（载运工具运用工程专业论文）管道泄漏检测综合实验系统开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着石油、天然气等工业的发展，自来水供水的普及，管道运输在国民经 济中的地位越来越重要。与此同时，由于输送管道管龄增长、管道腐蚀以及人 为原因，管道泄漏事故频发，造成了资源严重浪费，并且危险物质外漏，造成 环境污染，给人民的生命财产造成了威胁。因此，建立一套有效的管道泄漏检 测系统，避免或者尽可能的减少损失，具有重要的意义 本文从实验的角度，建立了管道泄漏检测实验系统，一方面为管道泄漏检 测的实际运用提供基础；另一方面，为其它学员学习并进一步深入研究管道泄 漏检测技术给出参考。基于已有泄漏检测的方法和近期一些新技术成果，本文 主要进行如下的研究。 广泛查阅了相关资料，以实验系统为基础，在实验室中搭建实验台，模拟 实际应用管道输送液体正常运行以及发生泄漏时的状况。通过了解现有的主要 管道泄漏方法，结合实际，选择负压波联合流量法进行泄漏检测。为了达到实 验所预计的要求，进行了重要检测仪器以及数据采集卡的选型以及相关调试。 由于实验管道是短管道，为了能够准确的对泄漏点定位，对泄漏点定位的 绝对误差要求十分严格，即要求采集的数据能反映极短时间内的数值变化，因 此对数据采集提出了要求。本文建立了一套符合实验系统要求的高速数据采集 系统，保证了系统精度。 对实验数据的处理是进行管道泄漏判断和泄漏点定位的关键。传统的用于 信号时频分析的方法是短时傅立叶变换，本文将它和近十年发展起来的小波分 析进行了对比，确立使用小波分析来进行数据处理。实验证明，小波分析在信 号分析中对于信号中噪声的剔除有很好的效果。在对泄漏点定位中，即奇异点 定位中，小波分析可以反映奇异点的位置和性质。 最后，基于实验原理和数据处理理论，使用虚拟仪器编程技术实现了管道 泄漏检测的软件系统并应用于该实验系统，对实验结果进行了分析。文中介绍 了虚拟仪器和它的开发平台l a b v m w ，并应用l a b v i e w 软件做了一些新的尝 试，解决了在软件实现中的一些问题。系统软件使用简单，效果良好，为程序 的使用人员提供了良好的操作环境。 关键词：管道泄漏；数据采集；小波分析；定位；l a b v i e w 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o m ei n d u s t r i e s ，s u c ha sp e t r o l e u m , n a t t l r a lg a sa n ds o o n ，a n dt h ep o p u l a r i z a t i o no fr u n n i n gw a t e rs u p p l y , t h ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o np l a y s m o i la n dm o l li m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y m e a n w h i l e ，b e c a u s et h ea g e o fc o n d u i t 鲁o w sa n dt h ep i p e l i n eh a sb e e ne r o d e d , a sw e l la st h ea r t i f i c i a lr e a s o l l s ， t h ec o n t r e t e m p sf r o mp i p e l i n e l e a k i n g a r eh a p p e n e df r e q u e n t l y , w h i c hc a u s e s i l s o l , u c eh a sb e e nw a s t e ds e r i o u s l y , a n dt h ee n v i r o n m e n th a sb e e np o l l u t e d , f u r t h e r m o r e , l e a d st h r e a tf o rp e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t ya st h ed a n g e r o u sm a t t e rl e a k e d o u t t h e r e f o r e i ti ss i g n i f i c a n tt h a te s t a b l i s h i n gas e to fe f f e c t i v ed e t e c t i o ns y s t e mf o r p i p e l i n el e a k , t oa v o i do rt or e d u c el o s sa sf a ra sp o s s i b l e f r o mt h ee x p e r i m e n t a la n g l e ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h ed e t e c t i o ns y s