（精密仪器及机械专业论文）油气管道泄漏检测方法的研究及应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要管道泄漏检测技术是保障管道安全生产的重要手段。由于监测要求的不断提高，泄漏检测方法经历了从以硬件为主的阶段到以软件为主软硬结合的发展过程。近年来，随着信息技术的快速发展与现代控制理论的进展，基于s c a d a技术的泄漏检测方法以其较高的性价比、灵活的运用方式获得了广泛的应用，尤其在国内，其成为对管道泄漏进行连续监测的主要手段。本文在此基础上对泄漏检测及其定位技术进行了深入研究，主要工作如下：1 研究了互相关原理在管道导波模型中的应用，得到相关系数与管道泄漏位置之间的关系。将状态估计理论引入管道信号的处理中，提出利用残差相关分析检测管道泄漏的方法。经过大量现场数据的验证，效果良好。2 研究了多尺度系统理论，首次提出利用多尺度变换分解管道动态系统的算法及多尺度相关分析处理方法。利用多尺度相关分析可以在去除高频噪声的同时，尽可能地保留泄漏的信息，提高了定位的精度。3 研究了假设检验的原理，分析了似然比检验与序贯比检验的区别，运用正态性检验与平稳性检验对信号进行预处理，提出了一种改进的序贯比检验方法检测管道泄漏。分析了传统序贯比检验的定位方法，提出了一种时间差法定位方案。经过现场应用，该方法大大降低了误报警率，提高了定位精度。4 研究了管道的瞬变模型，分析了其数值解法的特征线方法和边界条件的确定。研究了基于状态估计的模型检漏方法，给出了状态转移矩阵以及噪声协方差阵的计算结果，并通过仿真计算证明了结果的正确性。5 研究了希尔伯特一黄变换( 删t ) 的原理，首次提出利用希尔伯特一黄变换将管道信号分解为多个本征模态函数的处理方法，分析了包络条件、筛选终止条件及边界效应对信号分解的影响。运用该信号变换方法，不仅减少了噪声的干扰，而且能够提供更多的信号特征用于分类研究。6 研究了模糊聚类分析的原理，首次提出利用模糊聚类分析对管道信号进行分类的方法。通过模糊c 均值动态聚类算法得到最优分类矩阵和聚类中心。将聚类算法应用于h h t 变换后的信号，建立标准类型样本，并对待检验样本进行了正确的分类，证明了方法的有效性。关键词：管道泄漏检测定位状态估计相关分析多尺度变换序贯比检验希尔伯特黄变换模糊聚类分析a b s t r a c tt h ep i p e l i n e sl e a kd e t e c t i o nt e c h n i q u ei sal 【i n do fi m p o r t a n tt o o la tt h ea s p e c to fe n s u r i n gs a f en m n i n go fp i p e l i n e t h i st e c h n i q u eh a st y p i c a l l yg o n et h r o u g ht w os t a g e so fg r o w t ho v e rt h ep a s tt w e n t yy e a r s i nt h ef i r s ts t a g e ，h a r d w a r eb a s e dm e t h o d sa r es t u d i e da n da p p l i e d d u r i n gt h es e c o n ds t a g e ，s o t t w a r eb a s e dm e t h o d sb e g i nt ob es t u d i e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n i q u ea n dm o d e mc o n t r o lt h e o r y , t h el e a kd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nt h es c a d aa r ew i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp e r f o r m a n c e - w - p r i c er a t i o ，e a s yt ou p d a t ea n dg o o de x p a n s i b i l i t y e s p e c i a l l yi no u rc o u n t r y , t h ea b o v et e c h n i q u eh a sb e c o m el e a d i n gm e a s u r ew h i c hi su s e dt od e t e c tl e a k a g ec o n t i n u o u s l y t h er e s e a r c ho np i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ni sc a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 地m a i ne f f o r t sa c c o m p l i s h e dc a nb es u m m e du