恒压型边界液体管道泄漏信号检测仿真研究.pdf

第3 3 卷第7 期计算机仿真2 0 1 6 年7 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 6 ) 0 7 0 4 4 5 0 4 恒压型边界液体管道泄漏信号检测仿真研究 石 岗，孙良 ( 中国石油大学( 华东) 信息与控制工程学院山东青岛2 6 6 5 8 0 ) 摘要：在液体管道泄漏检测中恒压型边界产生的反射波会对泄漏直接波造成干扰，掩盖泄漏压力信号的动态特征，从而对后 续信号分析造成不利影响。针对这一问题，应用理论分析与仿真相结合的方法，首先分析了恒压型边界反射波的特点及其 对测量信号的干扰机理，提出了有效测量信号的概念；然后分析了测量点位置与信号采样频率等因素对测量信号的影响。明 确了这些因素与有效测量信号特征的关系；最后有效测量信号、恒压型边界的反射特性及压力波传播规律实现了一种在测 量信号中提取直接波信号的方法。研究表明：在恒压型边界条件下可以提取压力测量信号中一定时长的直接波信号，从而 克服由于反射波干扰造成的不利影响。 关键词：压力波；直接波；边界条件；管道泄漏；系统仿真 中图分类号：T P 2 7 4文献标识码：B S i m u l a t i o nS t u d yo nL e a k a g eS i g n a lD e t e c t i o no f L i q u i dP i p e l i n eu n d e rC o n s t a n tP r e s s u r eB o u n d a r y S H IG a n g ，S U NL i a n g ( C o l l e g eo fI n f o r m a t i o na n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u mQ i n g d a o2 6 6 5 8 0 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：I nt h eh q u i dp i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o n ，t h er e f l e c t i o nw a v eg e n e r a t e db yt h ec o n s t a n tp r e s s u r eb o u n d a - r yc a l lc a u s ei n t e r f e r e n c et ot h ed i r e c tw a v e ，w h i c hC a l lc o v e rt h ed y T l a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s s u r es i g n a la n d w i l lc a u s ea d v e r s ee f f e c t so ns u b s e q u e n ts i g n a la n a l y s i s T os o l v et h i sp r o b l e m ，f i r s t l yw ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h er e f l e c t e dw a v ea n dt h ei n t e r f e r e n c em e c h a n i s m ，a n dp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fe f f e c t i v em e a s u r e m e n ts i s n a l T h e n t h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r ss u c ha sm e a s u r e m e n tp o i n tp o s i t i o na n ds i s n a ls a m p l ef r e q u e n c yo nt h eH 址：a s u I e m e n ts i g n a lW a sa n a l y z e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s ef a c t o r sa n dt h ee f f e