（机械电子工程专业论文）基于激励响应的输油管道泄漏检测技术研究.pdf

中文摘要管道运输业已成为国民经济中与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。随着管道的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀穿孔、突发性自然灾害以及人为破坏等都会造成管道泄漏，给人们的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。为了确保管道安全运行和减少泄漏事故危害，研究具有更高可靠性和准确性的泄漏检测技术，具有重要的理论意义和应用价值。本文在参阅大量国内外有关流体力学、流体网络理论、瞬变流计算方法、小波理论、信号处理技术等相关理论和技术的基础上，提出了基于激励响应方法的管道泄漏检测技术。对与该技术相关的理论和方法进行了深入研究，主要内容包括：1 、综述输油管道泄漏检测技术的发展概况及本课题研究的目的意义，概述管道流体力学的各种数值计算方法，推导了流体管道数学模型及统一表达式。2 、提出了将阀门快速部分关闭，引起管道流体波动，根据激励响应压力信号检测管道泄漏的新方法一激励响应法。在时域中应用行波计算方法，定义了负压波反射系数，推导并简化了负压波反射系数表达式，根据此式在理论上能够得到管道泄漏点的全部信息( 泄漏点位置和泄漏量大小) 3 、基于激励响应法，应用脉冲响应方法和卷积定理得出了管道末端压力响应在频域中的表达式，此式表明：传递函数只与系统的特性相关，流量变量的傅立叶变换只与操作特性相关，且压力频域响应与流量变量的傅立叶变换为线形关系，根据此式在理论上能够得到管道泄漏点的重要信息( 泄漏点位置) 。4 、利用小波分析的时频双重局部化特性，对得到的时域压力响应信号作小波分解，应用小波变换对信号去噪，并通过判断小波变换模最大值点来确定压力信号奇异点位置，准确捕捉负压波到达时间，从而判断出泄漏点的准确位置。5 、讨论了输油管道泄漏检测系统的总体构成及功能。提出了通过应用m a t l a bw e bs e r v e r 方法解决基于w e b 的远程监测、分析与诊断系统开发的方案。开发了基于m a t l a bw e bs e r v e r 的输油管道泄漏检测系统。本系统实现了异地检测数据传输、数据分析、泄漏检测、检测结果网络输出等功能。本文通过模拟管道系统进行了实验，实验结果表明激励响应方法的可行性和正确性。关键词：输油管道泄漏检测激励响应小波变换检测系统m a t l a bw e bs e r v e ra b s t r a c tt h ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m eo l l co ft h ef i v eg r e a tc o n v e y a n c em c f l l l si nn a t i o n a le c o n o l l l y , w h i c ha l er a i l w a y , h i g h w a y , a i rp a r c e la n dw a t e rc a r r i a g e t h em o r eo ft h ep i p ea n dt h el o n g e ro fp i p el i f es p a n , e o n s m a e t i o nb l e m i s h , c o r r o s i o nl , e r f o r a t i o n a b r u p tn a t u r ed i s a s t e ra n ds a b o t a g e , a l lt h ea b o v ef a c t o r sm a yr e s u l ti np i p e l i n el e a k a g e t h el e a k a g ew i l lb r i n ge n o l n l o l t l st h r e a to np e o p l e sl i f e ，p r o p e r t ya n dt h el i v i n ge n v i r o n m e n t t oe n s u r et h es a f e t yo f p i p e l i n ea n dm i n i l i l i z et h el o s s e sc a u s e db yl e a k a g ea c c i d e n t s ，i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yl e a k a g e - d e t e c t i n gt e e l m o l o g yo fh i g h e rr e l i a b i l i t ya n dv e r a c i t y t h i ss t u d ye m p l o y e daw i d ec o m b i n a t i o no fv a r i o u se x i s t e dt e e h r t i q u e si n c l u d i n gh y d r o d y n a m i c s ，f l