pa st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：1 t h ec r o s s - c o r r e l a t i o nt e c h n i q u ec o m b i n e dw i t l lt h ew a v ep r o p a g a t i o nm o d e li sa n a l y z e d f r o mt h i s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n dl e a k sl o c a t i o ni sa c q u i r e d a n dt h i sp a p e rd e v e l o p sar e s i d u a lc o r r e l a t i o na n a l y t i c a lm o d e lb a s e dt h es t a t ee s t i m a t et h e o r yf o rd e t e c t i n gt h el e a k si no i lp i p e l i n e t h ef i e l de x p e r i m e n t a t i o n ss h o wt h a tt h ee f f e c ti ss a t i s f a c t o r y 2 t h em u l t i - s c a l es y s t e mt h e o r yi ss t u d i e da n dt h em u l t i - s c a l et r a n s f o r m a t i o na r i t h m e t i cf o rd e c o m p o s i n gp i p e l i n ed y n a m i cs y s t e ma n dp r o c e s st e c h n i q u ei sp r o p o s e d b yu s eo fm u l t i s c a l ec o r r e l a t i o na n a l y t i c a lm e t h o d ，m o r el e a ki n f o r m a t i o ni sp r e s e r v e da n dh i g h 疗e q u e n c yn o i s ei sr e m o v e de f f e c t i v e l y 3 t h ep r i n c i p l eo f t h eh y p o t h e s i st e s t i n gi ss t u d i e da n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h el i k e l i h o o dr a t i ot e s ta n ds e q u e n t i a lp r o b a b i l i t yr a t i ot e s ti sa n a l y z e d t h ep i p es i g n a l sa r ep r e - p r o c e s s e db a s eo nn o r m a l i t yt e s ta n ds t a t i o n a r yt e s tb e f o r et h ei m p r o v e ds e q u e n t i a lp r o b a b i l i t yr a t i ot e s ti su s e dt od e t e c tt h el e a k a g e t h es h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a ll o c a l i z a t i o nm e t h o db a s e do ns e q u e n t i a lp r o b a b i l i t yr a t i ot e s ti si n v e s t i g a t e d t h ei m p r o v e dl o c a l i z a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hi sb a s e do nt h et i m ed i v e r s i t yb e t w e e np r e s s u r es e n s o r si nt h eb e g i n n i n ga n de n do ft h ep i p e l i n e s p o tr u n n i n gh a sp r o v e dt h a tt h i sl e a kd e t e c t i o nm e t h o db a s e do ns p r tc a ne x t r e m e l yd i m i n i s ht h eo c c u r r e n c eo f t h ef a l 辩a l a r n l 4 t h et r a n s i e n tp i p e l i n ef l o w sm o d e li ss t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i cm e t h o dw h i c hi su s e d 。