c t i v em e a s u r e m e n ts i g n a lw a sc l a r i f l e d F i n a l l y ，am e t h o do fe x t r a c t i n gt h ed i r e c tw a v es i g , 1 a li nt h em e a s u r e m e n ts i g I l a lW a sr e a l i z e db a s e do nt h ee f f e c f i v em e a s u r e m e n to ft h es i g n a l ，t h er e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r e s s u r ew a v ep r o p a g a t i o nl a w T h er e s e a r c h s h o w st h a t i nt h ec o n s t a n tp r e s s u r eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h ed i r e c tw a v es i s , l a lw i t h i nac e r t a i nl e , l g , t ho ft i m ec a nb e e x t r a c t e df r o mt h ep r e s s u r em e a s u r e m e n ts i g n a l ，8 0a st oo v e r c o m et h ea d v e r s ee f f e c tc a u s e db yt h ei n t e r f e r e n c eo ft h e r e f l e c t e dw a v e I 【E Y W O R D S ：P r e s s u r ew a v e ；D i r e c tw a v e ；B o u n d a r yc o n d i t i o n ；P i p e l i n el e a k a g e ；S y s t e ms i m u l a t i o n l 引言 目前，利用泄漏过程的瞬变特征实现泄漏报警与定位仍 是液体管道泄漏检测的重要方法。其中，对压力测量信 号的分析是提取泄漏瞬变过程特征的重要途径”“。在实际 的管道泄漏检测系统中，由于仪表安装与维护条件的限制， 压力测量点一般配置在管道边界附近，致使压力测量信号受 到管道边界特性的影响，而这一影响在恒压型边界下尤为严 重。所谓恒压型边界是指在管道末端安装的储罐等压力容 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助( 1 4 C X 0 2 1 7 6 A ) 收稿日期：2 0 1 5 0 9 0 5 修回日期：2 0 1 5 1 0 - 0 1 性设备，这类设备使得泄漏瞬变过程中流量的突变无法引起 管道末端压力的明显变化，使压力测量信号变化平缓，进而 影响了由测量信号提取泄漏特征的效果。液体管道系统中 普遍存在着恒压型边界，但以往的泄漏检测相关研究鲜有涉 及管道边界对泄漏信号检测影响的问题，更缺乏对恒压型边 界问题的深入探讨，导致相关研究成果在实际应用中易受边 界条件的影响。本文将基于理论分析与液体管道仿真针对 恒压型边界展开研究，首先分析管道边界附近泄漏压力测量 信号的构成及恒压型边界对测量信号的影响机理，然后进一 步研究克服这种不利影响的方法。 一4 4 5 万方数据 2 提取泄漏直接波的基本原理 泄漏发生后，管道系统中存在两种压力波信号：一种是 产生于泄漏点并沿管道向上下游传播的直接波信号；另一种 是在上下游边界处产生的反射波信号“ ，其传播方向与直接 波相反。在传播过程中两种波动信号都遵循一定的衰减规 律悼“，其中直接波信号蕴含了丰富的泄漏信息，反射波特 征主要由边界条件决定，而压力测量信号是两者的叠加。显 然，反射波的存在使测量信号与直接波存在差异。在恒压型 边界下，压力容性设备使得管道终点的压力不会产生突变， 当泄漏直接波传至边界点时为保持压力恒定必然产生与直 接波幅度相同但符号相反的反射波，此反射波传至信号测量 点时与直接波相抵消，导致压力测量信号仅在反射波信号到 达测量点前与直接波相等，为便于论述，将以泄漏直接波传 至测量点时刻为起点，以反射波信号到达测量点时刻为终点 的时间段称为有效测量时间，在有效测量时间内测得的压力 信号称为有效测量信号。