u i dn e t w o r kt h e o r i e s ，c o m p u t i n gm e t h o d so ff l o wt r a n s i e n t s ，w a v e l e tt h e o r i e sa n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e e l m i q u e u t i l i z i n gt h e s et o o l s ，t h el e a k - d e t e c t i o nt e e l m i q u ei np i p e l i n e sb a s e do n i n d u c e dr e s p o n s ei sp u tf o r w a r d ，a n dt h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u e sr e l a t i n gw i t hi n d u c e dr e s p o n s et e c h n o l o g yf i l es t u d i e d t h em a i nr e s e a r e l ae o n t e l l t sa r ca sf o l l o w s ：1 t h ed e v e l o p m e n to fl e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi np i p e l i n ei ss u m m a r i z e d , a n dt h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h et h e s i sa d e s c r i b e d v a r i o u sn u m e r i c a lc a l c u l a t i n gm e t h o d so fp i p e l i n eh y d r o d y m m i e sa o u t l i n e d , a n dm a t h e m a t i cm o d e la n du n i f o r mm a t h e m a t i ce x p r e s s i o nf i l ed e d u c e d 2 t h ei n d u c e dr e s p o n s em e t h o dt h a tt h ep o r t i o no f t h ev a l v ei sd o s e dr a p i d l yt oi n d u c et h ef l u c t u a t i o no ff l u i di np i p e l i n es o 嬲t od e t e c tt h el e a k a g eo fp i p e l i n ei nl i g h to fi n d u c e dp r e s s u r es i g m li sp u tf o r w a r d t h et r a v e l i n gw 2 【v em e t h o di su s e di nt i m ed o m a i na n dn c g a t i v cp r e s s u r ew a v ei sd e f i n e d t h ee x p r e s s i o no fn e g a t i v ep r e s s u r ew a v er e f l e c t a n c ei sd e d u c e da n ds i m p l i f i e d , s ot h ei n f o r m a t i o no fc e r t a i nl e a k i n gp o i n t so e a kl o c a t i o na n dl e a ks i z e ) i np i p e l i n ei so b t a i n e df r o mt h i se x p r e s s i o n 3 a c c o r d i n gt oi n d u c e dr e s p o n s em e t h o c l , t h ee x p r e s s i o ni nf r e q u e n c yd o m a i no fp r e s s u r er e s p o n s ea tt h ee n do f p i p e l i n ei sd e r i v e du s i n gi m p u l s er e s p o m em e t h o da n dc o n v o l u t i o nt h e o r e m t h ee x p r e s s i o ni n d i c a t e st h a tt h a t 仃a i n s f e rf u n c t i o ni so n l yr e l a t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i p e l i n es y s t e ma n