t oa c q u i r et h en u m e r i cs o l u t i o no ft h em o d e la n da s c e r t a i n m e n to fi ib o u n d a r ye o n d i f i o u sr r ea n a l y z e d t h et r a n s i e n tm o d e l m e t h o db a s eo nt h es t a t ee s t i m a t et h e o r yi si n v e s t i g a t e da n di t ss t a t et r a n s f e rm a t r i xa n dt h ed y n a m i cn o i s ec o v a r i a n c em a t r i xa r ed e r i v e di nd e t a i l t h ec o m p u t e rs i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo f t h i sm e t h o d 5 t h eh i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r mt h e o r yi ss t u d i e da n dt h es i g n a l sd e c o m p o s i t i o nm e t h o db a s e do nt h i st h e o r yi sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt h i sm e t h o d ，s i g n a l sa r ed e c o m p o s e dm u l t i c o m p o n e n t ，c a l l e di n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n s t h es i g n a l sd e c o m p o s i t i o ne f f e c t si sa n a l y z e df r o mt h r e ea s p e c t sw h i c hi n c l u d et h em e a no ft h ee n v e l o p e s ，s t o p p i n gc r i t e r i o n s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s 6 t h ef u z z yc l u s t e ra n a l y s i sm e t h o di su s e dt oc l a s s i f yt h ep i p e l i n es i g n a l s t h eb e s t - c l a s s i f i e dm a t r i xa n dc l u s t e r sc e n t e ra r eo b t a i n e db yt h ef u z z yc m e a nd y n a m i cc l u s t e ra r i t h m e t i c t h ec l u s t e ra l g o r i t h mi su s e di nt h es i g n a l sb yt h eh i - i tt r a n s f o r m t h r e ek i n d so fs t a n d a r ds a m p l ea l ec o n s t r u c t e da n dn e wd a t aa r et e s t e d t h er e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d s ：p i p e l i n e ，l e a kd e t e c t i o n ，l o c a t i o n , s t a t ee s t i m a t e ，c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，m u l t i - s c a l et r a n s f o r m ，s e q u e n t i a lp r o b a b i l i t yr a t i ot e s t ，h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ，f u z z yc l u s t e ra n a l y s i s1 1 1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，也不包含为获得墨生盘堂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：徨谦签字日期：二仰f 年月2 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨洼盘鲎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：奁谦导师签名：签字日期：j 瞄年6 月1 日签字日期：嘶年月工zi e i天津大学博士学位论文第一章绪论1 1 国内外管道运输发展概况现代管道运输起始于1 9 世纪中叶。