（测试计量技术及仪器专业论文）输油管道泄漏检测.pdf

沈阳工业人学硕士学位论文 摘要 原油管道输送中的泄漏事故，不仅给企业造成巨大的经济损失，同时给管线内原油 泄漏留下了隐患，如不及时发现，容易发生火灾，爆炸，环境污染等灾难性事故。因 此，为保障管道安全运行和将泄漏事故造成的危害减少到最小，需要研究泄漏检测技术 以获得更高的泄漏检测灵敏度和更准确的泄漏点定位精度。 本文没计了+ 套音波测漏系统，该系统将音波测漏法、负压力波法和流量平衡法结 合起来，以音波测漏法为主，负压力波法和流量平衡法为辅，适用于原油集输管线及原 油长输管线的泄漏检测，无漏报、误报率低，实时监测原油管道的温度、流量、压力、 音波等运行状态参数。 本文分析了热油输送管道沿程音波传播速度的变化；采用了g p s 来统一首末两端 数据采集系统的系统时间以致更精确的捕获音波到达首末两端的时间差；运用无线数传 电台进行数据传输；研制了声纳6 级放大器；设计了一套分布式主从长输管道泄漏实时 监测系统，在管线的首末两端分别安置了声纳传感器，压力传感器，温度传感器，流量 计，u a 3 0 1 采集 。 本文重点研究了如何提取和分析管道中的音波泄漏信号，以及对提取系统的软硬件 实现和泄漏信号分析法的提出。由于音波的泄漏波型是以5 h z 以下的低频率利用管内 的流体当介质传送，被声纳接收器检测到时已被各种噪声淹没了，本文将运用声纳前级 放大器将其放火，然后运用小波具有的多显微镜特性，把低频信号逐次地放大来提取此 信号，最后运用互卡h 关理论来确定其泄漏点，得到了实质性的效果。 关键词：管道，泄漏，小波变换，相关，定位 沈阳工业大学坝士学位论文 l e a kd e t e c t i o nf o rp e t r o l e u m p i p e l i n e a b s t r a c t t h e l e a k a g e a c c i d e n t si np i p e l i n e st r a n s p o r t a t i o nn o to n l yc a t l s eg r e a tl o s so f m a e f i a l ，b u t a l s oa r el i k e l yt oc a u s ec o r r o s i o nl e a k si nt h ef u t u r ea tt h es a m et i m e i fw ed o n tf i n dt h el e a k p l a c ei nt h ep i p e l i n e si nt i m e ，i te a s i l yo c c u l s t ot h et r a g e d ya c c i d e n t so ft h ef i r e ，t h eb l a s ta n d t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n c o n s e q u e n t l y i no r d e rt og u a r a n t e et h ep i p e l i n e sw o r ks a f e l ya n d m i n i m 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 sn e c e s s a r yt o s t u d yl e a k a g ed e t e c t i o n t e c h n o l o g y t op r o m o t et h es e n s i t i v i t yo f d e t e c t i o na n d a c c u r a c y o f l o c a l i z a t i o n t h i st e x td e s i g n saa c o u s t i cl e a kd e t e c t i o ns y s t e mw h i c hs h o u l ds y s t e m a t i ct ol e a kh u n t i n g a c o u s t i cw a v el a w , n e g a t i v ep r e s s u r ew a v em e t h o da n df l o wb a l a n c e dl a wc o m b i n e t o g e t h e r ， l e a kh u n t i n gl a wa st h em a i nf a c tw i t ht h ea c o u s t i cw a v e ，s h o u l d e rt h ew a v el a wo f t h e n e g a t i v e p r e s s u r ea n d b a l a n c e dm e t h o do f f l o wi no r d e rt oc o m p l e m e n t , a n di ss u i t a b l ef o rt h ec r u d eo i l a n dc o l l e