显的突发性泄漏的检测与定位效果比较好，对缓变的小泄漏漏报比较多，定位精度比较差；对工况平稳的长距离输送管道来说效果比较好，对工况扰动频繁的管道来说，误报比较多；对性能接近不可压缩流体的液体管道来说效果较好，对气体管道的泄漏检测与定位比较差，甚至基本不行。为了进一步提高系统的性能，特别是解决对气体管道的泄漏检测与定位问题，探讨新的泄漏检测原理和方法势在必行。采用声波变送器，检测因泄漏产生的声波信号并进行相应的处理，以进行泄漏检测与定位可能是一种较有发展前景的方法。222基于硬件和软件分类9根据检测过程中所使用的测量手段不同，分为基于硬件的方法和基于软件的方法。2221基于硬件的方法1直接观察法最初，油气长输管道的泄漏监视采用人工分段巡视的方法。该方法不能及时发现油气泄漏，只有在管道泄漏处地表面出现油迹，气味散发，甚至草枯树死时才能发现。且该方法依赖人的敏感性、经验和责任心，且只能发现一些较大的泄漏。2泄漏检测电缆法本方法是将特殊的泄漏检测电缆该电缆与管道输送的介质发生某种物理或化学反应沿管道设置，当管道发生泄漏时，电缆发生劣化并被转化为电信号或光信号输出，通过特定的仪器即可知泄漏发生。3示踪剂检测法在管道所输送介质中掺入液体示踪剂，当管道泄漏时，从管道中流出的流体中的示踪剂挥发，并通过分子扩散弥漫到周围的土壤中，搜集这些气体并分析检测管道的泄漏。但该方法检测反应速度较慢，检测周围环境的变化工作量较大，不能精确定位。4光纤泄漏检测法用光纤传感器检测管道泄漏的方法是根据管道中输送的热物质泄漏引起周围环境温度的变化，利用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布，当管道的温度变化超过一定范围，就可以判断发生了泄漏。2222基于软件的方法基于软件的方法则是根据计算机书籍采集系统实时采集管道的流量、压力、温度及其他数据，利用流量或压力的变化、物料或动量平衡、系统动态模型、压力梯度等原理，通过软件计算对泄漏进行检测和定位。20世纪80年代以来，随着计算机、信号处理、模式识别等技术的迅速发展，基于SCADA系统的实时数据采集泄漏检测技术受到了人们越来越多的关注，并逐渐发展为检测技术的主流和趋势。这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力信号进行实时分析和处理，以此来检测泄漏并定位。基于软件的方法有如下几种。1负压波法当泄漏发生时，泄漏处因流体物质损失而引起局部流体密度减小，产生瞬时压力下降，这个瞬时的压力下降以声速向泄漏点的上下游传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时压力的减压波就称为负压波。该波以一定速度自泄漏点向两端传播，经过若干时间后分别传到上下游。上下游压力传感器捕捉到特定的瞬时压力降的波形就可以进行泄漏判断，根据上下游压力传感器接收到此压力信号的时间差和负压波的传播速度就可以定出泄漏点。基于负压波进行泄漏检测和定位的主要方法有相关分析法、时间序列分析法、仿射变换法和小波变换法。2压力梯度法压力梯度法发展与20世纪80年代末，它的原理是正常输送时站间管道的压力坡降呈斜直线；当发生泄漏时，漏点前的流量变大、坡降变陡，漏点后的流量变小、坡降变平，沿线的压力坡降呈折线状，折点即为泄漏点，据此可算出实际泄漏位置。该法只需要在管道两端安装压力传感器，简单、直观，不仅可以检测泄漏，而且可以确定泄漏点的位置。3质量平衡法质量平衡法基于管道流体流动的质量守恒关系，在管道无泄漏的情况下进入管道的流体质量流量等于流出管道的流体质量流量。但泄漏程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。检测管道多点位的输入和输出流量，或检测管道两端泵站的流量并将信号汇总构成质量流量平衡图像，根据图像的变化特征就可确定泄漏的程度和大致的位置。