目前，全世界大型输油管总长超过2 0 0万公里，并且以每年4 5 万公里的速度递增。经过百多年的发展。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，可避免空车返回的运力浪费，并且易于实现自动化管理：第二。管道建设投资省、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的1 2 ，占地只有铁路的 9 ，并且管道建成投产后，9 0 的地可恢复使用；第三，运输过程可实现完全密闭化，效率商、损耗低，燃料消耗是铁路的l 2 ，是公路的1 9 ，运输损耗是铁路的1 3 ，是公路的1 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，在经济发展中正起着不可替代的重要作用【1 2 1 。我国直到1 9 5 7 年在克拉玛依油田的开发中才诞生了第一条长距离输油管道，该管道全长1 4 7 k m ，管径1 5 0 m m 。此后各油田相继修建了一批输油、输气管道，这些输油输气管网为各地的经济发展提供了有力的支持，促进了国民经济的腾飞。进入9 0 年代后，我国的长输管道建设有了新的突破，并又相继建成了一批长输管道，油气长输管道每年敷设长度超过4 0 0 公里，东北、华北、华东管网逐步完善。随着管道运输异军突起，管道运输范围显著扩大，不仅可以输送石油、成品油、水、天然气、煤气等液、气体介质。而且也可以输送城市垃圾、工业原料、粮食、水泥、煤浆等固体散装物料。管道运输潜力巨大。随着原有油、气长输管道的逐步完善，成品油、近海、沙漠管道的建设，固体物料开始应用管道输送。虽然我国管道运输事业有了较大发展，长输管道建设己初具规模。但与一些发达国家相比，尚有一定的距离。到9 4 年底，我国长距离管道是世界管道总长度的1 9 2 ，美国的1 4 0 ，原苏联的1 1 8 ：美国的管道运输量占全国货运周转量的2 4 5 ，而我国仅占2 左右。以上的这些分析均表明，我国的管道运输工业处在了一个既充满生机，又富有挑战的新时期，必将随着国民经济的持续快第一章绪论速发展而大有可为【4 ，7 ，引。从以上论述可以看出，管道运输已经成为现代工业和国民经济的命脉。但是随着管线的增多、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。统计资料表明【6 j ，目前世界上总管网的5 0 已经用了3 0 年甚至更长时间，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。由于般长输管道长度都在二三百公里以上，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。我国长输管线相当一部分已经步入衰老期，油气管道泄漏事放时有发生，据统计，1 9 8 6 年以前油田管线平均穿孔率为0 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。例如1 9 9 3 年东黄线被几个农民凿破盗油，因长时间未能发现，原油大量损失，附近5 0 亩耕地被毁。1 9 9 5 年4 月2 4 日中朝输油管线发生泄漏，停输近5 5 个小时，全线几乎凝管，影响了对朝鲜的原油供应。从2 0 0 1 年1 月起的半年多来，东临线已经发生了1 0 0 多起破坏管线盗油事件；而在商河县境内3 0 公里的管线上，就发生了6 0 多起。2 0 0 0 年6 月3 日北京青年报第9 版报道：据统计，大庆油田1 9 9 9 年因各种盗抢原油损失2 0 多万吨，总价值2 亿多元，其中，在输油管线上打孔盗油案件发生2 3 起，损失原油3 0 0 0 多吨，价值4 0 0 万元；中原油田的中洛线1 9 9 9 年打孔次数直线上升，由前年的2 7 次骤增至1 3 2 次，从1 9 9 3 年第一次被打孔以来，泄漏原油上万吨，直接经济损失数千万元；长庆油田近两年打孔盗油案件急剧上升，外泄原油3 3 9 4 吨，造成直接经济损失4 0 0 多万元。为了加强立法保护管道安全，2 0 0 1年8 月国务院公布石油天然气管道保护条例，条例自8 月2 日起施行。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，正处于超龄服役阶段。打孔盗油的不法分子一般在夜间打孔、安装阀门、盗油，且管道埋她较深，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。如何能够实时地检测到泄漏事故的发生，并准确地定出泄漏点的位置，杜绝盗油犯罪的猖獗进行，防止工业物质的损失，保障人民生命、财产安全，维护输油管道部门和石化企业的正常运行，这些都给泄漏检测技术提出了迫切的要求。