c ta n dl o s et h el e a k i n ga n dm e a s u r i n go ft h ep i p e l i n ea n dc r u d ep e t r o l e u ml o n g d i s t a n c ep i p e l i n e t h ew r o n gr e p o r tr a t ei sl o w i th a sn o tf a i l e dt or e p o r t ，a n dm o n i t o r st h e t e m p e r a t u r eo f t h ec r u d ep e t r o l e u mp i p e l i n ei n r e a lt i m e ，s u c ho p e r a t i o ns t a t ep a r a m e t e r sa sf l o w t h ep r e s s u r e ，t h es o u n d w a v e ，e t c t h i st e x ta n a l y s e sa c o u s t i cw a v ec h a n g eo fs p r e a d s p e e da l o n gt h eh o to i lw a n s p o r t p i p e l i n e ；a d o p t i n gg p s w h i c hu n i f i e sp i e c e so ft h ee n ds y s t e m a t i ct i m e ，b o t he n d so fd a t a c o l l e c t i n gs y s t e ms ot h a tc a t c h a c o u s t i cw a v er e a c hp i e c e so fl a s tl i n et w os h o r tt i m ed i f f e r e n c e a c c u r a t et oc o m e ；u s i n gt h ew i r e l e s sb r o a d c a s t i n gs t a t i o na n dc a r r y i n go nd a t at r a n s m i s s i o n ； h a v i n gd e v e l o p e d t h es o n a r p r e a m p l i f i e r ；d e s i g n i n g as e to fd i s t r i b u t e d p r i n c i p a l a n d s u b o r d i n a t eo f t h er e a l t i m em o n i t o rs y s t e mo f p i p e l i n el e a k a g el o n g ，a n dt h ee n db o t he n d si n p i p e l i n ep l a c e s s o n a r s e n s o r , p r e s s u r es e n s o r , t e m p e r a t u r es e l l s o r ，f l o wm e t e r ，u a 3 0 1 s e p a r a t e l y t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h i st e x ti st od r a wa n da n a l y s e dt h ea c o u s t i cw a v es i g n a li nt h e p i p e l i n e ，a n dr e a l i z ea n d l e t o u tt h e p u t t i n gf o r w a r do f a n a l y t i ca p p r o a c h o f t h es i g n a li nd r a w i n g t h es y s t e m a t i cs o f t w a r ea n dh a r d w a r e b e c a u s et h ew a v et y p eo f l e a k i n go f t h ea c o u s t i cw a v e u t i l i z e st h ef l u i dw h i l em a n a g i n gt oa c ta sw i t ht h el o wf r e q u e n c yu n d e r5 h zt h em e d i u mi s 一2 一 沈阳工业人学硕：l ：学位论文 c o n v e y e d , m e a s u r e da n dh a sb ea l r e a d ys i n k e dd o w nb yv a r i o u sk i n d so fn o i s e st h e nb yt h e s o n a rr e c e i v e