该方法简单、直观。4实时模型法实时模型是近年来国际上着力研究的检测管道泄漏的方法。它的基本思想是根据瞬变流的水力模型和热力模型考虑管道内流体的速度、压力、密度及粘度等参数的变化，建立起管道的实时模型，在一定边界条件下求解管内流场，然后将计算值与管端的实测值相比较。当实测值与计算值的偏差大于一定范围时，即为发生了泄漏。在泄漏定位中使用稳态模型，根据管道内的压力梯度变化可以确定泄漏点的位置。5统计决策方法统计决策方法是壳牌公司开发的一种新型的管道泄漏检测方法。该方法根据管道出入口的流量和压力，连续计算压力和流量之间关系的变化。它使用序贯概率比的方法和模式识别技术对实测的压力、流量值进行分析，连续计算发生泄漏的概率，并利用最小二乘法进行泄漏点定位。223根据测量媒介分类9根据测量分析的媒介不同可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法是直接用测量装置对管线周围的介质进行测量，判断有无泄漏发生；间接检测法是根据泄漏引起的管道流量、压力等参数及声、光、电等方面变化进行泄漏检测。224根据检测装置所处的位置分类9根据检测过程中检测装置所处位置不同可分为内部检测法和外部检测法。内部检测法是指将检测装置置于管道内部，或行走或固定，通过测量管道的内部状况进行泄漏的检测；外部检测法是指在管道外通过铺设敏感介质或安装传感器等各种方法所进行的泄漏检测。225基于信号处理的方式分类10泄漏检测方法的技术难点在于数据处理方面，根据对信号处理的方式不同，将其分为三类基于残差分析的方法、基于信号分析的方法及基于人工智能的方法。2251基于残差分析的方法该方法的基本思想是将含有一定泄漏信息的测量值与无泄漏状态下反应实际操作的参考值进行对比，两者的残差即为分析泄漏存在与否的依据。由于该类方法大都需要简历管线的数学模型，故有时也称为基于模型的方法。根据对残差分析方法的不同，又可分为相关分析法、频率响应法和状态估计法。1相关分析法相关技术的实质是在时延域中考察两个信号的相似性，包括自相关和互相关两个内容。油气输送管道一般都为弹性体，流体发生泄漏时，受压力喷射而诱发弹性波，分析其相关函数，利用相关时延技术即可判断是否发生泄漏及泄漏的位置。通过对阀门输入信号与传感器接收信号的比较，对管道系统的各种状态如阻塞、阀门开关等进行辨识，并对故障发生位置进行定位。相关分析法对区分正常操作与泄漏状态的差别有很大的借鉴意义。该方法可用单传感器进行检测，从而减少设备成本，降低了安装和维护费用。2频率响应法该方法是将管道系统的模型转换到频域来进行管道泄漏检测和定位分析的。它利用状态转移矩阵，将整个系统分为三个部分，并分别由三个矩阵表示，利用稳定振动原理和转移矩阵分析的方法，对泄漏进行检测并定位。目前有通过对单一管道系统的单点或多点泄漏、串联管道、并联管道、分支管道等不同类型的管道系统的仿真实验，证明了该方法的广泛适用性。该方法相比于时域分析，具有节约时间，提高检测速度的优点。3状态估计法该方法是将被检测的管道分为N1段，并设每个分段上有三个状态压力、流量和泄漏量，建立包括泄漏在内的管线动态数学模型，利用扩展的KALMAN滤波器对系统进行状态估计，由估计到的泄漏量及对应点的位置进行泄漏的检测和定位。2252基于信号分析的方法该方法是对直接采集的流量、压力等信号进行实时分析识别，来获取故障信息，从而判断是否发生泄漏及泄漏的位置。小波变换即小波分析是20世纪80年代中期发展起来的新的数学理论和方法，被称为数学分析的“显微镜”，是一种良好的时频分析工具。利用小波分析可以检测信号的突变、去噪、提取系统波形特征、提取故障特征进行故障分析和识别等。因此，可以利用小波变换技术对其进行消噪并检测泄漏引发的压力突降点，以此检测泄漏并提高检测的精度。小波变换法的优点是不需要管线的数学模型，对输入信号的要求较低，计算量也不大，可以进行在线实时泄漏检测，客服噪声能力强，是一种很有前途的泄漏检测方法。