dt h ef o u r i e rt r a n s f o r mo ff l o wv a r i a b l eo n l yd e p e n d so i lt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s , a n dt h ep r e s s u r er e s p o n s ei nf r e q u e n c yd o m a i ni sl i n e o xw i t ht h ef o u r i e rt r a n s f o r mo ff l o wv a r i a b l e i n f o r m a t i o no f t h el e a kp o i m0 e a kl o c a t i o n ) i np i p e l i n ei so b t a i n e df r o mt h i se x p r e s s i o n 4 u s i n gt h el o c a l i z i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw a v e l e tt r a n s f o r mi nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n , t h ep r e s s u r es i g n a li sd e c o m p o s e da n dd e - n o i s e d m a x i m u mp o i n to f t h ew a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l ec o r r e s p o n d st ot h es i g n a ls i n g u l a r i t y , s ot h ea r r i v i n gt i m eo fn e g a t i v ep r e s s u r ew a v ei sa c q u i r e da c c u r a t e l y , a n dt h e nt h el e a kl o c a t i o ni sd e t e r m i n e d 5 t h eo v e r a l lc o n s t i t u t i o na n df u n c t i o no fo i lp i p e l i n el e a kd e t e c t i o ns y s t e ma r es t u d i e d t h ep r o j e c to f a p p l y i n gm a t l a bw e bs e r v et or e s o l v et h ep r o b l e mo f r e m o t em o n i t o r i n g , a n a l y s i s ，d i a g n o s i n gi sp u tf o r w a r d o i lp i p e l i n el e a kd e t e c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do i lm a t l a bw e bs e r v e s u c hf u n c t i o n sa sr e m o t ed a t at r a n s m i t t i n g , d a t aa n a l y z i n g , l e a kd e t e c t i n g , r e s u l te x p o r t i n go i lw e ba l er e a l i z e di nt h i ss y s t e m t h ee x p e r i m e n to f a n a l o g o u sp i p e l i n es y s t e mw a sc a r r i e do u t ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n d u c e dr e s p o n s em e t h o di sf e a s i b l ea n da c c u r a t e k e yw o r d s ：o i lp i p e l i n el e a kd e t e c t i o ni n d u c e dr e s p o n s ew a v e l e tt r a n s f o r md e t e c t i o ns y s t e mm a t l a bw e bs e r v e ri l l 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：立缸签字日期：) 一一年朋日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘壹盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：立l 童导师签名：商钌众签字日期：二年2 月巧日签字日期：2 一年2 月，日第一章概论第一章概论1 1管道运输的发展状况和面临的问题m 嘲”m 嘲嗍忉啪作为与铁路、公路、水运、航空并称的五大运输体系之一的管道运输，已在国民经济发展中占有重要地位，至今世界长距离输送管道总长度已超过2 0 0 万公里。