显然，有效测量信号就是直接波信 号，而在有效测量时间外，由于叠加了反射波而使波动趋于 平缓从而无法体现泄漏特征，这正是恒压型边界条件掩盖压 力信号变化特征的基本原理。 | l 引 x 一 万 ， 4 1 首端储罐2 一离心泵3 一管道4 一末端储罐 图l恒压型边界管道系统示意图 需要指出的是：在实际检测过程中测量点距边界点的距 离受各种安装条件的限制一般较短，而液体管道中压力波速 约为1 0 0 0 m s ，因此有效测量时间较短，无法为分析泄漏瞬态 过程提供足够长度的直接波信号。为此提出了一种在恒压 型边界条件下提取测量信号中直接波的方法。其基本原理 是：利用恒压型边界反射特性及压力波传播衰减规律由有效 测量信号计算得到测量点处的反射波信号，然后在测量信号 中去除反射波信号成分从而得到直接波信号。为便于定量 描述，结合图l 所示恒压型边界管道系统做如下设定：S 点为 离心泵出口亦为管道起点；E 点为末端储罐入口亦为管道终 点；x 点为泄漏点；A 点为信号测量点。s 点为空间参数并的 零点，沿s 至E 的方向为算正向；泄漏开始时刻为时间参数t 的零点。定义下列符号的含义为：t 。为点z 。与x ：间的距 离；D ， t 。，t ： 为点戈。处，时间区间为 t ，t 2 的直接波； 尺， t ，t 2 为点戈。处，时间区间为 t 。，t ： 的反射波；幔 t ， t ： 为点菇处，时间区间为 t ，t ： 的测量信号。依据文献 8 对压力波传播衰减规律的研究结果，若泄漏点与末端边 界点之间有两点聋： 工。，且茹：一髫。= f ，则有下列关系式 D ， t I ，t 2 = 7 1 D ， t I l a ，t 2 一l a ( 1 ) R ， t t = 7 1 R ， t l l a ，t 2 一l a ( 2 ) 式中竹为衰减系数，其计算式为 4 4 6 田= ( 1 - 历Ai A l y 。J , 川 ( 3 ) 现以图1 中测量点A 为例具体说明提取直接波的方法 步骤一：设t ，= L X A a ，由有效测量信号获取测量点处直 接波信号 D t ，t ，+ 2 己 E a = M t 。，t ，+ 2 E a ( 4 ) 步骤二：由式( 1 ) 计算E 点处直接波信号 仇h + L a E a ，+ 3 L A F a = 7 I D t ，t ，+ 2 E o 步骤三：根据恒压型边界条件特性可得E 点处反射波信 号 R E I t ，+ L n ，s + 3 L 。 ( 6 ) = 一D t ，+ L E a ，t ，+ 3 L E n 步骤四：由式( 2 ) 计算A 点处反射波信号 心 t ，+ 2 L A E a ，t ，+ 4 L E a = 7 1 R t ，+ L a ，t ，+ 3 o 步骤五：提取A 处已有直接波信号时段后的直接波信号 D t ，+ 2 E a ，t ，+ 4 0 o = M h + 2 L a ，t ，+ 4 L E a ( 8 ) 一尺 t ，+ 2 a ，t ，+ 4 口 步骤六：令t ，= t ，+ 2 。口，并将步骤五中提取的直接波 信号代入步骤一，循环执行以上各步。 在上述方法中有效测量信号的获取对后续计算具有重 要影响，是提取直接波的关键，而该方法的提取效果也有待 进一步检验。为此，在下文中将构建仿真系统，然后基于仿 真研究测量点位置及信号采样率等实际因素对有效测量信 号的影响，最后检验直接波提取效果并对提取误差作进一步 分析。 3仿真系统的构建 在研究中针对图l 所示管道系统构建了仿真系统。仿 真的基本原理是：应用特征线法计算管道系统微分方程组的 数值解。 联立管道中流体连续性方程与运动方程，忽略压头与流 速对空间参数的变化率，可得如下方程组 1 2 业+州+新|=00t g 7 x V ( 9 )一+ + 历”I | 2 yJ 生业+ 塑：0( 1 0 ) gO x O t 式中：日为液体能量压头，m ；V 为流速，m s ；A 为达西磨阻系 数；g 为重力加速度，m s 2 ；D 为管径，m ；a 为压力波波速， m s ；x 为沿管线的空间参数，m ；t 为时间参数，s 。该方程组在 特征线上可化为全微分形式 业+ 卫塑+ 尘I ，Jv l=0dt ad t 2 D ( 1 1 )， 譬：( 1 2 ) 业一詈掣+ 占y 1yI=0dtd t2 D ( 1 3 ) o 、 万方数据 出 面2 咖 ( 1 4 ) 同实验条件下的理论直接波信号仿真结果如图3 所示。 式( 1 2 ) 、( 1 4 ) 为特征线方程，分别与式( 1 1 ) 、( 1 3 ) 构成 特征方程组。