r ，t h i s p a p e ra p p l y st h es o n a rp r e - a m p l i f i e rt oa m p l i f yi t a n da m p l i f yt h el o w f r e q u e n c yf i l t e r i n gs i g n a ls t e pb ys t e pi na c c o r d a n c e 、v i t h t h em i c r o - m i r r o rc h a r a c t e ri nw a v e l e t t r a n s f o r m t h e n ，a p p l y c o r r e l a t i o nm e t h o dt ol o c a t et h e l e a k a g es p o t w eh a v ep u tt h i s t e c h n o l o g y i n t oe f f e c ta n db e n e f i tf r o mt h et e c h n o l o g y - k e yw o r d s ：p i p e l i n e ，k a k ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，c o r r e l a t i o n ，l o c a t i o n 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：礁盘：至日期：坦 ，! ! 塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：阻导师签名：攀日期： j 。 沈阳t 业大学1 i ! i 11 _ 学位论文 1 绪论 1 1 管道运输的发展状况 管道运输是一种新兴，经济的运输方式，l 其在输送气体，液体等具有天然优势。 特别是在输油气物料时，管道具有平稳连续，安全性好，运输量大，质量易保证，物料 损失少以及占地少，运费低等特点，已成为了油气输送的首选方式。世界上第条运 输管道建于1 8 世纪中叶，1 8 6 5 年美国建成了世界上第一条输油管道。随着现代化工业 大发展，输油管道被大量建造。目前，全世界已有输油管道2 0 0 多万公罩，并且以每年 四万公里的速度递增，承担了9 5 以上的原油输送任务。经过一百多年的发展，管道运 输业已成为与铁路、公路、航空，水运并行的五大运输手段之一。比较几种运输方式， 管道输送具有的特点是：第一，大大减少转运换装环节，实现连续运输，运量大，效率 高，q 谴免空车返回的运力浪费并且易于实现自动化管理；第二，管道建设投资少，见 效快，占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周期和费用均不到铁路1 2 ， 占地只有铁路的1 9 ，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 实现完令密闭化，效率高，损耗低，燃料消耗是铁路的1 2 ，是公路的1 9 ，运输损耗是 铁路的l 3 ，是公路的l ，2 ；第四，可适应各种复杂地形，地貌和气候条件，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。管道，犹如人体内担负着血液运输任务的血管一样在经济发展中j f 起 着不口j - 替代的重要作用。 尽管我国管道运输历史悠久，是最早使用管子输送液体的国家，但直到解放初期我 围尚无一条长距离输油管道。1 9 8 5 年，我国建设了全长1 4 7 公里的克拉玛依独山子 管道。这条管道的建成，拉开了我国输油管道建设的序幕。随着几大油m 的相继开发， 我国输油管道的建设也取得了长足的进步。截至1 9 9 9 年底，我国输油管道总长度已达 1 25 0 8 2 公里，共完成输油量1 89 4 7 0 9 万吨。管道运输承担了我国原油总运输量的7 0 以上，大大缓解了铁路运输的紧张局面，为国民经济的发展做出了突出贡献。 一些幽：! 些查堂堡：! ：堂篁丝兰 随着我国国民经济的迅速发展以及国家能源战略的调整和西气东输工程的顺利实 施，我国输油管道运输也随之快速发展，在国民经济中起着越来越大的作用，已成为我 国国民经济的命脉。 1 2 管道运输面临的问题 随着管线的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在，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。世界上管道工业史 大量的数据表明：管道同世界卜其他事物一样，事故的发生都有称为“浴笳曲线”的 般规律【”。 如图1 1 所示的浴翁曲线表明：在整个管道寿命区内都有事故发生，事故发生的概 率可分为三个阶段：管道在运行第一阶段( 初生期) 和第三阶段( 衰老期) 事故概率较高，第 二阶段( 稳定期) 概率较低，其原因是：初生期管道在材质，防腐层，焊口等方面存在着 未被检查发现的缺陷或由于铺管作业中造成的管体损伤，以及由于管道周围的环境仍未 达到稳定造成的事故，另外第三方破坏及操作失误也是重要的原因，因而失效率较高， 但随着时间的延续，失效率逐渐降低。