t e m sf o rt h e e x p e r i m e n to fp i p e l i n el e a k o nt h eo n eh a n d ，i to f f e r st h ee s s e m i a lr e s e a r c hf o rt h e p i p e l i n el e a kd e t e c t i o nu t i l i z e da c t u a l l y ；o nt h eo t h e rh a n d ，a n dg i v e st h er e f e r e n c e s f o ro t h e rs t u d e n t st os t u d ya n dr e s e a r c ht h et e c h n o l o g yp i p e l i n el e a kd e t e c t i o nm o r e d e e p l y b a s e do nt h ec u r r e n tm e t h o d so f l e a kd e t e c t i o na n dt h es e v e r a ln e ws h o r t - t e r m t e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t s ，t h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d e st h er e s e a r c ha sf o l l o w i n g ： c o n s u l tt h er e l a t e dr e f e r e n c e sw i d e l ya n dw i t ht h et e s ts y s t e ma st h ef o u n d a t i o n , b u i l dt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi nt h el a b o r a t o r y , t os i m u l a t en o r m a lo p e r a t i o n 觞 w e l la st h el e a k i n gc o n d i t i o nw h e nt h ep i p e l i n et r a n s p o r t st h el i q u i dp r a c t i c a l l y t h r o u g hu n d e r s t a n d i n gt h el e a d i n ge x i s t e dp i p e l i n el e a k i n gm e t h o da n dc o r r e c t i n g r e a l i t y , c h o o s e st h en e g a t i v ep r e s s u r ew a v e t h a tu n i t sw i t hf l u xm e t h o dt oc a r r yo nt h e l e a k i n gd e t e c f i o mi no r d e rt oa c h i e v et h ee x p e r i m e n t a lt a r g e t , w r i t e rh a sc a r r i e do n t h ed a t aa c q u i s i f i o nc a r dm a t c h i n ga n dc o r r e l a t e dd e b u g g i n go ft h ei m p o r t a n t i n s t r u m e n t a t i o n s b e c a u s et h ee x p e r i m e n t a lp i p e l i n ei st h es h o r t , i no r d e rt ol o c a t et h el e a k i n g p o i n ta c c u r a t e l ya n dt oc a l lf o rk e e p i n ga l le x t r e m e l ys t r i c to v e rt h ea b s o l u t ee n d r d u r i n gl o c a t i n gt h el e a k i n gp o i n t ，n a m e l yr e q u e s t i n gt h a tt h ed a t aa c q u i t t e dc a l lr e f l e c t t h ec h a n g ei nt h ee x t r e m e l ys h o r tt i m e t h e r e f o r e d a t aa c q u i s i t i o ni sv i t a l n l i st h e s i s h a se s t a b l i s h e das e to fh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma c c o r d i n gw i t ht h e h 武汉理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls y s t e mr e q u e s t , w h i c hg u a r a n t e e st h ea c c u r a c yo f s y s t e m i ti sw i t hf o c u so np r o c e s s i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t at oj u d g ew h e t h e rt h e p i p e l i n ei sl e a k i n go rn o ta n d t ol o c a t et h el e a kp o i n t t h et r a d i t i o n a lw a yu s e di nt h e f i e l do f t h es i g n a la n a l y s i so f t i m ea n df r e q u e n c yi ss h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n t h i st h e s i sh a sc o m p a r e dt h es h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f c i r m a f i o nw i t ht h ew a v e l e t a n a l y s i s ，w h i c hd e v e l o p e dd u r i n gn e a r l yt e ny e a r s ，a n dt h e nc h o s e w a v e l e ta n a l y s i st o p r o c e s sd a t a p r o v e dc l e a r l y , t h ew a v e l e ta n a l y s i si se f f e c t i v ef o rd i m i n a t i n gt h en o i s e i nt h es i 弘a ld u r i n gs i g n a la n a l y s i s i no r d e rt 0l o c a t et h el e a kp o i n t , n a m e l yi nt h e l o c a t i o no fs i n g u l a rp o i n t s ，t h ew a v e l e ta n a l y s i sc o u l dr e f l e c tt h el o c a t i o na n dt h e n a t a r eo f t h es i n g u l a rp o i n t s f i n a l l y , b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n dt h et h e o r yo fd a t ap r o c e s s i n g ， t h es o f t w a r es y s t e mo fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o nw a si m p l e m e n t e db yu s eo fv i r t u a l i n s t r u m e n tp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i e di nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l tw a sa n a l y s e d t h et h e s i si n t r o d u c e dt h e 啊r h l a ii n s t r u m e n ta n dt h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r ml a b v i e w , m a d es o m en e wa t t e m p t si nu s m gt h el a b v i e w s o f t w a r e ，a n dt h e ns o l v e ds o m ep r o b l e m s i ns o f t w a r er e a l i z a t i o n t h es y s t e m s o f t w a r ei ss i m p l et ou s e a n dw i t hg o o de f f e c t , w h i c hh a sp r o v i d e dt h eg o o d o p e r a t i n ge n v i r o n m e n tf o r t h ep r o g r a m l a s e r s k e yw o r d s ：p i p e l i n el e a k , d a t aa c q u i s i t i o n , w a v e l e ta n a l y s i s ，l o c a t i o n , l a b v i e w i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 管道泄漏检测系统开发的意义 管道运输是现代五大运输方式( 公路、水路、铁路、航空、管道运输) 之一。 