2天津大学博士学位论文1 2 管道泄漏检测方法综述管道在国民经济中的地位越重要，管道的安全运行越受重视，作为管道运行监控重要组成部分的泄漏检测技术一直在不断发展中。由于管道泄漏检测技术是多领域多学科知识的综合，目前已有多种管道泄漏检测方法在检测方式和技术手段方面差别较大，从最简单的人工分段沿管道巡线到复杂的软硬件相结合的实时模型方法，从陆地检测发展到海底检测，甚至利用飞机或卫星遥感检测大范围管网等。对管道泄漏检测技术还没有统一的系统分类方法，一种分类方法是从检测参数的角度将各种检测方法分为直接检漏法和间接检漏法。直接检漏法是利用安装在管道外边的检测器，直接检测漏到管外的输送液体或其挥发气体，从而达到检漏目的。直接检漏法包括气体检漏法，油溶性压力管法、油膜检漏法和电缆检漏法、光纤检漏法等；间接检漏法是指检测因泄漏对管道运行参数造成的影响，如流体压力、流量的变化来判断是否发生泄漏。包括流量平衡法、运行压力法、密封加压法和超声波法、实时模型法等。从检测方位的角度可以将各种检测方法分为外部检测法和内部检测法；也有人将泄漏检泓技术分为基于硬件和基于软件的方法 9 - 1 4 1 。本文将泄漏检测方法分成五个大类，分别为声学原理法、管壁参数检测法、光纤传感器检测法、地面间接检测法、基于s c a d a 的软件检测法，如图1 1 所示，各种泄漏检测方法分易1 j 介绍：声学原理法长输管道泄漏检测负压波法卜十一水声换能器管道应力波卜ji 光纤传感器检测l 地面间接检测卜-热红外成像卜十一1探地雷达气体成像管壁参数检测漏磁通检测法h 超声波检测法基于s c a d a 的软件检测技术图l 一1 管道泄漏检测常用方法丝盐选筮鲨面而歪瓢竺竺融篓赢第一章绪论1 声学原理方法 6 , 2 1 ，2 2 翔l( 1 ) 管道应力波法管线由于腐蚀、人为打孔等原因破裂时，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，应力波与管道的振型共振的优势振动能传播较远的距离。由泄漏引起的管壁振动包括横振动、纵振动和圆环振动，圆环振动与泄漏密切相关。安装在管道上的相应传感器检测到应力波，经过处理后能确定是否有泄漏和对泄漏点定位。此种装置一般制成便携式，由管线维护人员携带着沿管线检测，通过信号的强度可指示出噪声源。早期的应力波法检漏仪为听漏仪，一般应于城市供水和煤气管网的泄漏检测。但随着城市噪声的显著增加，听声法已经逐渐被淘汰。微漏产生的噪声微弱，由于应力波衰减的影响，能够检测到的距离受到限制，若要对长距离的管道检漏，则必须沿管道安装许多传感器。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。( 2 ) 负压波法当管道发生泄漏时，泄漏处由于物质损失造成压力突然下降，压降由泄漏处向上、下游传播，称之为负压波。由于管壁的波导作用，负压波传播过程衰减较小，可以传播相当远的距离，其传播速度与声波在流体中的传播速度相同。利用负压波通过上、下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播速度，可以确定泄漏位置。为了提高泄漏检测的灵敏度，还可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。此种方法具有较高的灵敏度和定位准确度，是目前国际上广泛重视的管道泄漏检测和漏点定位方法。由于国内的管道上缺少流量计量仪表，因此，负压波检测方法也是主要检测手段，本课题组特别针对该方法作了大量的工作。( 3 ) 水声换能器检漏法海底管线泄漏比陆地上的泄漏检测更加困难，特别是小泄漏的情况下。由p e l a g o sc o r p 研制的一种新型海水中声学泄漏定位系统成功地应用于检测海底管线的泄漏。该种声学泄漏定位器使用了一个超灵敏水声换能器，它通过防波电缆联接到船上的数据处理系统，这个系统可以对管线中的液体或气体的小泄漏进行定位，在空气中或水中都十分有效。它的检测范围取决于泄漏信号强度、结构上的声音衰减及背景噪声的强弱。4天津大学博士学位论文2 管壁参数检测方法( ”- 2 s l这种方法通过检测管壁缺陷来判断是否有泄漏，通常将管内探测球从被检测管道的一端放入，使其沿着管线行走，检测管道内壁的腐蚀情况、缺陷以及焊缝的状况等。般此方法能够获得较详细的整条管线的质量情况，为是否需要大修提供技术依据。但缺点是设备昂贵，对管道要求高，检测费用高昂，无法作到实时连续监测。目前国际上常用的主要有漏磁通检测法和超声波检测法两种：( 1 ) 漏磁通检测法漏磁通检测器的励磁部分为永久磁铁，其n 、s 两极与管道内壁接触，在管壁内产生磁路。检测线圈接收由管壁形状不同而扭曲的磁场，用来反映管壁状况。该方法要求传感器与管壁紧密接触，由于焊缝等因素的影响，管壁凸凹不平，使上述要求有时难于达到。此法对不同管径的管道使用不同型号的检测器。中国石油天然气总公司管道局所属的管道技术公司以3 5 0 万元美元购置了一套漏磁通检测仪，一公里管道的检测费用为1 万元。( 2 ) 超声波检测法超声波检测器将超声波向管壁定向发射，测量探头和管道内外壁间的距离，可测定管壁的厚度，从而检测出管壁的腐蚀和穿孔。但是管壁上若有污泥、结蜡、稠油等附着物，将使声波衰减，容易导致误判。