在稳定期，由于管道周围环境趋于稳定，在初期 造成事故的管道本身的一些缺陷也通过维修得到了弥补，事故率比初生期显著降低，管 道处于平稳运行期。因此这一时期影响事故率的丰要因素是第三方破坏或操作失误等。 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。 失效期 图1 1 事故率的一般规律 经过检测和维修的管道，低事故率部分能显著加宽，管道运行寿命延长。每条管 线由于设计水平，施工质量，介质腐蚀陛，维护条件以及安全管理水平的差异，因而各 沈阳工业人学硕_ 学位论文 自的浴盆曲线也有所不同。但总的规律是相同的老管道将不可避免地恶化或达到设计寿 命极限。 统计资料表明：目前世界上总管网的5 0 已经用了3 0 年甚至更长时间i s 。由于腐 蚀，意外损坏等原因，管道事故发生的概率增大，泄漏事故时有发生，这个问题任何国 家都必须面对，而且会日趋严重，由于所输介质的危险性和污染性一旦发生事故会造成 巨大的生命财产损失和环境污染。由于一般长输管道长度都在二、三百公旱以上，发生 泄漏事故之后难以及时发现或者确定泄漏地点，可能酿成更大的事故。 我国长输管线中相当一部分已经步入衰老期，油气管道泄漏事故时有发生。据统计 1 9 8 6 年以前油田管线平均穿孔率为o 6 6 次( 公里年) 。如果能够及时发现泄漏，确定 泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的危害。在我国的各次泄漏事故中除了自然腐蚀 穿孔漏油和外部机械撞击等因素外，人为打孔破坏管道的事故还占相当大的比例。 目前我国大庆、胜利、大港、辽河、华北、中原等油田，很多管线已达设计年限， f 处于超龄服役阶段。特别是有些在文革期问修建的管道，现场施工质量和管道防腐状 况均较差，较常发生泄漏事故。打孔盗油的不法分子一般在夜间打孔，安装阀门，盗 油，且管道埋地较深，盗油现场处理地很隐蔽。通过常规的巡线检测方法很难找到盗油 点，为了及时发现泄漏事故，减少油汽损失，维护管道的正常运行，同时打击猖獗的盗 油犯罪，除了从立法上加强保护外，技术上也给泄漏检测提出了更高的要求。 1 3 管道泄漏检测技术国内外研究现状 对输油管道进行泄漏检测的目的在于准确报告泄漏事故的发生，及时判断泄漏发 生的程度及位置，从而最大程度地减少经济损失和减小环境污染，降低事故隐患。因 此，对管道的泄漏检测应该满足以下几个要求： ( 1 ) 准确可靠地判断泄漏的发生，并能够在较短的时间内判断出泄漏点的具体位 簧。 ( 2 ) 准确可靠地判断泄漏程度，能对较小量的泄漏作出判断。 ( 3 ) 检测系统原理简单，易于操作和维护。 沈m t 业夫学硕l 学位论文 幽外对于管道泄漏榆测与定位技术的研究始于七卜年代末，八十年代已经进入了商 品化阶段。我国对这一领域的研究起步较晚，总体还处于对国外技术的模仿和改进状态 中。目前，国内外出现的泄漏检测和定位方法主要有以下几种： ( 1 ) 高聚物电缆法 通过在输油管道外部铺设一种对油、汽都非常敏感的高聚物电缆，当管道发生泄漏 时，外溢 ： 的烃类物质渗入电缆中，引起电缆物理性质或化学性质的改变【6 】。目前，这 利t 方法主要是利用泄漏物质造成电缆短路和电缆阻抗变化，通过计算短路或阻抗变化位 置，从而完成检测和定位。这种高聚物电缆法能够准确检测出泄漏的发生和位置，但材 $ 4 成本高，无法连续使用。 ( 2 ) 空气取样法 这种方法主要通过检测有无可燃气体的方法检测泄漏的发生。此方法采用火焰电离 检测器和可燃气体监测器检测由于泄漏而外溢的烃类气体。前者的原理是计算在电场环 境下，烃类气体在纯氢火焰灼烧f 产生的带电碳原子个数，当这种碳原子个数大于某设 定的闽值后，说明周围可燃气体的浓度超标，即发生了泄漏。这种方法可以检测出 l o 。m o t m 3 的气体，灵敏度极高，并且抗干扰能力强。可燃气体监测器主要用来检测 管道周围可燃气体的浓度，一旦可燃气体浓度超标即发出报警，这种方法“一般可检测出 2 2 4 1 0 坍d l m 3 的气体】。 空气取样法的主要优点是检测准确，灵敏度高，受外界干扰小。但这种方法必须配 合人工巡线使用，并且容易引发封闭空间内泄漏气体的爆炸，危险性较大。 ( 3 ) 压力梯度法 在输油管道内设置压力传感器，实时采集压力信号构成该管道的总体压力梯度。理 想情况下，管道内压力沿管道线性变化，当发生泄漏并再次稳定后，管道内的压力变化 将如图1 2 所示。可见，某点发生泄漏时，该点前后段的压力梯度发生变化，比较前后 两次的压力梯度特征，即可以判断泄漏程度和定位泄漏点”1 。 沈阳p t 业凡学硕士学伉论文 p 1 图1 2 压力剃度法泄漏检测原理 p 2 采用这种方法时，需要将管道内的压力分布理想为线形分布，但实际情况下往往并 非如此，因此，采用这种方法的定位误差较大。 ( 4 ) 动态模型分析法 这种方法通过建立数学模型模拟液体在管道内的流动，以可测量的参数作为边界条 件，对管道内的压力和流量参数做出估计。同时，实时采集输油管道中的相应参数，并 与估计值比较。当偏差大于某给定的阈值时，即表明发生了泄漏。