将特征方程组中流速换算为流量并进行离散 化可得如下差分方程组 彘( Q P Q ，) + ( 以一啡) + 藏A I x 佛= o ( 1 5 ) 瓦a ( Q P 一仉) 一( 耳一) + 藏A A x - = o ( 1 6 ) 式中：Q 为流量，m 3 s ；A d 为管道横截面积，m 2 ；a x 为空间步 长，m ；下标F 、R 、P 表示z t 平面中离散网格的节点，也是离 散化过程中特征线的起点与终点，其含义如图2 所示。 f P FR 图2x 一1 平面离散示意图 图2 中，t = 0 时的各离散点压头及流量值为仿真的初始 条件。t 0 时，离散点可分为两类：一类是处于边界处的离散 点，另一类是边界之间的离散点。后者对应的压头及流量值 可通过联立式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 求得；前者的仿真计算还需要确定 相关边界条件。在本次研究中取管道泄漏前稳态压头及流 量值作为初始条件并依据泵的扬程流量特性方程、储罐入口 压力特性及小孔出流原理到分别确定离心泵出E l 、末端储 罐入口及泄漏点处的边界条件。将上述定解条件与方程 ( 1 5 ) 、( 1 6 ) 联立可求解包括信号测量点在内的各离散点处 压头与流量值，从而实现对管道系统泄漏瞬变过程的仿真。 4 仿真与分析 为分析测量点位置及信号采样率等因素对有效测量信 号的影响，以及检验在恒压型边界条件下提取泄漏直接波的 效果进行了如下仿真。 首先分析测量点位置对有效测量信号的影响。由前文 论述可知：有效测量时间的时长由测量点距边界点距离以及 压力波波速决定，在波速一定的条件下可通过改变测量点位 置增加有效测量时间，为定量说明，分别取测量点距边界点 距离为0 1 k m 、0 3 k m 及0 5 k m 进行三次仿真，并分别命名 为实验一、实验二及实验三，三次实验的下列实验条件相同： 管道长为1 3 k i n ，管径为0 5 m ，压力波速为1 0 0 0 m s ，达西磨 阻系数为0 6 2 2 ，泄漏前稳态流量为5 0 m 3 h ，恒压型边界点 稳态压头为1 5 m ，泄漏点距管道起点6 k m ，仿真开始后第3 秒 发生泄漏。为便于比较，将仿真管道向两端延长，获得了相 图3 有效测量信号仿真结果图 图3 中实验一的测量信号在9 9 s 至l O 1 s 时间段内为 有效测量信号，进一步分析可知：泄漏直接波传至测量点的 时刻是9 9 s ，反射波传至测量点的时刻是1 0 1 s ，有效测量时 间为0 2 s ，正是压力波由测量点传至边界点再反射回测量点 所需时间，对实验二、三的测量信号可做类似分析。三次实 验的有效测量时间分别为0 2 s 、0 6 s 及1 s ，以上实验结果与 理论分析结果一致。表明了仿真的准确性也验证了测量点位 置与有效测量时间的关系，即：测量点距边界点距离越大，其 有效测量时间越长。 其次分析信号采样率对有效测量信号的影响。分别取 信号采样频率为5 H z 及2 0 H z 进行仿真，实验条件与实验一 相同，实验结果如图4 所示。 圈4 信号采样率仿真实验结果图 由实验结果可知：当采样率为5 H z 时，有效测量信号与 理论直接波信号相比存在严重失真，当采样率增至2 0 H z 后 有效测量信号与理论直接波信号一致。分析其原因可知：泄 漏直接波在较短的有效测量时间内显著变化，因此直接波信 号存在较高能量的高频成分，由采样定理可知当采样率低于 某一限值时将使信号不同频率成分间产生混叠，显然，上述 实验中较低的采样率造成信号高频与低频成分的混叠从而 导致信号失真。还需注意的是：在泄漏检测过程中，一般会 4 4 7 万方数据 对测量信号进行低通滤波处理，过低的截止频率也会由于高 频成分的损失导致测量信号的失真，因此在恒压型边界条件 下应综合考虑有效测量时间、信号频率构成及高频干扰等因 素确定合理的采样率及滤波参数。 最后检验提取泄漏直接波信号的效果。仿真实验条件 与实验三相同，实验结果如图5 所示。 8 91 0 1 1 1 2 1 3 1 41 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 02 l2 2 2 32 42 5 时间，B 图5 提取泄漏直接波信号仿真结果图 由实验结果可知：当t 2 1 5 s 时，提取的直接波信号与理论直 接波信号存在较大偏差。