3 光纤传感器检测方法【1 8 五0 】( 1 ) 准分布式光纤检漏据报道，n e c 公司已研制出能在l o k m 管道长度范围内进行漏油检测的传感器，它对水不敏感，可在易燃易爆和高压环境中使用。传感器的核心部件由棱镜、光发与光收装置构成。当棱镜底面接触不同种类的液体时，光线在棱镜中的传输损耗不同。根据光探测器接收的光强来确定管道是否泄漏。这种传感器的缺点是当油接触不到棱镜时，就会发生漏检的现象。( 2 ) 多光纤探头遥测法美国拉斯维加斯市的f c i 环保公司开发的p e t r os e n s e 光纤传感系统可对水中和蒸气态的碳氢化合物总量进行连续检测，可用于油罐及短距离输油管道的泄漏探测。对于不同的应用可选择配置1 一1 6 个探头。探头的核心部分是一小段光纤化学传感器，光纤包层能选择性地吸附碳氢化合物，使其折射率得到改变，从而使光纤中光的传播特性发生变化。探头中内设电子装置，可将光信号转换为电信号。数据采集模块有多种接口，可将信号远传以满足遥测的需要。第一章绪论( 3 ) 塑料包覆石英( p c s ) 光纤传感器检漏当油与光纤接触时渗透到包层，引起包层折射率变化，导致光通过纤芯与包层交界面的泄漏，造成光纤传输损耗升高。传感器系统设定报警界限，当探测器的接收光强低于设定水平时，会触发报警电路。这种传感器可用于多种油液的探测。( 4 ) 光纤温度传感器检漏液态天然气管道，粘油、原油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情况，这为上述管道的泄漏检测开辟了新途径。据报道，y o r k 公司的d t s 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2 5 k m ，对于温度的变化可在几秒钟内反应。d t s 可设定温度报警界限，当沿管道的温度变化超出这个界限时，会发出报警信号。光纤检漏方法的优点是能检出微小的泄漏，缺点是材料成本高、连续使用性差，对于已建设好的管道系统要重新铺设电缆或光纤。4 地面间接检测方法( 1 ) 热红外成像为了降低原油的粘性，通常是在运输之前对原油进行加热。当管道发生泄漏时，周围的土壤便浸泡在泄漏的原油中，这时土壤的温度会上升。这种温度的变化可以通过红外幅射的不同来感知。检测时，将管道周围土壤正常温度分布图记录在计算机中，用直升机在空中实时采集管道周围土壤温度场情况，通过对两者的比较来检测泄漏。热红外成像的缺点是对管道的埋设深度有一定的限制，文献 2 9 中介绍，当直升飞机的飞行高度为3 0 0 米时，管道的埋设深度应当为6 米之内。( 2 ) 探地雷达探地雷达( g p r ) 将脉冲发射到地下介质中，通过接收反射信号探测地下目标。由于电磁波在介质中的传播与通过介质的电性质及几何形态有关，故通过时域波形的处理和分析可探知地下物体。当管道内的原油发生泄漏时，管道周围介质的电性质发生变化，根据波形的变化就可以检测到管道是否发生了泄漏。应用探地雷达时，物体必须有一定的体积，因此这种方法不适于较细的管道。而且用探地雷达探测泄漏时，与管道周围的地质特性有关，地质特性的突变对图像有很大的影响，这也是应用中的一个难点。6天津大学博士学位论文( 3 ) 气体成像在输气管道泄漏检测中，气体成象技术也是一个比较有效的方法。以前气体成像的原理主要是根据背景吸收气体成像和红外辐射吸收技术。设备比较笨重，需要大型的激光器。近年来，开发了一种称之为“纹影”的技术，即采用空气中光学折射成像原理检漏，其设备轻巧，使用方便，还能提供有关泄漏量的指示。5 基于s c a d a 的软件检测方法随着管道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 ) 系统的发展，一些以软件为基础的检测方法表现出良好的应用前景。这些方法主要包括流量平衡法、压力流量突变法、相关分析法、实时模型法以及统计决策法。以下分别介绍：( 1 ) 流量平衡法这种方法依靠质量守恒定律，没有泄漏时进入管道的质量流量和流出管道的质量流量是相等的。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。显然，检测精度受到流量计的精度的影响。这种方法不能对漏点定位。对于加热输送的管道。还需计及沿程温降对流体密度和体积的影响。这意味着“进多少出多少”的简单系统在某些应用中是不够完善的，为此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【3 1 0 2 1 。( 2 ) 流量或压力突变法这是管道检漏最直接的方式之一。在运行管道上的泄漏将引起上游流量的增加，同时上游和下游的压力减小。泄漏引起的压降在泄漏点最大，向泄漏段的头、尾逐渐减轻。当出入口流量或压力瞬间发生较大变化时，可能表明管道发生泄漏。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。( 3 ) 相关分析方法相关分析法是利用相关技术对管道泄漏点两侧传感器采集到的信号进行相关计算，从而对泄漏进行检测的方法。基于两端接收到的信号特征的相关特点，相关峰值的位置表征泄漏点处的信号传播两端测点的时间差，因此由两传感器之间的管道精确长度以及信号的传播速度即可以定出泄漏点的位置。