目前其主要方法有状 态观测器、k a l m a n 滤波器及系统辨识等 1 0 d l 】。这种方法需要建立质量平衡、动量平 衡、流量平衡及流体动力方程，计算相当复杂，而且难以建立较为准确的管道模型，因 此，采用该方法进行泄漏检测和定位的难度较火，目前还没有得到广泛应用，但是这项 技术在解决了若干技术难题后，能够最大程度地预报诊断管道泄漏事故，具有良好的发 展前景”1 。 ( 5 ) 流量平衡法 当管道无泄漏运行时，管道的入口流量应该等于出口流量。当发生泄漏时，在管道 的入口与出口将形成明显的流量差。这种方法原理简单，但只能大概判断泄漏的发生， 不能进行定位。如果需要对漏点进行定位，需要在管道内多点处检测流入和流出流量， 将信号汇总后构成流量平衡图线，根据图线的变化判断泄漏点的位置。这种定位方法检 测周期长，定位精度受管道运行状况和流量计的精度影响较大。 ( 6 ) 压力点分析法 沈阿1 ：业大学硕i 学位论文 压力点分析法( p p a ) 是种用于气体、液体及某些多相流管道泄漏榆测的方法。当 管道f 常运行时，其压力与密度等呈现为连续变化的稳定状态。一旦发生泄漏，这一稳 定状态被破坏，管道便向新的稳定状态过渡。在这一过程中，将产生一沿管道传输的扩 张波，这种扩张波将引起管道内各点压力的变化，并将其中某点的泄漏特征传递到信号 检测点。存对检测到的信号进行分析后，可以提取出数据变化曲线，并与稳定状态下的 数据曲线对比，从而得判断管道内是否出现泄漏1 4 1 2 1 。 这种方法费用低，易于维护，并且能够检测到较小量的泄漏，目前采用此法检测出 的泄漏量最小可到管输流量的o 1 。并且，p p a 的分析过程不必在各稳态问过渡，比 较适合管道的现行操作。但是，这种方法彳i 能对泄漏点进行定位，因此应用范围较窄。 ( 7 ) 负压力波法 当管道内某点发生泄漏时，在泄漏处会出现瞬态压力突降，即产牛负压波，这个负 i 波会以一定的速度沿着输油管道向两端传递。由于管线的波导作用，这个负压波能够 传播数十公罩，并被设在管道两端的压力传感器所捕获。根据首术两端捕获负压波的时 间差和负压波在管道中传播的速度，即可以判断出泄漏点的位置m 、1 ”。 负压力波法是目前国内应用较多的管道泄漏检测方法，这种方法对硬件要求不高， 不需要数学模型，计算量小，但要求泄漏发生是快速的，突发性的，对于泄漏速度很 慢，就没有明显的负压力波，此方法无效。 ( 8 ) 相关分析法 相关分析法需要在输油管道的两端设置传感器实时采集信号，并将两端信号进行相 关处理。当管道未发生泄漏时，相关函数将保持在零值附近。发生泄漏后，相关函数将 发生显著变化，且相关函数的峰值位茕可以表征泄漏点的位置。 采用相关分析法判断泄漏时，不需要建立复杂的数学模型，计算量小，并且可以检 测出小泄漏的发生。但是，由于管道材料等原因，传感器采集到的信号往往搀杂有很大 的干扰。 ( 9 ) 音波测漏法 沈阳工业人学硕十学位论文 音波测漏法是利用声音传感器检测沿管线传播的泄漏点噪声进行泄漏检测和定位。 它足通过泄漏时产生的噪声进行检测，榆测的是一个稳定的噪声，但存稳定噪音分析上 很不敏感，还不如负压力波法。 以上介绍的几种泄漏检测方法是目前出现较多，应用较为广泛的方法。可以看出， 这些方法中，大部分是基于现在控制理论和信号处理的方法。在早期的管道泄漏检测 巾，多使用检测管壁状态的直观方法，比如人工巡线法等，这些方法需要花费大量的人 力物力，并目检测效果受人为干扰较大。后来出现的管内探测球方法】，利用超声探测 球在管道内漂流，以检测管道内状况。年u 前面介绍的高聚物电缆法一样，这种方法检测 费用昂贵，不适合我国的现实情况。实际上，国内外管道泄漏检测方法的研究一直在进 行中，目前还没有一种方法能取得完满的效果，需要根据不同的情况，使用其中。种或 几种方法联合进行检测。 1 4 论文研究的意义和主要工作 1 4 】论文研究的意义 管道作为国民经济中但任重要运输作用的工具，维护管道的安全运行，防止管道生 产事故的发生是管道工业生产和管理部门一项很重要的工作。作为管道事故中最经常发 生的泄漏事故一旦发生，不仅造成大量物质损失，泄漏的有毒化学物质还带来环境污 染，更为严重地是有可能带来的人身伤亡事故。泄漏检测是维持管道正常生产运行的 s c a d a 系统的重要部分，随着我国两部原油，天然气的开发和输送，管道泄漏检测的 紧迫性f 1 益突出，管道泄漏检测是多领域，跨学科的课题，涉及到管道流体力学、热力 学、传感技术、微弱信号检测、信号处理等多个学科。 1 4 2 论文研究的主要工作 本文研究了流量平衡法，负压力波法，音波测漏法的原理，并将压力，流量和音波 联合判别应用于管道检测。提出了一套有效的输油管道检测方案，并对其软硬件进行了 设计，包括研制声纳前级放大器，用d e l p h i 语言实现了傅立叶变换，互相关，滤波等数 字信号处理算法，最终跟据两端拾取的音波信号的时间差来确定泄漏位置。 沈阳丁业火学硕士学位论文 2 管道泄漏检测方法 2 1 音波泄漏检测的原理 当管道发生泄漏时，在泄漏瞬间，管道压力平衡遭到破坏，造成系统流体弹性力量 的释放，引起瞬时音波震荡”。这个音波的扩张以流体本身的音速，从漏油点向四面八 方运动。