使用管道不仅可以完成石油、成品油、化工产品和水等液态物质的运输，而且可以完成诸如煤浆、面粉、水泥等固体物质的运输。研究成果还表明，对管道系统进行改进后还可以将非粉状固体( 如邮件) 通过管道进行运输。因此，管道输送将在工业、农业、国防等各行各业中得到越来越广泛的应用。我国的长输管道工业虽然起步较晚，但从上世纪6 0 年代开始的几十年中我国管道工业有了较大发展，特别是在今后1 0 年内，将新建管道总长度在1 万公里以上，“十五”末实现四大气区天然气全面东输，同时建设成品油和原油管道，确保原油供应的战略安全。由此可见，管道输送己在我国能源产业中占有极其重要的地位。比较几种运输方式，管道输送具有的显著特点是：第一，大大减少转运换装环节，实现连续运输，运量大，效率高，货物损失少，并且易于实现自动化管理。第二，管道建设投资省，见效快，占地少，并且管道建成投产后9 0 的土地可恢复使用。第三，运输过程可实现完全密闭化，运输安全。第四，可适应各种复杂地形，地貌且不受地面气候影响。由于管道输送在运送气体、液体、浆体等散装物品方面所具有的独特优势，管道工业在国民经济中占有重要的位置。随着管道的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀穿孔、突发性自然灾害以及人为破坏等都会造成管道泄漏，给人们的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。管道的事故率发生曲线如图1 - 1 所示“】。由图1 1 可知，早期事故率较高，中间一段为稳定期，最后为衰老期。早期一般在半年以内，中期可维持1 5 2 0 年，这与施工质量及与防腐涂层的选择有关。在管道运行的衰老期，由于腐蚀磨损，管道趋于老化，事故率上升。由于不法分子打孔盗油、腐蚀、设计和操作等原因，管道事故发生的概率天津大学工学博士学位论文增大，泄漏事故时有发生。这个问题变得越来越严重，一旦发生泄漏事故会造成巨大的财产损失和环境污染。因此对管道进行检测和维修，降低事故发生率，延长管道运行寿命，减少财产损失和环境污染，具有重大意义。国际管道会议( i p c ) 是目前国际石油天然气管道工业最重要的学术会议，由美国机械工程师学会( a s m e ) 主图1 - 1 管道事故发生曲线图办。第三次国际管道会议于2 0 0 0 年1 0 月举行，在这次会议出版的论文集中，共收录了1 7 9 篇论文，其中关于管道完整性与腐蚀方面的论文有4 5 篇，居第一位，且在完整性与腐蚀方面，属于管道检测技术的就有1 6 篇。目前泄漏检测技术的研究是国内外管道行业的热门课题，我国在这些方面的研究与国际水平相比，还存在相当大的差距，应进一步加强在这些方面的科学研究。1 2 管道泄漏检测技术综述伽n 们n 小妇输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自上世纪7 0 年代以来，就对管道泄漏检测技术进行研究，并在实践中积累了一些方法。我国在上世纪8 0 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试验和研究。虽然对管道泄漏检测技术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，而且目前各种检测方法都存在着一些问题，有待进一步完善。在实际应用中，某一种泄漏检测方法或一个检漏装置不能同时满足所有要求，一般在检测系统中将几种方法综合使用。根据工作原理的不同，本节将对现有的管道泄漏检测各种方法做一简要的介绍。目前，国际上已有的检测和定位方法大体上分为基于生物的方法、基于硬件的方法和基于软件的方法三大类嘲，各种方法分类如图卜2 所示。第一章概论图l - 2 管道泄漏检测方法分类示意图1 基于生物的方法利用富有经验的人或训练有素的狗等生物，依靠视觉，气味或声音发现并且找到管道的泄漏点。2 基于硬件的方法依靠各种硬件装置直接来探测和发现泄漏孔和泄漏物。使用的典型硬件包括声学传感器、气体传感器、放射物传感器和压力传感器等。3 基于软件的方法利用各种不同的计算机软件包来发现管道泄漏的存在并确定泄漏孔的位置。软件包对因泄漏而造成的影响( 如压力、流量、流速、摩阻等管道动态模型参数的变化) 进行采集、处理和估计，从而对管道的非线性、不确定性、随机性等因素引起的误差进行补偿，进而提高泄漏检测的灵敏度和定位精度，因此软件包的完整性和可靠性是十分重要的。这些方法包括流量压力变化法，质量体积平衡法，动态模型法和压力点分析法。基于泄漏检测方法原理的不同，对现有的各种管道泄漏检测方法进行对比分析如下：1 2 1 基于生物的方法通过富有经验的人沿管线巡查或通过对气味敏感的狗等动物来发现管道泄漏，这种方法费时费力，且对于海底，沙漠，沼泽和荒原中的管道很难进行人工巡查。生物巡查效果主要依赖个体经验和动物训练水平，在科技水平如此发达的时代，这种检测方法已经过时，只能在特定场合下应用此方法。