但应注意，此方法很难区别信号的突变点是由工况变化引起的还是由泄漏所引起的，故易产生误报警。2253基于人工智能的方法随着智能技术的发展，神经网络、模式识别等技术在管道泄漏检测中展现出良好的发展前景。目前主要有以下几种方法。1统计分析和模式识别法由荷兰壳牌公司研制的管道泄漏检测系统ATMOSPIPE，已在多种管道上进行了实验并取得了良好的效果。它的原理是通过对管道发生泄漏时产生的压力和流量间的变化关系进行分析，采用序贯概率比和模式识别的方法，构成两种模态的假设实验，通过统计分析技术对实测的压力、流量间的这种变化进行分析，以此来检测泄漏，并采用最小二乘法对泄漏进行定位。该方法特点是不需要复杂的数学模型，可连续进行检测，并且具有记忆功能、适应性强、误报率低、检测精度高、灵敏、能检测出05的微小泄漏，且安装方便、简单易于维护等特点，尤其对已具备计算机监控系统的管道运输系统，采用该技术对其进行嵌入所需投入较小。2基于神经网络和模式识别的方法由于管道泄漏时未知因素很多，采用常规的数学模型存在一定的差异。而人工神经网络具有逼近任意非线性函数和从样本学习的能力，故在管道泄漏检测中受到了越来越高的重视。以管道系统泄漏后形成多相端射流所引发的应力波信号构造神经网络的输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型，并提出以波峰、波谷、水平线等模式基元抽取负压波波形特征，采用上下文无关文法对管道负压波进行描述，进而建立了管道负压波波形结构的分类系统，用于区别管道正常状态和泄漏状态。该方法的优点是能较为准确的预报管道的运行状况，适用于恶劣环境中对管道进行连续在线检测，它还可根据环境的变化及误报警自动纠正更新网络参数，其优点是抗噪声干扰能力强，检测精度高、灵敏，能检测到1的微小泄漏，且保持很低的误报警率。但该技术在定位时只能定位到段，而不能进行更精确的定位。3负压波检测技术31负压波技术的基本原理水击在管道运行中是时有发生的一种特殊重要现象。通常，管道在稳定状态下运行时，流体介质各个截面上的流速与压力平均值保持不变，或者变化很微小。由于介质的流动性，具有“牵一发而动全身”的特点，所输介质的改变、局部管道输送条件的变化、运行参数的调整、泵站设备故障、介质泄漏等都会引起管道中流体介质的水力状态发生变化，尤其在突然启停泵、快速开关阀门时，管道中介质各个截面上的流速与压力将会发生急剧变化，管道运行的稳定状态遭到破坏。在生产上，把这种管道压力突然发生瞬变，可能危及管道及设备安全的不稳定状态称之为水击。水击会引起管道中的介质密度、管道压力及管道截面积同步发生周期性的起伏变化，这种周期性的变化容易造成管道振动，并可能带来严重后果。311负压波的形成当流体输送管道因机械、人为、材料失效等原因发生泄漏时，其泄漏部分立即有物质损失，由此引起故障场所的流体密度减小，压力下降。由于连续性，管道中的流体不会立即改变速度，流体在泄漏点和相邻的两边区域之间的压力差导致流体从上下游区域内向泄漏区填充，从而引起与泄漏区相邻的区域的密度和压力的降低。这种现象依次向泄漏区上下游扩散，这在水力学上称为负压波。它的传播速度就是声波在管道流体中的传播速度。沿管道传播的负压波包含有关泄漏的信息，由于管道的波导作用，它能够传播数十公里以上的较远距离。在管道两端安装的压力传感器捕捉到包含泄漏信息的负压波，就可以检测出泄漏。由负压波的传播速度和管道首末两端压力传感器捕捉到的负压波到达的时间差，就可以进行定位。负压波的传播速度在不同规格管线中并不相同，在原油中约为1000M/S。因此，这种方法对数公里的管道可以在几秒钟内检出，具有极快的响应速度，为及时检测出泄漏，防止事故扩大，减少损失赢得宝贵时间。312负压波的传播当管道在距上游端X处发生泄漏时，该点的压力降低产生压力波动，这个压力降向管道两端传播，向两端的传播速度为，向末端的传播速度为。