相比其它的四种运输方式，管道运输具有自己独特的优势。它是一种连续运输 方式，效率高；管道一般埋于地下，不受外界条件限制；一般不产生环境污染 和噪声污染；运输成本低。基于此，管道运输在近几十年得到了迅速的发展。 至2 0 0 3 年底，我国油气管道累计长度4 5 8 6 5 k m ，管道长度居世界第六位。 其中，原油管道1 5 9 1 5 k m ，天然气管道2 1 2 9 9 k m ，成品油管道6 5 2 5 k m ，海底管 道2 1 2 6 k m 。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国天然气管道得到快速发展，天然气消费领域逐步 扩大，城市燃气、发电、工业燃料、化工用气大幅度增长。2 0 0 4 年投产的西气 东输工程横贯中国西东，放射型的支线覆盖中国许多大中城市，并于2 0 0 5 年通 过冀宁联络线与陕京二线连通，构成我国南北天然气管道环网。忠武输气管道 也于2 0 0 4 年底建成投产。到2 0 0 5 年初步形成西气东输、陕京二线、忠武线三 条输气干线，川渝、京津冀鲁晋、中部、中南、长江三角洲五个区域管网并存 的供气格局。i l l 除此之外，管道运输在我们的日常生活中也得到了广泛的应用，比如和我 们密切联系的城市供水系统，现在供水系统已经逐步延伸到广大农村。煤气系 统更是极为庞大的管道网络，并且通过管道还可以完成诸如面粉，水泥等固体 物质的输送。 随着我国国民经济的迅速发展，管道运输在经济发展中的角色越来越重要， 已经成为国内经济发展不可或缺的一部分。 但是，随着管道投入使用的时间增加，管道不可避免的会出现磨损、腐蚀 等现象，加之人为破坏等原因，使得管道泄漏事故时有发生。 对于石油天然气输送管道，石油产品和天然气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，由于石油产品和天然气是易燃、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 武汉理工大学硕士学位论文 产，进而造成更大的闻接损失和恶性事故。例如，2 0 0 0 年7 月1 1 日，尼日利亚 发生石油管道爆炸，造成2 5 0 余人死亡，1 0 0 多人重伤，经调查，这个事故正是 由于管道发生泄漏后遇火引发的。 在日常生活中，由于管道泄漏给人们的生活带来不便的事故也经常发生。 一旦供水管道发生泄漏，不仅导致水资源的大量浪费，并且可能导致自来水的 污染，给人们的生活带来很大危害。 管道自投入使用至其寿命极限，其事故率会遵循一个浴盆曲线。在管道投 产初期，由于其设计、施工以及管材等多方面的缺陷，管道事故率会较高。随 着时间的延续，事故率会逐渐下降，这一阶段称为早期故障期；在幼年期以后 的一段时间内，事故率会保持在一个较低的水平，这个阶段称为偶然故障期； 随后，由于管道老化以及外部腐蚀的原因，事故率会逐渐上升，直至管线全部 报废，这段时期称为耗损故障期。代表管道生命周期的浴盆曲线如下图所示。 图1 - 1 管道寿命浴盆曲线 在我国，大多数正在使用的管道是在6 0 7 0 年代建立的，很多管道已经进入 或者即将进入耗损故障期，腐蚀磨损并由此导致管道泄漏现象容易发生。每年 用于管道的大修费高达数亿元。并且管线过长，通常铺设在人烟稀少的地带， 不易管理，管道盗油现象时常发生。事实上，我国输油管道仅1 9 7 8 1 9 9 4 年就发 生各种泄漏事故1 1 6 起，其中5 次的泄漏量达3 5 5 0 吨。某油田在1 9 9 9 年l o 月 一个月内就发现泄漏点1 3 处，损失原油数千吨，经济损失2 0 0 多万元【2 1 1 。 如果能够及时发现管道泄漏的情况，并且进行可靠的泄漏点定位，一方面 当泄漏事故已经发生的时候，可以极大的减少资源的泄漏浪费并由此造成的环 境污染，并且降低引发危险事故的发生概率，保障人民生命财产的安全；另一 方面可以大幅度减少更换管道的数量，延长那些已到服务期限仍然无恙的管道 的使用期限，带来可观的经济效益。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 管道泄漏检测系统的要求嗍 为了能够最大限度的降低管道泄漏所带来的损失，要求管道泄漏检测系统 具有如下几个特点： ( 1 ) 泄漏检测的灵敏性。管道泄漏检测系统能够检测从管道渗漏到管道断裂 全部范围内的泄漏情况，发出正确的报警提示。 c 2 ) 泄漏检测的实时性。从管道泄漏到系统检测到泄漏的时间要短，以便管 道管理人员要立刻采取措施，减少损失。 ( 3 ) 泄漏检测的准确性。一方面要求准确的检测到泄漏的发生，另一方面也 要求误报警率低，报警系统可靠性高。 ( 4 ) 泄漏定位的准确性。当长输管道发生不同等级的泄漏时，检测系统提供 的泄漏点位置与管道真实泄漏点误差要小，以使管理人员尽快到达泄漏点进行 维修。 ( 5 ) 检漏系统易维护。当检漏系统出现故障时，要容易调整，尽快修好。 ( 6 ) 检漏系统具有较高的性价比。 1 3 管道泄漏检测方法 1 帕 基于以上的要求，从6 0 年代开始。国内外就对管道泄漏方法进行了研究。 根据检测位置的不同，目前已有的管道泄漏检测方法可分为管内检测法和管外 检测法。其中管外检测法又根据检测对象的不同，分为直接检测法和间接检测 法。 3 武汉理工大学硕士学位论文 图卜2 管道泄漏检测方法示意图 4 武汉理工大学硕士学位论文 各种检测方法的基本原理及特点如表1 一l 中所述： 表1 - 1 检测方法说明 序 检测 方法检测方法基本原理 检测方法特点及适用范围 号 名称 将探测球从管道一端放入，球在管定位较为准确，但是投资巨 管内 道内部杌组流动介质的推动颓流而下， 大。实对性差，只适用于较大日 1 检测 采用漏磁，超声波、涡流、录像等技术径管道。而且极易发生管道堵塞、 采集管道内的信息，然后从管道另一端 停运等严重事故。 法 将探测球取出，最后进行数据分析和处 理，确定泄漏点位置。 由技术人员携带检测仪器或经过训 定位精度高，误报率低但 人工 练的动物分段对管道进行检测，或者在依赖于人的敏感性、经验和责任 2巡检管道沿线设立标志桩，公布管道所辖单 感，只能发现较大的泄漏，并且 法 位的电话号码，管道发生泄漏时由附近检测是问断的进行，实时性差。 居民打电话报警。 检测 在管道外侧按适当间隔设置相应的检测定位精度高，但不适用 3 元件检测元件，以检测管道泄漏的液体。于已建成管道。 法 气体 利用检测有无可燃气体的方法来确 多用于气体管道。受温度、 4 检测 定可燃性气体及液体的泄漏一般多采污染或机械运行的影响较小。但 用基于直接接触燃烧热原理的可燃性气对密闭空问内的管道泄漏检测时 法 体检测器。 易引起燃烧或爆炸事故。 用直升机吊一航天用的精密红外摄不能连续监测，灵敏度高。 机载像机沿管道飞行，记录埋地输油管道周 这种方法可用于长管道微小泄漏 5红外围某些不规则的地热辐射效应，利用光的检测。 线法 谱分析可检测出较小泄漏位置，分析结 果记录在摄像机内。 压力 当管线上有泄漏发生时，泄漏点处的多数情况下需要安装至少一 6 梯度 压力将发生变化，形成以泄漏点为拐点只压力传感器在站外，容易受不 的压力梯度曲线。通过求解压力曲线的 法分子的破坏。 法 拐点，可大体计算出泄漏点的位置。 当管道某处突然发生泄漏时，泄漏具有很快的响应速度和较高 负压 处将出现瞬态压力突降，形成一个负压 的定位耪度，可以迅速检测出大 7 波。利用压力传感器捕捉负压波特征进的泄漏，自动化程度高。但对于 波法 行泄漏判断和泄漏点定位。 比较小的泄漏或已经发生的泄漏 检测效果不佳。 5 武汉理工大学硕士学位论文 续表卜l 检测方法说明 序 检测 方法 检测方法基本原理检测方法特点及适用范围 号 名称 在管道沿线设点进行压力检测，用 只需要一个或几个检测点的 压力 统计的方法分析检测值，提取压力变化 压力信号，不需要建模，存储数 s点分 曲线，并与管道处于正常运行状态时的据量和计算量都比较小，对气体 曲线作比较，根据两者之问的差别来判 管道泄漏的响应时间比较快但 析法 断泄漏是否发生。是无法定位，同时对泄漏量的评 估能力比较差。 流量管道无泄漏运行时，管道的入口流 原理简单，但只能大概判断 9 平衡 量应该等于出口流量。有泄漏时，在管泄漏的发生，不能进行定位。检 法道的入口与出口将出现明显的流量差。测周期长， 该方法通过声音传感器检测沿管壁泄漏检测准确率高，定位精 声学传播的泄漏点噪声，利用相关信号处理 度高，但沿程安装大量传感器在 1 0 方法技术进行泄漏检测和定位。许多场合是不适宜的，限制了其 应用。 状态建立管道内流体压力和流量的状态 该方法假定两站的压力不受 1 1 观测方程，对管道流量的实测值和观测值的泄漏量的影响。仅适于小泄漏量 器法偏差信号采用适当的算法进行检漏。 情形 系统辨识出管道模型，与管道实际值进 假设两站的压力不受泄漏量 1 2辨识行比较来进行泄漏判断。的影响。也仅适于小泄漏量情形。 法 建立包含泄漏量在内的压力、流量 该法需要知道过程噪声的均 状态空间离散模型，以管道首末端的压值、方差等先验知识，且检测与 卡尔力和流量作为输入，将整个管道空间定 定位精度和等分段数有关。 1 3曼滤量划分为若干段，在每一个分段点上设 波法定压力、流量，泄漏量等3 个状态，并 以各分段点处的泄漏量作为输出，运用 适当判别准则进行泄漏检测和定位。 建立管内流体动态模型，定时采集检测精度依赖于模型和硬件 实时管道上的一组实际值，由模型观测管道 的精度，且泄漏点的定位机理大 1 4模型中流体的压力和流量值。然后将这些观都是基于线性压力梯度法。 法测值与实测量值作比较来检漏，若二者 不一致，则说明管道发生泄漏。 建立检测系统，系统由瞬变流模型，准确性，可靠性较高，但模 瞬变 检测装爱，计算机和数据采集板组成。 型比较复杂。 i 5流模 通过采集数据、模型分析以及通讯来检 测管道泄漏。为提高检测的准确性、灵 型法 敏度及精度。可在监测管道中间增加若 干压力和温度传感器。 6 武汉理工大学硕士学位论文 续表1 - 1 检测方法说明 序 检测 方法检测方法基本原理检测方法特点及适用范围 号 名称 统计 使用统计方法，对管道的入，出 不需要建立管道模型，计算量比 1 6 分析 口的压力、流量值进行分析。