由理论分析可知：泄漏引发的直接 波同时向上下游传播，在管道起点边界处也会产生反射波， 当该反射波传至A 点后，使A 点的测量信号叠加了新成分从 而使式( 8 ) 不再成立，因此相关的计算结果也会与实际直接 波产生较大偏差，基于本次实验条件应用上述分析可知起点 边界的反射波传至A 的时刻正是2 1 5 s ，理论分析与实验结 果相一致，再次验证了仿真的准确性。 由上述仿真与分析可知：在恒压型边界条件下测量信号 中存在不受反射波干扰的有效测量信号，通过调整测量点位 置以及合理设置采样率可以获取有效测量信号。基于有效 测量信号可以在一定时长内提取泄漏测量信号中的直接波 成分。在管道长度及波速确定后，该时长由泄漏点与测量点 的位置决定，而提取精度取决于有效测量信号的长度、测量 精度以及压力波衰减关系式的精度等因素。 5 结束语 恒压型边界条件是液体管道系统中一种典型的边界条 件，本文首先明确指出了反射波对液体管道泄漏检测的影 响。然后通过理论分析与仿真研究了恒压型边界条件下测量 信号的特点，指出通过合理设置测量点与边界点的距离以及 信号采样率可以增加有效测量信号的长度与准确性，并进一 一4 4 8 一 步提出了利用有效测量信号提取直接波信号的方法。研究 表明：该方法能够有效提取恒压型边界条件下的泄漏直接波 信号。同时，该方法的研究也为分析处理其它类型边界条件 提供了参考。 参考文献： 1 张德发，韩京管道泄漏检测优化算法的研究与仿真 J 计 算机仿真，2 0 1 2 ，2 9 ( 4 ) ：4 0 1 4 0 7 2 Y o u n g - j o o nK i m ，K o j iM i y a z a k i ，H i r o s h iT s u k a m o t o 1 e a kd e t e c t i o ni np i p eu s i n gt r a n s i e n tf l o wa n dg e n e t i ca l g o r i t h m J J o u r n a l o fM e c h a n i c a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ，2 2 ：1 9 3 0 - 1 9 3 6 3 L a m j e dH a d j1 址b ，L g z h a l - A y e d ，E z z e d d i n eH a d jn 蚰b L e a k D e t e c t i o ni nV i s c o e l a s t i cP i p eb yT r a n s i e n tA n a l y s i s e C o n d i - t i o nM o n i t o r i n go fM a c h i n e r yi nN o n - S t a t i o n n a r yO p e r a t i o n sC o n - f e r e n e e ，H a m m a m e t ，2 0 1 2 4 FCA nd r e w ，LP e d r o ，WKB r y a n As e l e c t i v el i t e r a t u r er e v i e w o ft r a n s ie n t b a s e dl e a kd e t e c t i o nm e t h o d s J J o u r n a lo fH y d r o e n v i r o n m e n tR e s e a r c h ，2 0 0 9 ，4 ( 2 ) ：2 1 2 2 2 7 5 赵利强，王健林，于涛，苟武侯基于二代小波变换和多级假设 检验的输油管道缓泄漏检测方法 J 石油学报，2 0 1 2 ，3 3 ( 5 ) ： 8 9 8 - 9 0 3 6 王立坤，等长距离输油管道泄漏监测技术分析及研究建议 J 油气储运，2 0 1 4 ，3 3 ( 1 1 ) ：1 1 9 8 1 2 0 1 7 郭新蕾，杨开林，郭永鑫，王涛，付辉管道系统泄漏检测的瞬 变水击压力波法 J 应用基础与工程科学学报，2 0 1 l ，1 9 ( 1 ) 2 0 一2 7 8 孙良，王健林，赵利强负压波法在液体管道上的可检测泄漏 率分析 J 石油学报，2 0 1 0 ，3 1 ( 4 ) ：6 5 4 6 5 8 9 G eC h u a n h u ，W a n gG u i z e n g ，Y eH a o A n a l y s i so f t h es m a l l e s t d e - t e c t a b l el e a k a g ef l o wr a t eo fn e g a t i v ep r e s s u r e w