在管道之中，音波从破裂的来源点，透过流体导引，沿着管壁向两侧扩张，其 传播的速度在不同规格管线中并不相同，在原油中约为l o o o 1 2 0 0 m s 。设置在泄漏点两 端或泵站两端的声纳传感器拾取音波信号，根据两端接收到音波变化的时间差，根据信 号处理相关方法就可以对泄漏点进行定位。音波测漏检测示意图如图2 1 所示。 图2 1 音波测漏法检测示意图 图中x ，爿，分别为泄漏点到首站和末站的距离，l 为管线的总长度，d 为音波的 传播速度。 2 。2 音波、压力、流量联合判别的应用 所谓负压力波法实际是在管输介质中传输的压力波。当管道发生泄漏时，由于管内 外的压差，泄漏点的流体迅速流失，压力下降。泄漏点两端由于压差而向泄漏点处补 充。这一过程依次向上下游传递，相当于泄漏点处产生了一定速度的压力波。但当管道 在处于难常运行状态时，泵站会经常执行开泵、停泵、调泵、切换阀门等操作。这些操 沈阳工业人学硕：l 一学位论文 作也会引起负压力波的出现。由于无法辨别负压力波的出现是由于泄漏还是由于管道的 i f 常操作所致，因此，仅凭借负压力波的出现判断是否发生泄漏将会有很大的误差。 流量平衡法就是当管道出现泄漏时，管道的输入、输出端必然出现流量差，根据两 端流量是否平衡来判断是否有泄漏，但用此方法1 i 能确定泄漏点的位置，必须和其它方 法联合使用。 本文设计了一套音波测漏系统，将音波测漏法、负压力波法和流量平衡法结合起 来，以音波测漏法为主，负压力波法和流量平衡法为辅。 其实，音波测漏法和负压力波分析法在定位原理上是一样的，通过波的传递时间之 差，来确定漏油点的位置。但他们测量原理是不同的，负压力波法是在泄漏的瞬间捕获 泄漏信息，音波测漏法是通过泄漏时产生的噪声进行检测，是检测一个稳定的噪声。前 者误报，漏报的现象较多，管道的任何压力波动均可误报，且一旦泄漏瞬间来捕获到就 将漏报，后者是对稳定的泄漏音进行检测。正好弥补负压力波法的不足。但在稳定噪音 分析上又不如负压力波法敏感。这两种方法有机结合，并和流量平衡法配合，就构成了 音波泄漏监测系统。在信号处理分析上，本系统采用数据处理技术进行滤波，特征提取， 相关定位等一系列先进的技术，保证系统可靠稳定的运行。管道定位原理图如图2 2 所 不。 泄漏点的计算公式如下 图2 2 定位原理图 a t = x 1i v 一乜一x 1 ) i v ( 2 1 ) 沈mr 业人学硕i 二学位论文 最终解得： x ，= l 2 + f + u 2( 2 2 ) 式中：x 1 泄漏点距首站的长度，单位为m ； 三管线总长度，单位为m ； u 音波速度，单位为m s ； & 两端音波到达的时间差，单位为s 。 根据文献m 1 所述，音波波速会受到油温的影响而成为一个非定常量。因此，将波速 u 视为常量将会给定位带来误差。本文将在第2 | 3 节研究如何对这种常规方法加以改 进。 2 _ 3 对音波波速定位方法的一些改进 2 3 1 原油温度的沿程变化 由于我国原油多为高含蜡高粘性，需加热后输入管路，提高输送温度以降低其粘 度，减少摩阻损失，同时保证油流的温度高于原油的凝固点以防止冻结。热油输送不同 于等温输送的特点在于：输送过程于存在着热能损失和摩阻损失两方面的能量损失，而 随着散热损失的进行，摩擦损失的情况也是变化的，所以必须研究原油输送管道的热能 损失过程。 一般出站的温度比较高，大约有5 0 7 0 。c ，在经过长距离输送后，温度降低非常明 显( 原油在输送过程中，油温一直是处于变化中的) ，结果音波波速受到油温的影响而 成为了一个非定常量。因此，如果我们将音波速度u 定为常量，将会给定位带来误差。 在文献”中，推导得出原油温度变化公式为： 式中： 瓦原油流过上长的管道后的温度值，单位为 l 。，管道的出站油温，单位为； ( 2 3 ) 沈阳工业大学倾1 肆! 位论文 瓦周围介质的温度，曾位为： 彭原油到周围介质的总传热系数，单位为w ( m 2 k ) g 原油的质量流量，单位为蚝，h ； c 原油的比热容，单位为k j ( k g k ) 。 根据上式可绘出原油温度沿程变化曲线，如图2 3 所示： 图2 3 原油沿程降温曲线 由式( 2 3 ) 可知，由于在出口处油温较高，原油温度r 与周围介质温差较大，因此能 量散失较多，温降幅度较大；而随着油温与周围介质温度的接近，温降幅度会趋于平 缓，逐渐接近介质温度。在这里的研究中，忽略了原油在管道中运输时的摩擦对油温的 影响。实际上，这些摩擦转化成为了热能从而加热了原油。为了研究的方便，本文中没 有涉及到摩擦的影响。同时，公式( 2 3 ) 中将原油的总传热系数足、质量流量g 以及比 热容c 视为常数。 2 3 2 音波波速的确定 在传统的常波速泄漏定位方法中，音波在管道中传播的速度u 被视为定常值，通常 在1 0 0 0 1 2 0 0 m s 之间。实际上，音波波的传播速度由下式决定”6 、1 7 1 ： ( 2 4 ) j 塑些茎堂堡，! 堂堕丝壅 式中： u 管内音波传播速度，单位为m s ； 世液体的体积弹性系数，单位为p a p 液体的密度，单位为砖l n 3 ； e 管材的弹性模量，单位为p a ； d 管道直径，单位为m m ： e 管壁厚度，单位为r f f f t l ： c ，与管道约束条件有关的修j f 系数。 