1 2 2 声学法天津大学工学博士学位论文当管道发生泄漏时，管内高压流体由破裂处喷出，由于与管壁的相互作用，产生一个高频的振动噪声，以应力波的形式沿管壁传播，管壁的阻尼作用使得只有一定的频率的波才能传播较远距离，这与管道的振动模型有关。管道泄漏声信号属于连续声发射信号，通过设置好的传感器可以接受到这种声波，从而探测泄漏，并进行定位。由于泄漏声发射信号的多模态性和在管道内传播过程中的频散特性，使得通过相关分析进行泄漏定位的效果很差“”，北京工业大学提出了通过提取单一导波进行泄漏定位的方法，试验证明了该方法的有效性。当泄漏产生的噪声较微弱时，由于应力波衰减的影响，能够检测到的距离受到限制，若要对长距离的管道检漏则必须沿管道安装许多传感器，这种方法成本很高。对于埋地输油管道，阻尼作用更加明显，该方法不适于埋地输油管道的检测。1 2 3 气体法当输气管道发生泄漏时，由于气体具有高度挥发性，通过检测管道周围环境中气体的浓度，可以判断管道有无泄漏。气体检测设备通常需要搭载在运输工具上，沿管线边移动边检测，检测响应时间通常是几小时到数天”1 ，此种方法不适用于输液管道检测。1 2 4 放射物法该检测方法开发于1 9 5 5 年，美国用于输油管道的检测，一次检测长度在2 0l ( m以上，相继采用该项技术的国家有前苏联，法国，丹麦，印度，日本等。所用的放射性标记物有嗅一8 2 、碘一1 3 1 钠一2 4 等，检测范围涉及到水管道，油管道，气管道0 1 。这种方法检测操作周期长，不适用于在线实时检测管道运行，现在已经很少使用。1 2 5 压力波法在管道发生泄漏时，泄漏处由于突然物质损失，泄漏点处会产生一个向上游、下游传播的减压波，称之为负压波。如果在管道两端设置压力传感器检测到负压波，根据负压波的传播速度及波到达管道两端的时间差，就可以判断泄漏并对泄漏进行定位。负压波法是目前国际上广泛重视的管道泄漏检测和漏点定位方法。为了提高泄漏检测的灵敏度，天津大学精密仪器与光电子工程学院提出运用相关技术对管道两端传感器接收的信号进行相关分析。相关分析法对于己存在的固定泄漏及缓慢、没有明显负压波出现的泄漏则失效。第一章概论1 2 6 流量压力变化法运行管道的泄漏将引起始端流量的增加，同时始端和末端的压力减小，泄漏引起的压降在泄漏点最大，压降向始末两端传播过程中逐渐衰减。如果变化的流量或压力在一个特性时间段内比一个被预测的变化率高，那么管道检测系统就会发出漏洞警报嘲。这种方法一般只用于稳态流的非压缩性流体，仅能探测到较大的泄漏，并且不能确定泄漏位置。1 2 7 质量体积平衡法质量体积平衡法是根据质量平衡原理，基于管道出人口的流量是否相等来判断泄漏。如果进入流量大于流出流量，就可以判断出管道中间有泄漏点。由于实际所测流量与流体的温度、压力、密度、粘度等性质及流体的状态有关，使得质量体积平衡法对任一扰动或管道本身动力学变化都非常敏感，易造成误检，从而使得情况变得复杂，为此质量流量平衡法检测管道泄漏的故障方法需要配合其它方法联合使用嘲。1 2 8 压力点分析( p p a ) 方法压力点分析法( p r e s s u r ep o i n ta n a l y s i s ) 简称p p a 法，是一种用于气体、液体和某些多相流管道检测泄漏的方法，其原理是对管道某点处的压力和流量的变化进行检测”1 。当管道处于稳定状态时，压力和速度以及密度分布不随时间变化。在设备( 泵和压缩机) 供能增大或减少时，流体的速度、压力和密度分布的变化是连续的。如果在沿线的某点发生事故，其最初的泄漏特征将在一定的时间内传递到管道末端检测处( 或其它任何检测位置) ，传递时间取决于事故发生地点到检测点距离和压力波在管道流体中传播的速度。当泄漏发生时，管道完成过渡达到新的稳态。过渡时间由动量和冲量定理确定，完成该变化所需要的时间为几分钟至十几分钟。p p a 检测法首先分析某个测试点的一组数据，然后应用计算机处理这些原始数据，使用压力测量值统计分析方法，以确定管道是否存在泄漏点。该方法结构简单，无需专用的检测仪表，但是单点分析的模式区分偏于简单，易误报警，无法定位等都是此种方法的局限。i 2 9 瞬变模型法瞬变模型法需要建立管内流体流动的数学模型，以测量的压力、流量等参数作为边界条件，由模型估计管道内的压力、流量等参数值，估计值与实测值天津大学工学博士学位论文比较，当偏差大于给定值时，即认为发生了泄漏。瞬变模型检测法是最近发展起来的一种新的泄漏检测技术，是目前输油管道泄漏检测准确性、可靠性较高的一种方法。该检测系统由瞬变流数学模型，流量、压力和温度检测装置，计算机和数据采集板组成“。上述各类检测方法在检测灵敏度、定位精度、实用性、误报警和造价方面的比较如表1 - 1 所示”。表1 - 1 各种检测方法比较表检测方法检测灵敏度定位精度实用性误报警造价生物法高高低低高声学法高高高中中气体法高高低低高放射物法高高低低高压力波法高高高高中流量压力变化低低高高低法质量体积平衡低低中高低法压力点分析高高低高中( p p a ) 方法瞬变模型法高高高高由从表中可以看出各类方法都有一定优点和缺点，且各类方法都有一定的适用范围。近年来随着计算机技术的迅速发展以及数据采集和监控系统( s c a d a ：s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 在管道上的应用，出现了以软件为主、软硬件相结合的检漏与定位方法的趋势，以实现多种检测方法的优势互补。