PP00由于泄漏产生的压力波动可以参照水击压力计算方法来计算，介质流速的瞬时变化引起的压力值的变化为3120VAGP式中由于介质流速瞬时变化引起的压力差；P介质的重度，KG/M3；G重力加速度,M/S2；负压波在该管道中的传播速度，M/S；A正常输送时介质的流速，M/S；V瞬变后的介质流速，M/S。0313负压波泄漏检测的原理负压波泄漏检测的原理是管道发生泄漏之后，泄漏点产生的负压波会以波动的形式向管道上下游传播，利用安装在管道上下游的压力变送器可以检测到该负压波信号，从而判断管道是否发生泄漏。利用该负压波信号到达上下游的时间差，可以定位该泄漏点的具体位置。负压波泄漏检测示意图如下图31设和分别为负压波信号从泄漏点处传输带管道上、下游压力变送器时所消耗1T2的时间S；为负压波在管内介质中的传播速度M/S；为泄漏点到管道上游压变AX的距离M；为管道上、下游压变之间的距离M。L定位公式经推导得32ALT213334TX1综上三个公式得到352ATL由公式35可以看出，负压波用于泄漏检测与定位的关键就在于负压波速和时间A差的获取。T考虑到管内介质流速对负压波传播的影响，修正定位公式，引入管内流体流速，V有36VAXT137L2将式36和37带入式35中，有38ATVX22无论是对负压波波速的修正还是对定位公式的修正，其目的均是为了减小有负压波波速和管道上下游分别捕捉到负压波到达时间差定位引起的误差，以提高AT利用负压波进行泄漏点定位的准确性和可靠性。管线的长度通过实际测量可得到，压力波传播的速度可以根据流体介质的特性得到，而首末两端压力下降的时间点和根据对压力波形的分析获得。因此，软件1T2的关键是根据现场采集的数据波形进行分析，准确地找到首末两端压力下降的时间差。负压波的优点是检测速度快、定位准确、成本费用低。随着新型高精度传感器的使用和高速计算机的发展，信号检测和信号处理技术正朝着以软件和硬件相结合的方向发展，负压波法泄漏检测技术具有更大的应用前景。314负压波泄漏检测系统的构成3141硬件构成基于负压波的管道泄漏检测系统一般由中心站系统和子站系统组成。子站系统包括现场压力变送器、PLC系统、信号调理单元、通信终端机、通信网络；中心站系统包括SCADA主机、存储设备、打印机、GPS授时系统、显示终端、培训计算机、操作员工站等。子站系统与中心站系统一般通过光纤或卫星进行通信。3142软件系统负压波管道泄漏检测软件由中心站软件和站控软件系统组成。1中心检漏软件PLDS中心软件主要有通信模块、报警处理模块、泄漏定位模块和趋势模块、数据显示模块以及数据存储模块、GPS时间同步模块等。2站控软件站控软件主要包括数据采集、数据处理分析、数据存储、GPS时间同步和数据通信模块组成。中心软件和站控软件通过通信模块完成带有时间标签的数据的传输。3数据传输的实现数据传输的实现主要要考虑卫星网络的延迟，以及TCP/IP协议传输时间的不确定性。在负压波定位方法中，压力波到达两端时间差的精度决定了定位的精度。因此数据在传输之前，必须添加时间标签，记录数值发生的精确时刻。中心通信程序将每个站的数据以时间标签为索引建立数据保存，同时数据处理程序从数组中以时间为索引不断从数组中取出数据，并进行保存。在实际实现中，以站控为DATASERVER，中心为CLIENT端的方式实现中心与站控之间数据传输。315负压波泄漏检测的缺陷负压波法灵敏准确，无需建立管线的数学模型，原理简单，适用性强。但它要求泄漏的发生时快速突发性的，对微小缓慢泄漏不是很有效。该方法主要还存在以下问题负压波的传播速度并非常数，它与管壁的弹性、液体的压缩性、管道的摩擦系数等因素相关。由于噪声的影响，仅仅使用压力传感器很难精确的检测到负压波的突降点，即波的时间差的计算精度还有待提高。由于长输管道系统工况复杂，正常的操作，如泵的启停、阀门的调节等都会引起负压波，因此能否正确地识别这两种情况下的负压波，对降低误报率，提高系统的诊断精度有重要意义。