实际上，在式( 2 4 ) 中的弹性系数k 以及液体密度p 等参数都受到油温的影响。因 此，其速度公式司写为随温度变化的形式，如下式所示： d “1 k o ) p 0 ) + ( 掣c 。 ( 2 5 ) 下面对式中的各项给予讨论： ( 1 ) 液体的体积弹性系数k ：它表证了液体受到外界压力变化而引起液体体积改变 的特性。原油的主要组成部分烃类液体的体积弹性系数受温度影响很大，温度越高，其 体积弹性系数越小。其沿程变化曲线如图2 4 所示。液体体积弹性系数k 的值等于压缩 系数的倒数。i k 缩系数的计算由( 2 6 ) 公式如示8 】： 1 n ( f 1 0 1 。) = 0 5 1 9 9 2 + 0 0 0 2 3 6 6 2 t + 8 4 6 5 9 6 p 0 2 + 2 3 6 6 7 t p 2 0 ( 2 6 ) 式中：，压缩系数，单位为阳。 p 。一一标准密度，单位为硌a n 3 t 温度，单位为。 沈阳工业人学硕：学位论文 再得： k ：土 f 图2 4 体积弹性系数沿程变化曲线 ( 2 7 1 ( 2 ) 原油密度p ：通常，原油的密度受到压力的影响较小，而受到温度的影响较 大。其密度随温度变化沿程变化曲线如图2 5 所示； 类 图2 5 原油密度沿程变化曲线 ( 3 ) 修正系数c 。：根据文献6 i ，由管道的三利，支承情况，将管道约束分为以下三 沈i j i i t 业大学倾士学位论文 1 ) 管道只在上游末端固定； 2 ) 全管固定住，没有轴向运动； 3 ) 管道全部采用膨胀接头连接。 相对应，修j f 系数c 可取为下列值： 1 ) c ，= 1 一2 ，为管材的泊松系数； 2 ) c l = 1 一2 ，u 为管材的泊松系数； 3 ) c ，= 1 。 本课题中研究的输油管道埋于地下，属于第：种情况。这里“取o 3 0 。 ( 4 ) 管材的弹性模量e ：本课题研究的输油管道材质为1 6 m n 钢及a 3 铡，其弹性 模量取为2 0 6 9 x 1 0 9 p a 。 ( 5 ) 管道规格d 及p ：本课题中管道规格为5 2 9 8 m m 。 2 4 数据采集时间的校准 在管道泄漏检测与定位技术中，管道两端的音波、压力、流量是其重要的判断依 据。在实际系统中，管道两端各使用一台计算机实州采集音波、压力与流量等数据。当 管道内莱点发生泄漏时，需要通过音波传播到管道两端的时间差出进行定位。显然，如 果想准确得到缸，必须保证用于分析的数据的起始时间保持一致。否则，即使能够使用 小波变换滤波准确捕捉到音波的到达时刻，也会因为信号的起始时间不一致而得到有偏 差的f 。在本课题中，解决这一问题的途径的在采集到的数据内加入其被采集到的时间 信息。在处理数据时，寻找出在同一时间被采集的数据，从而避免误差。 管道两端的计算机内部存在系统时间，它是由都系统时钟产生的。而系统时钟是由 晶振产生，由于晶振的不同以及运行环境的差异，即使管道两端的计算机规格完全相 同，在4 定时间后，其系统时钟也会产生差异。因此，如果使用两端计算机的系统时钟 为数据提供时间信息，有可能会带来一定的误差。 本课题中，采用全球定位系统( g p s ) 提供管道两端采样数据内的标准时间。采用这 种方法抗干扰性强，不受系统本身的影响，且时问准确，误差较小。随着g p s 技术的快 速发展和应用领域的不断扩大，其实现也愈加简便，且造价低廉。 2 4 1g p s 系统的概述 沈阳工业大学硕i j 学位论文 全球定位系统( o p s ) 1 1 9 1 是美国从本世纪7 0 年代开始研制的，具有在海、陆、空进 行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。g p s 系统以其全天 候、高精度、自动化、高效益等显著优点，成功地应用与大地测量、t 程测量、航空摄 影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学 等多种学科，并逐步深入人们的n 常生活中。 g p s 系统由g p s 工作卫星及其星座、地面监控系统、g p s 信号接收机三部分组 成。2 l 颗工作卫星组成了g p s 的卫星星座，其主要作用是利用无线载波向用户不问断 地发送导航定位信号，由于在卫星上装有艳原子钟，因此具有很高的时间准确度；地面 监控系统用来提供每颗卫星的运动轨道和参数，并保持各颗卫星处于同一g p s 时间系 统；g p s 信号接收机的任务是全天候、实时地接收g p s 空间卫星发出的信号，并对这 些信号进行变换、放大和处理，从获得精确的导航定位信息和精确的时间信息。利用 g p s 提供的时间信息，可以获得时间精度小t - 3 0 u s 的实时时钟信息。 2 4 2g p s 系统用于数据采集时间的校准 在提供管道两端采集数据的标准时间时，主要利用了g p s 的授时功能。因此，对 时间系统的要求非常高，其常用的时间系统有m 1 ： ( 1 ) 世界时( u t ) ：以平子夜为零点起算的格林尼治平太阳时为世界时u t 。当考虑 地球白转的不稳定性时，加入极移影响后修正为u t l ；当考虑地球自转速度季节性变化 后，修正为u t 2 0 。 ( 2 ) 原子时( a t i ) ：使用原子跃迁所产生的振荡频率为基准建立的一种均匀计时系 统。在实际中，通过对各种原子钊1 力口权平均得到。 ( 3 ) 协调世界时( u t c ) ：为避免原子时a t i 与u t i 的较大偏差而引入。u t c 与原 子时相差整秒，因此被大部分卫星跟踪站采用。 ( 4 ) g p s 时间：为g p s 系统中卫星钟和接收机钟使用的稳定而连续的时间系统。 在使用g p s 授时功能时，需要将g p s 接收机与计算机连接。计算机通过串行口访 问g p s 接收机，从g p s 接收机中提取时间信息，并提取出其中的年月日、时分秒等有 用数据 2 0 , 2 1 1 。 沈阳t 业大学硕士学位论文 本课题中，需要在采集到的数据里加入标准时间信息。此标准时问信息由g p s 系 统提供。管道两端的信号采集装置每次在采集完毕信号后，需要从g p s 接收机中得到其 数据被采集的准确时刻，并将此时间信息加入到数据中。在检测泄漏与定位时，将要找 出时间信息一致的管道首术两端信号进行判断。由于g p s 授时的精确性，在其提供了其 时间信息后，将会有效避免由于起始时间不致给泄漏检测与定位带来的误差。 2 5 数据传输 本课题中，在对管道泄漏进行检测与定位时，需要结合管道首末两端的音波，压力 与流量等信号进行联合判断。因此，需要研究管道两端的数据传输问题。本课题中，需 要将管道末端数据传输到管道首端进行分析判断。 通常，在近距离内的数据传输可以通过组建局域网来完成。通过局域网传输数据， 能够获得有较高数据传输速率，一般为1 m b p s 至几十m b p s ，而且数据传输质量较好， 洪码率较低。但是，由于其自身的局限，局域网会受到地理条件的限制，如果两个相互 传送数据的端点相距较远，则局域网的组建代价将会很高。本课题中，管道两端相距几 十公里，因此局域网并不适合本课题中的远程数据传输。因此，需要选择一种传输距离 较远目戚本较低、传输可靠的数据传输方式。 本文采用无线电台进行数据传输，所谓无线数据传输是指无须架设或铺埋电缆，所 要传输的数据信号转换成无线电波进行传送。发收端将待传的信息转换成无线电信号电 信号，依靠无线电波在空间传播，而接收端则需要将无线电信号还原为发信端所传的信 息吲。 2 5 1 利用无线电台进行远程数据传输 本文采用美国m d s 公司的m d s 2 7 1 0 无线数传电台进行数据传输。此公司成赢于 成立于1 9 8 5 年，位于纽约州北部罗彻斯特市，专门研制生产专业无线数据通信设备， 是世界公认的提供无线数据采集解决方案的领导者，其产品具有抗干扰能力强、接收灵 敏度商、传输速度快等特点。目前在世界各地已安装了5 0 多万套m d s 电台，占美国同 类产品市场的7 0 ，是这一行业最大的生产商。m d s 电台的已成为了行业的标准。 m d s 的s c a d a 电台系列是专业级的数传电台，它的设计采用了d s p ：吝片，有信道编码 前向纠错功能，它采用了数字调制解调c p f s k 、相干解调、均衡软判决等技术，软件处 沈阳工业大学颂 一学位论文 理增益达7 d b 。生产工艺采用表面焊接技术，产品的稳定性、可靠性、抗干扰性、传输 速度远远超过普通数传电台，覆盖频率为1 3 2 1 7 4 m h z 、2 2 0 - - 2 4 0 m h z 、3 3 0 5 1 2 m h z 、 8 0 0 - 9 6 0 m h z 。它的数据吞吐量大，传输距离远，全透明实时传输，使用标准的异步通信 协议，无需特别设置及编程。功率为2 5 w ；频率范围为2 2 0 - 2 4 0 m h z ；最大输出功率为 2 5 w ；电压驻波比为小于1 5 ；采用r s 2 3 2 数传接口；传输距离为开阔地形5 0 公里以 上：传输速率为9 6 0 0 b p s 。m d s 2 7 1 0 数字电台支持透明方式和硬件流控方式，它们的连 接方式分别如图2 6 和2 7 所示。 p c p c d c d l 8d c d r x d 23 r x d t x d3 2t x d d b 9 ) 6 砷 5tg 砷电氤d b 2 5 ) d s r 6 6d s r r t s t 4 r t s 8 5 c t s e t s 图2 6 透明连接 i c i ) 1 89 c d r ( d 23 p , x i 】 t x d3 2t x d i d b 9 ) g 珊 5tc 1 q 1 )电氤d b 2 5 ) d s r 5 b d s r r t s 7 4 r t s 8 5 c t s c t s 图2 7 硬件流控 沈阳工业大学硕l 学位论文 m d s 2 7 1 0 数字电台有p w r 、d c d 、t x d 、r x d 叫个状态指示灯。( 1 ) p e r ：连续 亮表示电源加到无线电设备上，没有检测到故障；快速闪光( 每秒5 次) 表示有故障；每 5 秒闪光一次表示电台在休眠方式中。( 2 ) d c d ：i ；q 光表示电台接收空中脉冲数据帧；连 续亮表示电台设备正从另一个连续发报的电台中接收数据信号。( 3 ) t x d ；数