基于硬件的方法一般间断运行，实时性差，造价很高；而软件检测法能连续实时运行，适应性广，安装简单，目前较为多用。1 3 管道泄漏检测技术国内外研究现状1 3 1 管道泄漏检测技术国外研究现状第一章概论国外输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自上世纪7 0 年代以来，就开始了管道泄漏检测研究，并在许多油气管道中安装了泄漏检测系统，效果显著脚。最近几年来，国外一些人又提出了一些新的方法，下面主要介绍国外最近研究概况。美国休斯顿声学系统公司根据声学原理研制的声学检漏系统( w a v e a l e r t ) ，由多组传感器、译码器、无线发讯器等组成，天线伸出地面，和控制中心联系。该系统适用于气液体管道和多相、多种类产品及网络管道等检测。其技术指标为：泄漏反应速度3 0 9 0 秒；最小检测泄漏孔径3 2 姗；定位精度小于3 0 m 或所监测管段的0 1 。缺点同声学方法相同，不再赘述。l e a k n e t 动态管道检漏系统在1 9 9 4 年被美国环保局核定为具有法定的检测地位。该系统包括压力点分析法( p p a ) 和质量分析法( m a s sp a c k ) 两种独立的完全不同的检测方法，还包括管道动态智能点分析法( s m a r tp o i n t s ) 的连续监视及消除误报的方法。压力点分析法可在几秒内检测出漏孔直径最小为1 6 m ，泄漏量最小可达管输流量的0 1 ，超过1 6 0 k m 时灵敏度降低。质量分析法是监测一段管道中全部的流入流出量，每分钟一次，计算流体质量的平衡和变化，监测间距每段为4 0 5 0 k m 。在该检测系统中综合应用了三种方法，有效提高了系统的灵敏性和准确性。美国s o u t hc a r o l i n a 大学的w m p s s h a ( 2 0 0 1 ) 提出了在管道末端通过周期性开关阀门产生一个稳态振荡流，用传递矩阵方法直接求解管道末端波动压力的频率响应。与管道系统无泄漏时的压力频域响应图相比较，有泄漏时压力频域响应图中有附加的共振压力峰值，且附加压力峰值要小于无泄漏的共振压力峰值，泄漏点的位置是通过波动压力的频率响应计算得来“”。管道末端周期性开关阀门的方法对于高压力，长距离的输油管道来说，产生振荡流是不符合安全生产运行要求的，同时无法做到连续实时监测。意大利p e m g i a 大学的m a r c of e r r a n t e ( 2 0 0 3 ) 等人研究了瞬间关闭管道末端阀门的方法用于管道诊断和泄漏检测情况，通过脉冲响应的方法将管道流体瞬变方程在频域中直接求解，得到管道末端压力频域中的解析解“”。管道系统特性和管道泄漏点的位置决定了压力峰值在压力频域响应图中出现的位置，管道泄漏点的位置和泄漏大小再通过压力频域响应图反推出来。目前，该方法还处于理论和实验室研究阶段。管道末端瞬间关阀门的方法对于高压力，长距离的输油管道来说，产生振荡流是不符合安全生产运行要求的，同时无法做到连天津大学工学博士学位论文续实时监测，这与m p s s h a 方法的缺点相同。澳大利亚a d e l a i d e 大学的w a n gx i a o - j i a n ( 2 0 0 2 ) 等人在泄漏管道的瞬变流模型的主导方程( 偏微分方程) 为线性的前提下，寻求偏微分方程的解析解，并将偏微分方程的解用傅立叶级数来表示。由于所有傅立叶分量都由稳态管道动力系统的摩擦阻力唯一地衰减，而每个分量在有泄漏的情况下衰减程度不同。这样，由泄漏引起的所有衰减就可分成两部分：衰减的幅值表征了泄漏的大小，而利用不同傅立叶分量的不同衰减比来确定泄漏位置。该法不要求严格地确定边界条件及管道瞬态模型，理论上可检测到管道平均流量0 1 的泄漏“目。该方法数学处理上要求泄漏能引起管道流体压力振荡，当泄漏信号是微弱的情况下，如对于已存在的固定泄漏及缓慢、没有明显压力波动出现的泄漏则失效。目前，该方法还处于理论和试验研究阶段。1 3 2 管道泄漏检测技术国内研究现状近年来，国内对于长输管道泄漏检测技术的研究工作主要集中在负压波法检测领域。负压波法检测法可迅速检测10 9 6 2 0 9 6 以上的突发性的大量泄漏，在快速诊断中占据重要地位1 。清华大学与胜利油田油气集输公司联合研制的长输管道泄漏监测系统采用负压波进行泄漏检测和定位，利用小波变换法和相关分析法同时进行判漏。清华大学研制的检漏系统对3 2 k m 管道进行在线监测，技术指标为：最小检测泄漏量5 m s h ，约为总流量的0 6 ；漏点定位精度为全管长的2 左右n 町。天津大学采用负压波法进行泄漏检测和定位系统基于l a b v i e w 开发平台，利用修正的压力波速度公式，系统能在泄漏的2 0 0 s 内反应，定位误差为被测管长的2 。现已在胜利油田的临盘一济南，沧州一临邑两条管道上应用“日。负压波法对检测来的泄漏信号是微弱的情况下，如对于已存在的固定泄漏及缓慢、没有明显负压波出现的泄漏则失效。东北大学与胜利油田胜通新科技开发中心研制的流体输送管道泄漏智能诊断与定位系统应用在胜利油田河口采油厂的义首线、孤东线等输油管道上，采用输差一压力波耦合法进行泄漏检测与定位，可测量单段最大管长为5 0 k m ，漏点定位误差为管长的2 ，最小检测泄漏量为管道输量的2 ，报警反应时间小于5 5 秒“e 】。该方法的缺点是泵阀等操作扰动或管道本身动力学变化都非常敏感，易造成误检，从而使得情况变得复杂。