在管道工况复杂时，基于负压波的管道泄漏检测定位技术很难得到令人满意的检测效果，原因是是因为其原理所限。基于负压波的管道泄漏检测适合于管道外界环境简单，管道沿线没有高程差，没有大的弯曲或者复杂外界环境的情况下使用。针对不同的传输介质石油、天然气，对前两个问题，国内给出了一定的解决办法，认为压力波的传播速度受液体的弹性、密度，管材弹性等因素的影响，是一个变化的物理量，并给出了改进的算法。同时，提出了用小波变换技术提取瞬时负压波的信号边缘，并对两端的测点信号进行特征点捕捉，实验获得了满意的效果。对第三个问题，国外有人提出在管道两端各安装两个传感器，通过判断负压波的传播方向来判定泄漏。依据对不同波形的机理分析，有人提出了一种基于分段积分算法的结构模式识别方法进行泄漏确认，但该方法在实际的应用中效果并不是很好，一些问题还有待于进一步的研究。将小波变换用于检测泄漏引发的压力突降点并对其进行消噪，可以提高精度和对微小泄漏的灵敏度1。32负压波定位技术发生泄漏后，应尽快的、准确给出泄漏位置，以便操作人员能够及时赶到事故地点，采取相应的补救措施。由于长距离输油管线多在无人区，地理条件差，当管道中间某点发生突发性泄漏时，依靠人工巡线比较困难，而且速度慢。因此，泄漏检测系统对泄漏点准确及时的定位是很重要。泄漏定位是在泄漏检测的基础上进行的，一旦判断有泄漏发生，系统立即启动定位算法模块，根据管道运行参数，给出具体的泄漏位置。目前的泄漏定位主要应用于信号传输时延和距离之间的关系，该管段长度为，L泄漏位置距上游测点距离为，负压波的传播速度为，负压波传播到上游的时刻为XA，负压波传播到下游的时刻为，根据式35则有1T2T3921TL下面介绍通常采用的几种不同方法321基于相关分析的泄漏检测与定位73211泄漏检测与定位的相关分析法系统运行时，实时采集到的压力信号为离散值和，求和的1KP21KP2互相关函数，即3101LIM2,21KPNKP式中，为管长，为波速。,VLV为简化起见，下文中将简写为。21,P理论上，未发生泄漏时，相关函数将维持在某一很小的数值，而如有泄漏发生，且当时，将达到最大值，即0MAX,0L相关函数的极大值所对应的即被认为，泄漏点的位置。020ALX计算机实现相关分析法时，计算数组的长度是算法的一个关键参数。上、下游的压力信号各存在两个数组中，在每个采样后，两个计算数组都需要进行更新读入一个新的压力数据，去除一个旧的压力数据。设采样时间间隔为，管长为，负STL压波的传播速度为，则压力数组的长度选为VNDATLS2式中，相应于管道内流体的状态从旧稳态到新稳态所需的时间；表示压力波DA从一端传到另一端所需的时间；为相应的采样点数。在极端情况下，泄漏发S生在一端，负压波从泄漏点传到另一端所需要的时间为，而在进行互相关分析时AL又需要在整个管长所对应的时间范围内进行搜索，因此数组的长度取。2STL3212基于广义相关分析的泄漏检测与定位管道泄漏定位属于延时估计问题，在延时估计区域1114。主要有广义相关分析方法和相位谱方法两大类，前者的估计结果具有很好的稳定性，在实际中得到广泛的应用。广义相关分析是在相关分析基础上发展起来的，它通过前置滤波以得到更好的估计结果13。相关分析可以看作是广义相关分析方法的一个特例，其前置滤波器的系数为1。1互相关函数的计算管道发生泄漏之后，会在介质内产生负压波信号，并向管道两端传播，通过TS估计管道两端的压力传感器所接收到的负压波信号的时间差即可进行泄漏点的定位。在管道泄漏检测与定位系统中，广泛应用相关分析方法进行时间差的估计。假设负压波信号经过两个相隔一定距离的压力传感器接受后得到的信号为和，则1TX2T和的互相关函数为1TX2T31121,21TXERX的峰值所对应的即为两个传感器接收到负压波信号的时间差的估计值21,XR03120MAA21,21T