但是，这种简单方法由于种种原因而受到限制。例如在小泄漏时，泄漏信号是微弱的；在长输管道中，特别是在塑性管道中声波传输受到较大的阻尼；传感器同时接受到非泄漏引起的干扰信号等等【3 3 l 。7第一章绪论( 4 ) 实时模型法【3 “6 】实时模型法认为流体输送管道是一个复杂的水力与热力系统，根据瞬变流的水力模型和热力模型及沿程摩阻的达西公式建立起管道的实时模型，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，估计值与实测值比较，当偏差大于给定值时，即认为发生了泄漏。由于影响管道动态仿真计算精度的因素众多，因此采用该方法进行检漏及定位的难度很大。此类方法普遍的缺点是要求管道模型准确，运算量大，对仪表要求高，( 5 ) 统计决策法f 7 - 5 l 】利用序贯概率比检验( s p r t ) 对实测的管道出入口流量和压力值进行分析，连续计算泄漏发生的概率。并利用最小二乘法进行泄漏点定位。该方法使用统计决策论的观点较好地解决了瞬变模型误报警的问题，而且不用建立复杂的管道模型，降低了计算上的复杂性。统计泄漏检测系统还具有在线学习能力，可以适应管道参数的变化。该方法的主要优点是原理简单，维护方便，适应性好，缺点是检漏精度受仪表精度影响比较大，定位精度较差。1 3 泄漏检测方法的综合评价上一节对各种主要的管道泄漏检测方法进行了介绍，每种方法都有其优点和缺点。为了比较各个方法的性能，设定以下九项指标对其进行综合评价。根据这些指标，主要泄漏检测方法的性能如表1 - 1 所示【5 1 。( 1 ) 灵敏度：检漏系统能检测出管道泄漏的大小范围，主要是多小的泄漏量能够发出正确的报警提示；( 2 ) 定位能力：是否能对泄漏点定位以及定位的精度；( 3 ) 评估能力：对泄漏量大小的估计能力；( 4 ) 检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏所需要的时间；( 5 ) 有效性；是否能连续监测整条管道；( 6 ) 误报警率：能够准确地检测出泄漏，因操作失误和设备故障等因素发出报警的比率是否较低；( 7 ) 适应能力：是指检漏方法能否对不同的管道环境，不同的输送介质及管道发生变化时，是否具有通用性。( 8 ) 可维护性：可维护性是指系统运行时对操作者有多大要求，及当系统发生故障时，能否简单快速地进行维修。( 9 ) 费用：指系统建设、运行及维护的费用。3天津大学博士学位论文表1 一l 各种泄漏检测方法的性能比较灵敏定位评估检测有效误报适应可维检测方法费用度能力能力时间性警率能力护性应力波法好较好弱快有高无中等中等负压波法较好好弱快有高有，较差中等中等管壁检测好好弱不定无低有中等高地面检测最好最好强快无低有中等高光纤检测较好较好弱不定有中等有高高流量平衡差无弱较快有高无低低压力流量突变差无弱较快有最高无低低相关分析中等中等弱快有中等有，较差中等中等统计决策较好中等较强中等有低有中等中等实时模型法较好较好强慢有中等有高高以上九个指标分析了十种主要的管道泄漏检测方法的性能，从中可以看出各种方法都有自己的优缺点，没有一种方法的各项指标都令人满意。因此，一个好的泄漏检测系统应该根据不同的管道情况适当选择其中的几种检测方法，有的作为主要检测手段，有的作为辅助检测手段，互相弥补不足。应当指出，表1 1 只是一个大致的比较，各种方法的性能和管道的运行状况、设备及仪器的精度等很多实际因素都是密切相关的。1 4 管道泄漏检测技术国内外新的发展基于硬件的管道泄漏检测方法，比如地面间接检测、光纤检测以及管壁参数检测等，其灵敏度和定位精度都较好。但是这一类的方法其检测成本较高，并且很多方法都不能实现连续检测。随着信息技术与计算机技术的发展，以软件为主的方法逐渐发展起来，比如负压波法、相关分析方法、实时模型法等，这些方法虽然灵敏度和定位精度不如基于硬件的方法，但是其较好的性价比以及连续检测能力对管道的安全生产起到了一定的保障能力，而且新的技术与方法不断出现，推动了此类方法的不断发展。在实时模型检测方面，d i g e r n e s ，t ( 1 9 8 0 ) 提出了“故障模型滤波器”1 3 卅的方法。通过给出一套“故障模型”，其中每个模型对应于一种故障类型。用这一套模型对管道运行状况进行检测，与哪一个模型不一致，就认为发生了那一类故障。该方法基于对管道及流体参数的准确测量建立管道运行模型，其缺点9第一章绪论是对仪表要求高，运算量大。r i s e r m a n n ( 1 9 8 4 ) 提出“故障敏感滤波器法”【3 9 】，不同于上一种方法，故障敏感滤波器根据进出口端的实测参数和其估计值的差值进行泄漏判断。上述两种可变状态的监测方法都需要对管道和流体的统一模型线性化。l b i l l m a n 和r i s e r m a n n ( 1 9 8 7 ) 提出采用非线性模型的非线性状态观测器的方法【4 0 i ，a b e n k h e r o u f ( 1 9 8 8 ) 提出卡尔曼滤波器方法【4 1 1 ，这类方法能够跟踪管道故障的变化，对管道中间状态也可以估计。但在实际应用中建立一条管道的精确数学模型常常是不可能的，且参数还可能随时间变化。但由于这种方法假设泄漏后首末端压头不变，与实际有一定偏离。到了2 0 世纪8 0 年代，尽管现代控制的理论和方法已非常完善，但工程师们仍是难于将其理论和方法应用到实际中去。