第一章概论北京工业大学焦敬品等人研究了基于导波理论的管道泄漏声发射定位技术，其技术原理是属于声波法。根据模态声发射理论，将圆管中导波传播理论应用于管道泄漏的声发射检测，建立管道中泄漏声发射信号的多模态传播模型，并在提取单一模态导波的基础上，提出了声发射泄漏定位方法。试验研究技术指标为：定位误差最大为1 3 ，平均误差为5 “n 。泄漏产生的噪声微弱，由于应力波衰减的影响，能够检测到的距离受到限制，对于长距离和埋地管道的泄漏检测，则必须沿管道安装许多传感器，这种方法成本很高。目前，该技术处于理论和实验室研究阶段。1 4 本文研究的意义和主要工作我国管道运输工业正处于蓬勃发展时期，且管道输送己在我国能源产业中占有极其重要的地位。加强管道泄漏检测与定位技术的研究与应用，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。本文提出基于激励响应的管道泄漏检测方法。其基本原理如下：在输液管道末端执行一个可控和安全的阀门操作( 快速部分关闭阀门) ，得到管道系统的响应。因为泄漏点处产生压力波反射和折射，因此测量的压力信号中包含管道系统的故障信息。本文提出将阀门快速部分关闭，并引起管道流体波动，应用行波法和传递矩阵法计算管道系统的激励响应压力信号。为了有效分离出管道泄漏点的信息，将时域压力信号进行小波变换。小波变换在时频域中具有抑制噪声和表征信号局部特征的能力，并且小波变换系数的极值对应检测信号的奇异点，所以，可通过小波变换检测激励响应压力信号的突变点( 奇异点) 。通过检测到的信号突变点就可确定泄漏信号到达管道末端的时间，因而就可实现泄漏检测和定位。同时将激励响应压力信号消噪后进行快速富立叶变换( f r r ) ，将信号在频域中进行分析，因为泄漏点的位置显著影响压力频域响应图中的峰值点和最低点出现的位置，因此通过波动压力的频率响应可以计算出泄漏点的位置。本方法比应用特征线法分析管道泄漏具有模型确定性和计算简便性，同时与m p e s h a 、f e r r a n t e 等人提出的周期性关闭阀门和全部关闭阀门的方法相比具有安全性和可操作性。结合我国长输管线的实际情况，本文提出的方法满足以下条件：天津大学工学博士学位论文1 、管道泄漏检测设备集中在站内，不需要在站外添加任何附加设备。2 、激励压力波信号比只有泄漏引起的负压波信号清晰、抗干扰能力强。3 、泄漏检测与定位的时间短，且定位相对精确。4 、泄漏检测设备具备远传和网络功能。本文深入研究了管道流体力学的各种数值计算方法，推导了流体管道数学模型及统一表达式。本文提出了泄漏检测与定位的新方法一激励响应法，应用小波变换提高了泄漏检测的灵敏度和漏点定位的准确度。同时对激励响应压力信号在频域中的表现进行了推导，分析了如何通过压力的频率响应计算出泄漏点的位置。主要的研究工作如下：l 、阐述了圆形管道流体流动的基本假设和流体力学的基本方程，推导了流体管道数学模型及统一表达式。提出了基于激励响应的管道泄漏检测方法。研究了基于激励响应的泄漏管道流体瞬变模型的求解和管道泄漏信息的理论推导等问题。2 、应用行波法和传递矩阵法对激励响应压力信号在时域和频域中的表现进行了理论计算，分析了如何通过压力的时域和频域响应计算泄漏点的位置。将激励响应压力信号消噪后进行快速富立叶变换( f f t ) ，将信号在频域中进行分析，通过波动压力的频率响应计算出泄漏点的位置。3 、利用信号奇异点与小波变换模极大值在多尺度上变化对应的性质，将小波变换确定时域压力信号奇异点。通过信号突变点( 奇异点) 以确定泄漏信号到达管道末端的时间，实现泄漏检测和定位。4 、对激励响应方法用于管道泄漏检测的效果进行实验验证。介绍所采用的实验设备与测试系统。叙述实验原理及数据采集、处理的方法。得到1 2 种工况下管道末端的压力信号实验结果，并对实验信号进行分析。5 、构建了输油管道泄漏检测系统的总体结构，研究了输油管道泄漏检测系统应用的关键技术- m a t l a bw e bs e r v e r ，开发了基于m a t l a bw e bs e r v e r 的输油管道泄漏检测系统。该系统具有丰富的信号分析、检测功能，可实现远程输油站点的数据传输，远程泄漏检测的功能。6 、对全文进行总结，得出结论，归纳全文的创新点，并对今后的工作加以展望和设想。第二章管道泄漏检测技术的理论基础第二章管道泄漏检测技术的理论基础研究基于激励响应的输油管道泄漏检测方法涉及的泄漏管道流体瞬变模型的求解和管道泄漏信息的理论推导等问题。本章在这两方面进行了研究，建立了无损流体管道、平均摩擦管道和分布摩擦管道模型的统一数学表达式，探讨了管道模型的两种求解方法。在此基础上，引出泄漏管道流体瞬变模型的求解方法以及泄漏信息的理论推导依据。2 1 圆形管道流体流动的基本假设和流体力学的基本方程管内流体传输与瞬变的研究工作最早是从研究波在管道中传播过程开始的，从1 9 世纪初发展到现在，已经形成了一套较为完整的流体网络理论。这一理论综合了流体力学和电传输线理论两方面的研究成果，从而为利用电网络传输线理论来研究流体管道传输和瞬变问题提供了重要的理论依据。在电学中电的性质用电阻、电容和电感三个基本参数来表示。在流体流动中也表现出类似的现象，流体运动时表现出来的粘性和压缩性以及维持现有运动状态的惯性等，通常也用流阻、流容和流感来比拟对应的电学参数。