连续较小，误报警率低，适应环境能力强。 计算发生泄漏的概率。确定泄漏发 但是对仪器的精度要求比较高。对气 法 生后。采用最小二乘算法进行定位。体管道泄漏的响应时间比较慢。 神经 基于人工神经网络的方法对管实时性好，并且具有较强的抗恶 1 7网络 道运行状况进行分类识别，是一种劣环境和抗噪声干扰的能力。但作为 基于经验的类似人类的认知过程的一项新的技术，人们对它还需要一个 法 方法。 认识过程。 模式对泄漏产生的瞬态负压波进行抗干扰力强，具有高效快速的特 1 8 识别特征提取和结构模式识别，以此进 点，但需要丰富的先验 法行泄漏检测。 1 4 国内外泄漏检测技术发展现状n 5 1 町 发达国家非常重视管道的安全运行，管道实时监控技术在国外已比较成熟。 譬如壳牌公司( s i - i e l l ) 在2 0 世纪9 0 年代中期提出了使用序列概率比试验( s p r t ) 方法进行泄漏定位，美国d e t e x 公司近年开发出来监测流量的s e r i e s 2 0 0 0 长输 管道泄漏监控系统。美国休斯顿声学系统公司开发的波势压力波管道泄漏监测 装置，这些国际大公司的产品由于价格高昂，脱离了国内各油田的经济实际，从而 制约了这些产品在国内各油田的推广应用。 国外泄漏检测和定位技术的最高水平以美国声学系统集成公司( a c o u s t i c s y s t e m si n c o r p o r a t e da s i ) 的产品波敏系统( w a v ea l e r ts y s t e m ) 为代表。美国声学 系统集成公司的前身成立于2 0 世纪7 0 年代，从其第一个用户德克萨斯煤气管道 公司使用管道监控产品以来，它致力于管道监控和泄漏定位技术的研究已经二 十多年，成为名副其实的声学泄漏定位检测技术在管道领域应用的先驱。自从 1 9 8 4 年，该公司的声学泄漏检测系统( a c o u s t i cl e a k d e t e c t i o ns y s t e m sa l d s ) 户在 包括煤气、液体、多相流体等多个应用领域在世界范围内得到广泛的应用。美 国声学系统集成公司的产品以在线实时管道监控为特色，通过应用声学技术使管 道泄漏监控系统具有以下突出特点： ( 1 ) 较短的泄漏检测与定位时间，一般在泄漏发生后的一分钟以内。 ( 2 ) 非常精确的泄漏定位精度，一般在士3 0 米或被监控管线全长士o 1 以内。 ( 3 ) 极低的误报警率，一般小于每年一次。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 可应用于大多数压力管道，包括单楣液体、单相气体和多相流体管道。 ( 5 ) 非常灵敏可检测和定位微小泄漏。 ( 6 ) 可在各种工况下正确检测泄漏，如开关阀、启停泵、增减流量、停输状态等。 ( 7 ) 安装操作简单。 ( 8 ) 能在通讯短时中断情况下连续检测泄漏。 ( 9 ) 便于维护 ( 1 0 ) 在泄漏时可自动关闭阀门。 ( 1 1 ) 保护环境，减少污染。 ( 1 2 ) 减少经济损失。 国内管道检测技术最早从输油管道泄漏监测开始研究，由于国内管道输油历 史仅4 0 多年，监漏技术研究在九十年代刚起步。国内输油管道实时监测技术目 前总体上处于弓l 进吸收、研制开发的阶段。就国内已有的技术能力，可以在 定程度上解决石油管道的实时监视和泄漏报警问题。天津大学、清华大学、中 国石油大学及中原油田、大庆油田、辽河油田，均在此方面作过一定的研究。 总结起来较为成熟的技术有以下三个： ( 1 ) 流量平衡法 目前中原油田已在各采油厂的几十条管线上应用，对于及时发现原油的泄 漏，收到了较好的效果。但是，该方法的不足之处在于它不能确定泄漏的大 体位置，当有泄漏发生时，必须依靠大量的人力并花费大量的时间去查找泄漏 点。 ( 2 ) f 1 2 , 力梯形法 清华大学管道泄漏科研小组与沈阳东北管道设计研究院基于压力梯形法合 作研制的“输油管道泄漏计算机实时监测系统0 于1 9 9 3 年在东北输油管理局 铁秦线新名至黑山泵站之间7 1 5 8 公里的管道上进行了现场试验。 ( 3 ) 负压波检测法 天津大学基于此法建立了一套管道泄漏实时检测系统，反映灵敏，报警时 闻小于2 0 0 秒，最大定位误差小于被测管道管长的2 ，在2 0 0 1 年3 月5 日至4 月】2 日，共检测到泄漏3 9 处，取得了良好的效果。 1 5 本文研究的主要工作 本文的研究目的为：建立一套管道泄漏检测综合实验系统，管道内流体为 水，在所测对象管道首尾装上相应测控仪器，基于负压波和流量的检测方法。 s 武汉理工大学硕士学位论文 通过对压力流量等信号的采集分析，比较准确地判断管道是否存在泄漏点以及 定位管道泄漏点的位置。 基于此项研究目的，本文做了如下的研究工作： 1 ) 实验方法的研究和基于实验方法的实验装置的设计。 在实际的管道泄漏检测中，单一的检测方法往往难以达到良好的效果。本 文根据现代管道泄漏检测技术的发展，选择了适合实验室实际情况的管道泄漏 检测方法一负压波联合流量平衡法。在实验中，采用流量平衡法对管道的泄漏 情况进行报警，而负压波法进行管道泄漏点的定位，具有较高的定位精度，反 映速度较快，费用较低。 