究其原因，与经典控制理论相比较，以l q g 最优控制理论为代表的现代控制理论，完全依赖于描述被控对象动态特性的精确数学模型。利用这种理论设计的系统只对数学模型保证预期的性能指标，而这种设计指标在实际中的被控对象上是否能得到实现，则完全取决于用来设计的数学模型的精确程度。这样，数学模型就成为了连接理论与工程实际的关链桥梁。但是，由于在客观的实际工程中，不可避免地存在着各种各样的不满足理想假设条件的不确定因素。因此，想获得精确的数学模型几乎是不可能的事情。图1 - - 2 残差产生框图为了弥补现代控制理论的这种不足，最有效的手段就是在系统的分析和设计阶段就充分考虑被控对象中所存在的各种不确定性因素，即基于含不确定性的非精确模型来分析系统和设计控制器，从而提高系统的抗干扰能力。v e r d e ( 2 0 0 1 ) 指出了b i l l m a n 和i s e r m a n n 的不足，并进行了一系列的研究，提出了基于多个观测器的多泄漏检测模型，管道被分成竹一1 段后，每段都有一1 0天津大学博士学位论文个观测器，这些观测器均以压头与流量的偏差为输入，输出各段的残差信号，利用i - - 1 个残差进行泄漏检测和定位 4 5 , 4 6 1 。如图1 2 所示。原有的管道泄漏模型；量= 血4 - b u - n l ( x ) 一r d f ( a 2 ，x ，( 1 1 )式中x 表示管道系统的状态向量，其包括每段的压头、流量与泄漏量；”表示输入向量，其由管道两端采集的压头信号组成，a 表示与泄漏有关的常数向量。整个系统状态由一个状态观测器来估计，系统相当复杂，鲁棒性差，干扰等不确定性因素容易造成系统的发散状态。如果既考虑不确定项互对系统的影响，又考虑泄漏项五，对系统的影响，则公式( 1 1 ) 就变为：圣= a x + b 0 u + a 0 2 ( x o ，) + 墨a 4 - e ( 1 - - 2 )要消除不确定项的影响，需要对系统进行变换，在管道的每一段产生一个子系统，然后在每个子系统上建立观测器，这样的变换t ( x ) 应该满足关系：掣k ：0 掣e 0( 卜3 )“经过上面的变换后，系统的复杂性降低了，并且提高了系统的鲁棒性。根据这样的思想，v e r d e 等人进行了深入的研究，提出了残差观测器的不同的设计方案，如最小阶非线性观测器、非线性鲁棒观测器等，甚至将管道的等分方式进一步变为不等分方式【5 2 1 ，并且在实验室管道上进行了多次试验，验证了自己的理论。总的来说，模型法这一方面的研究是结合较新的鲁棒控制思想的发展而进行的，其实用性有待于更多的现场应用验证。模型法的另一个发展方向是对泄漏产生的瞬变振荡流的研究。w i g g e t t( 1 9 6 8 ) 首次对管道泄漏引发的暂态响应进行了研究 矧。l i o u ( 1 9 9 6 ) 提出了一种基于在线识别流体的冲击响应的方法来探测响应的变化从而确定泄漏点的位置f 蜘。此后，以s i m p s o n 等人为主的科研小组对管道泄漏的孵变衰减进行了深入的研究【”j 。近来的试验与数字模拟都显示管道中小的泄漏引起的暂态衰减是非常明显的，如图1 3 所示。其横坐标与纵坐标都是无量纲量，即去除了信号基准值的影响，只反映信号的波动值。当没有泄漏发生时，管道对周期振荡信号产生有规律的衰减，如图中实线所示；当有泄漏发生时，管道中压力信号的振荡衰减由摩擦衰减与泄漏衰减两部分组成，如图中虚线所示，因此，两个曲线的差值就是泄漏引起的衰减信息。利用傅氏变换对信号进行分解可以得到压力信号对第一章绪论于时间与空间的二维函数h o ，t )矿( ，广) = e 一“, , 4 , c o s ( r i m ) + b 。s i n ( m r t ) s i n ( m r x ) ( 1 4 )式中r 表示摩擦衰减因子；最。表示第h 个分量的泄漏衰减因子；上标 表示无量纲量。泄漏衰减因子的计算公式为：屯= 等赢s i n 2 ( 喊)( 1 - 5 )式中g 是泄漏量系数；4 是泄漏面积；彳是管道横截面积；日。是泄漏处的压头；4 是波速；t 是泄漏位置。通过公式( 1 4 ) 得到泄漏衰减因子的值，再利i f ( l a )图l 一3 泄漏暂态引起的衰减用不同分量的衰减比求出泄漏位置z ，并进一步得到泄漏量。这一类方法虽然以模型法为基础，但其不再利用特征线法得到系统的状态和考虑不同的边界条件的影响，而是利用傅氏变换等现代信号处理方法得到泄漏的相关信息，是一种较好的思想方法，最近的发展是反相分析方法、遗传算法等被引入管网的泄漏检测中来网。此类方法据报道可以检测占总流量0 1 j 6的泄漏量。但是这类方法对于高压力、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，要想现场应用，还必须在不影响安全生产的前提下寻找合适的产生振荡流的方式。1 2一uj一口辱oz天津大学博士学位论文国外对于海底管道的泄漏检测研究也逐渐展开，针对海底管网的特点，其研究方法主要还是采用流量分析方法。s c o t t ( 1 9 9 8 ) 提出利用背压技术( b a c k p r e s s u r et e c h n i q u e ) 分析海底管道泄漏与阻断【5 9 】。由于海底管道的入口