此外，还把压力差比拟为电压，流量比拟为电流，从而建立起流体网络的一套分析方法嘲。但流体和电子毕竟是两种本质不同的介质，它们之间存在着显著的差异。为了推导流体管路瞬变模型及其参数，要求以下六个基本假设：( 1 ) 流体是层流流动。在圆形管路中雷诺数应小于2 0 0 0 。( 2 ) 流体轴向对称，没有切向速度分量。( 3 ) 流体流动为小幅度信号( 小扰动) ，其马赫数很低，忽略直流的影响，即认为流体本身流速远小于波的传播速度。和平均密度相比，密度变化很小，信号为声学型的。( 4 ) 由于流体的可压缩性，其粘性力比较小。其严格的假设为= ；l ( 国为圆频率，y 为流体运动粘度，a 为声速) 。由于这一假定，就从动量方程和能量方程中消除了速度和温度的轴向梯度。( 5 ) 管路半径小于流体流动的波长，通常表示为w f r o 1 ( 为圆形管路半径) 。这个假设表明在管路横截面上压力是均匀的，因而径向速度为零。天津大学工学博士学位论文( 6 ) 相对管直径来说，臀路必须充分长，使管路端点的影响可以忽略不计。在上述假设下，流体力学基本方程即被线性化，使问题大大简化。这时：连续方程为：害+ p 罢：o ( 2 - 1 )动量方程为：塑0 t = 一吉罢+ y l 三r 旦o r ( ，塑o r ( z - _ _ 一二+ y l 一一l ，一| ll z z jp 叙l川能量方程为：鳓罾= 鲁+ d 吾昙( ，詈) c z 状态方程为：i p 2 p r 乒1 砟：z , , a p l 。p( 气体)( 液体)( 2 - 4 )以上各式中，甜为轴向速度；，为时间；p 为运动粘性系数；p 为密度；p 为静态压力；r 为管内半径；c ，为定压比热；r 为绝对温度；k 为流体导热系数；几为液体容积模量；& 为气体常数。各种流体管路模型及其参数，都是从以上这些流体力学基本方程推导出来的。2 2 流体管道数学模型及统一表达式2 2 1 无损流体管道数学模型假设流体是非粘性流( y = 0 ) ，流体和管壁间无热传导，即管壁是绝热的，管内流体与外界无热交换，温度在径向均匀分布，即娑= 0 。此时动量方程和鼻下o r连续方程简化为：第二章管道泄漏检测技术的理论基础望：一旦塑a xa 钟鱼：一盟瓠p 叠融对公式( 2 - 5 ) 进行拉式变换，得( 2 - 5 )式中p ( x , s ) 为p ( x ，t ) 的拉晋拉斯变换；q ( x , s ) 为q ( x ，t ) 的拉酱拉斯变换；a 为管内压力波的传播速度。对于无损管道模型，单位长度串联阻抗z 和并联导纳】，为如下形式：睁卜多“拭蝴，【z 。署j 国；y 2 舌j ( 频域)应用电学比糊的方法管道侍输- b 稗的串联阳杭z 和并联导纳，为如下形式：z：=r+lszr + f l o l ；y 卜= g 6 + + j c o 。c 管磊8 ，i =；( 频域)式中，r 为单位长度流阻，它表现为流体的粘性；上单位长度流感，它表现为流体的惯性；g 单位长度流导，它表现为流体的热传导；c 单位长度流容，它表现为流体的压缩性。对于无损流体管道模型，流阻和流导等于零，即矗= g = 0 ；单位长度流感和流容分别为三：旦和c ：冬。ap a 单位长度传播常数为：纠阳姒坍一卜力”私智掣掣天津大学工学博士学位论文r = 届= 撕面i = s 厉= 言( 拉式域)r = j 、 面= 墨翌4沏域)( 2 - 9 )管道特性阻抗为：z c s = 溉= 号( 2 - 1 0 )2 2 2 平均摩擦管道数学模型( 均匀绝热)假设流体为均匀粘性流动( 1 ，0 ) ，流体和管壁间无热传导，即管壁是绝热的，管内流体与外界无热交换，温度在径向均匀分布，即娶：o 。对动量方程和连续方程简化并取拉式变换，得：对于平均摩擦管道模型，单位长度串联阻抗z 和并联导纳】，为如下形式：= 等+ j p 删帆r = p a 2 加( 拉挚堋( 2 - 1 2 )= r + - 三j o j l ；y = ，国c( 频域)单位长度传播常数和特性阻抗分别为：r = 厨= 瓜丽= s 厕届z c 再= 爵= 延聘2 2 3 分布摩擦管道数学模型( 尼科尔一布朗模型)( 2 - 1 3 )( 2 1 4 )m嘲d卜坍訇纠佟和掣掣第二章管道泄漏检测技术的理论基础假设流体为均匀粘性流动( i ，o ) ，流体和管壁间有热传导，即f f - l 0 ，劈管壁假设为等温的。对动量方程和连续方程简化并取拉式变换，得：下a p ( x , s ) ：一- z ( 。) q ( 础)盥下o q ( x , s ) ：一】，( 。) p ( )蕊对于分布摩擦管道模型，单位长度串联阻抗z 为如下形式：z ( s ) =并联导纳l ，为如下形式：ycj，=c：s-+2c七一t，式中厶2 寺为单位长度绝热流感；单位长度传播常数和特性阻抗分别为：r ( s ) = 届i ：丽= r 瓜万瓣需= z c 厕( 2 - 1 5 )( 2 - 1 6 )( 2 - 1 7 )e = 薯为单位长度绝热流容( 2 1 8 )( 2 - 1 9 )式中0 ) ：1 + 竺+ 竺堕堡一+ j 旦! ! 生+ 旦! 三旦一为特里克哈( t r i k h a ) 推导5i + 0 3 0 3 0s - - l + 0 0 4s _ _ i + 0 o o l l出的一个较好的近似公式，它在h = 缈 3