2 ) 研究建立管道泄漏检测所需数据的采集系统。 为了达到管道泄漏检测的灵敏性，泄漏定位的准确性，必须首先保证管道 检测采集数据的可靠性。本实验要求所捕捉的时间差的精度较高，所以要求数 据采样率较高。基于这个要求，进行了数据采集卡的选型，并且采用中断的传 输方式进行数据采集，达到了实验数据采集的要求。 3 ) 基于现代信号处理技术研究如何实现管道泄漏定位，并在此基础上提高 定位精度，排除工况干扰。 在本实验系统中，一个关键的地方就是管道泄漏的定位。泄漏检测系统的 重要特点除了要求泄漏报警的灵敏性与准确性，就是要求泄漏点定位的准确性， 这也是管道泄漏检测的一个难点。本文基于负压波的检测方法，对压力信号进 行分析处理来定位泄漏点。文中采用的信号处理方法是小波分析，这种方法在 信号的滤波和信号奇异点的捕捉上具有良好效果。 4 ) 基于虚拟仪器开发一套管道泄漏检测系统，并进行实验结果分析。 所谓虚拟仪器是指将通用计算机和功能化模块结合起来，使传统仪器的某些 硬件软件化，利用计算机强大的图形处理能力，建立虚拟仪器前面板，完成对 仪器的控制、数据分析、存储和显示，而且可以根据自己的需要定义仪器功能， 使用户操作这台计算机就像操作一台自己专门设计的传统仪器一样，改变了传 统仪器的使用方式，提高了仪器的功能性和使用效率。上面所提到的几项技术， 都可以通过虚拟仪器的开发平台l a b v i e w 编程得以实现，开发出管道泄漏检测 软件系统，并应用与实验系统，对实验结果进行分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章管道泄漏检测方法研究与实验系统结构设计 这个实验选取的管道泄漏检测方法是负压波联合流量法。流量法在进行管 道泄漏判断上具有很好的效果。负压波的检测方法目前研究得比较多，它对硬 件要求不高，反应迅速，定位比较准确。在若干技术问题得到解决的情况下， 利用该方法进行管道泄漏检测可以很好的加以利用。在本文建立的实验系统中， 硬件是根据负压波检测方法设计的，数据处理是在此方法的指导思想下进行的。 2 1 负压波联合流量法原理 2 1 1 负压波泄漏检测原理“2 霸 流体管道在运行于稳定状态时，其内部的流体将具有很高的压力。当流体 输送管道因为机械、人为破坏、材料失效等原因发生泄漏时，由于管道内流体 压力很高，而管道外一般为大气压力，管内输送的流体在内外压差的作用下迅 速流失，泄漏部位产生物质损失，这会引起发生泄漏场所的流体的密度减小， 进而引起管道内此处流体的压力降低。压力将突然下降，由于流体的连续性， 管道中的流体速度不会立即发生改变，流体在泄漏点和与其相邻的两边的区域 之间的压力产生差异，这种差异导致泄漏点上下游区域内的高压流体流向泄漏 点处的低压区域即泄漏点两边的液体迅速填充了泄漏区，从而又引起与泄漏点 相邻区域流体的密度减小和压力降低。这种现象从泄漏点处沿管道依次向上、 下游方向扩散，相当于在泄漏点处产生了以一定波速传播的负压力波，在水力 学上称为负压波( 又称为减压波) 。 图2 1 负压波波形 由于流体管道的波导作用，这种由于泄漏产生的负压力波能够沿管道传播。 其传播的速度大致等于声波在管输流体内的传播速度，输油管道中负压力波的 l o 武汉理工大学硕士学位论文 传播速度一般会达到z o o o 】2 0 0 n l ，s 之阈，水中会更快一些。通过在管道两端设 置动态压力传感器可以捕捉到这种负压力波。根据负压波的传播速度和两端压 力传感器捕捉到这种负压波的时间差可以进行泄漏点的定位。 警道 首端 图2 2 负压波原理图 管道 尾端 在图2 - 2 e f t ，假设被测管道对象长度为l ，流体流速为v ，负压波波速为a 。当 泄漏发生在距管道酋端x 米的地方时。负压波从泄漏点到达管道首端的时间为t t ， 到达管道尾端的时间尾为t 2 。令a t = t l t 2 ，则存在如下的关系： 垃：羔一l - x d vd + v 等价于x = 去仁d v ) + r 2 一v 2 ) 】 在上式中，4 的值一般在1 0 0 0 m s 以上v 的值在1 5 3 m s 之间， 忽略不计。上式可以简化为： x = 去( 三+ 口址) x 一泄漏点距离首端测压点的距离，m 一被测管路对象的长度，t n 口一压力波的传播速度，m s ，一下游传感器接受到压力波的时间差，s 在公式( 2 1 ) 三个因变量中，l 可直接测量。4 与a t 待求。 2 1 2 基于流量平衡法的判断原理 因此v 通常 ( 2 - 1 ) 负压波判定方法虽然在定位上具有较快的响应速度和较高的定位精度，但 是管道在正常运行时，本身工况的改变，例如调节阀门。也会引起负压波的出 现，从而容易造成误报警。并且，负压波本身是瞬态的，只能反映出管道产生 泄漏的过程，不能持续的反映出管道泄漏的状态。为了克服这些缺点，我们同 武汉理工大学硕士学位论文 时引进流量平衡法来对管道的运行状况进行检测，这种方法原理简单，效果好， 可以准确的反映管道是处于正常运行状态还是泄漏状态。并且可以识别出负压 波的产生到底是由于泄漏引起的还是由于某些其它工况的改变引起的。阿 2 5 】 根据上文介绍，这种方法需要在被测管道对象首端和尾端装上流量计以获 得首端和尾端的流量。当管道正常运行时，首端流量和尾端流量的差值维持在 某一个值附近。当管道发生泄漏时，首端流量将有所上升( 如图2 - 3 ( a ) 所示) ，尾 端流量将会下降( 如图2 3 所示) ，因此首尾端流量差将明显增大。可以设置一 个阈值，超过这个阈值，即可判断管道发生泄漏。图2 3 显示了管道发生泄漏时 首端和尾端流量的变换。 m 2 3 ( a ) 泄漏时首端流量变化图2 - 3 ( b ) 泄漏时尾端流量变化 同时，由管道工况改变和管道泄漏都产生负压波时，流量差呈现不同的特 征。例如在本实验中，管道泄漏时产生负压波，此时流量差增大。而关闭阀门 停止泄漏时，压力在上升后立刻又产生一个很明显的压降，但此时的流量差是 2 1 3 负压波波速的求取 负压波波速的求取公式如下： 不晕： i i 蝇丝的! 藏否进砭定焦与记录 图2 - 4 ( b ) 关闭泄漏发润时流量差变化 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 口= ( 2 2 ) 七一液体体积弹性系数，p a ； p 一液体密度，堙r a 3 ； e 管材弹性模量p a ； d 一管径，m ； p 一管壁厚度，m c m 一管道约束系数 e 、d 、e 、c 。直接可测或者是经验数据直接可得。对于k 和p ，是流体温度 的函数。因为本实验的流体是水，下面以水的参数特性分别讨论式子( 2 2 ) 中的 各参变量。 ( 1 ) 水的密度p 水的密度与水的温度有关，不同的温度水呈现出不同的密度特性。 下面给出0 。c 4 9o c 不同温度下水的密度值( k g m 3 ) 以作参考。 表2 1 不同温度下水的密度【2 目 t01234 o9 9 9 8 4 09 9 9 8 9 89 9 9 9 49 9 9 9 6 49 9 9 9 7 2 1 09 9 9 6 9 99 9 9 6 0 59 9 9 4 9 79 9 9 3 7 79 9 9 2 4 4 2 09 9 8 2 0 39 9 7 9 9 l9 9 7 7 6 99 9 7 5 3 79 9 7 2 9 5 3 09 9 5 6 4 59 9 5 3 3 99 9 5 ，0 2 4 9 9 4 7 0 0 9 9 4 _ 3 6 9 4 0 9 9 2 2 1 29 9 1 8 2 69 9 1 4 3 29 9 1 0 3 19 9 0 6 3 2 t56789 o9 9 9 9 6 49 9 9 9 4 09 9 9 9 0 19 9 9 8 4 89 9 9 7 8 l 1 09 9 9 0 9 99 9 8 9 4 39 9 8 7 7 49 9 8 5 9 5 9 9 8 4 0 4 2 09 9 7 0 4 39 9 6 7 8 29 9 6 ，5 1 l9 9 6 2 3 1 9 9 5 9 4 3 3 09 9 4 0 2 99 9 3 6 8 19 9 3 3 2 5 9 9 2 9 6 2 9 9 2 5 9 1 4 0 9 9 0 2 0 89 8 9 7 8 6 9 8 9 3 5 89 8 8 9 2 2 9 8 8 4 9 7 ( 2 ) 液体的体积弹性系数k 它表征了液体受到外界压力变换引起液体体积改变的特性。它是压缩系数的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 倒数。压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时，其体积的变化率。计 算公式如下： i n ( f x1 0 1 0 户0 5 1 9 9 2 + 0 0 0 2 3 6 6 2 t + 9 4 6 5 9 6 p 0 2 + 2 3 6 6 6 7 t 慨2( 2 - 3 ) 式中，f 一压缩系数，1 p a ： p o - - 标准密度，k g m j l t 一液体温度，o c ； 体积弹性系数k = l 1 7 。 其中标准密度指在规范规定的标准条件下的物质密度比如，在温度为 2 7 3 1 5 k ( 0 1 2 ) 、压强1 0 1 3 2 5 p a ( 1 a r m ) 下的气体标准密度；温度2 0 2 、压强l a t m 下 的液体标准密度。1 2 6 2 7 1 从表2 1 可以查出，温度2 0 0 c 时水的密度是9 9 8 2 0 3k g m 3 ，代入式子( 2 3 ) 中 即可得到 l n ( f x l 0 1 0 1 = o 5 1 9 9 2 + 0 0 0 2 3 6 6 2 什8 4 6 5 9 6 9 9 8 2 0 32 + 2 3 6 6 6 7 t 9 9 8 2 0 3 2 = 1 3 6 9 5 6 7 + 0 0 0 4 7 4 1 4 t 贝： f - - e l j 6 舒6 7 + o 删7 4 1 舢1 0 1 0 k = 1 f = 1 0 1 0 e 1 ”+ o “”( 2 - 4 ) 通过公式( 2 - 4 ) 计算出0o c 4 9 0 c 不同温度下水的弹性系数值( 1 0 1 0 p t ) ，以作 参考。 表2 2 不同温度下水的弹性系数值 t0l234 o0 2 5 4 20 2 5 3 00 2 5 1 80 2 5 0 60 2 4 9 4 1 0 0 2 4 2 40 2 4 1 30 2 4 0 20 2 3 9 00 2 3 7 9 2 00 2 3 1 20 2 3 0 1