（测试计量技术及仪器专业论文）输油管线漏失实时监测系统设计与实现.pdf

中文摘要 论文题目：输油管线漏失动态监测系统设计与实现 专业：测试计量技术及仪器 硕士生：孙宝权( 签名) 趣囊辞叁 指导教师：胡长蛉( 签名) 芝4 女= ；纽宝 摘 要 管道运输作为石油运输的主要途径在经济建设中起了非常重要的作用，而管道泄漏 不仅会对环境造成严重影响，还会造成重大的经济损失。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。管道泄漏检测是多领域、跨学科的课题，涉及到管道熟力学、 传感技术、信号处理等学科，本课题对泄漏检测及定位技术进行了深入的研究，主要进 行了以下几个方面的工作： 分析了水击波波形的主要特征，利用模式识别技术判断水击波是由启泵、停泵产生 还是有泄漏产生。 利用小波交换对水击波信号进行处理：利用小波变换对信号进行降嗓处理；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，将离散小波变换应用到获取 压力信号序列水击波特征拐点中，提出了确定奇异点位置的方法。 分析了水击波定位方法的两项关键技术：提出了消除首末端压力传感器动态响应时 间差的方法，采用g p s 统一首末端数据采集系统的系统时间；分析了热油输送管道沿程 水击波传播速度的变化，采用两种数值分析的方法寻找泄漏点位置。 设计了输油管线动态漏失监测系统的硬件电路并编写了管道监测系统软件。 关键词：管线漏失定位小波变换模式识别 论文类型：应用基础 英文摘要 s u b j e c t ：t h ed e s i g no f d y n a m i cm o n i t o rs y s t e mo f t h eo i lp i p e l i n el e a k s p e c i a l t y ：m e a s u r i n g t e s t i n gt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t n a m e ：s u nb a o q u a n ( s i g n a t u n i 凸b 丝q 仝丛吵 i n s t r u c t o r ：h uc h a n g l i n g ( s i g n a t i i 呐扫k 丛垒竺磋助 a b s t r a c t t h ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o na sam a i na p p r o a c hi no i lt r a n s p o r t i n gp l a y sa v e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n h o w e v e r , t h el e a ko ft h ep i p e l i n ew i l lb r i i l ga b o u tg r e a t f i n a n c i a ll o s sa n ds e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nt h er e s e a r c ho nt e c h n i q so fm o n i t o r i n g t h ep i p e l i n el e a kn e e d st ob ec o n d u c t e dt om a k et h el e a km e a s u r e m e n to fh i g hp r e c i s i o na n d h i g hs e n s i t i v i t ya n dt oa c h i e v et h eh i g ha c c u r a c yo fl o c a t i n gt h el e a ks p o t t h a tt h es a f e p i p e l i n em m s p o r m t i o nc a l lb eg u a r a n t e e da n dt h ed a m a g ec a u s e db yt h el e a ka c c i d e n tc 觚b e m i n i m i z e d ，t h em o n i t o r i n go ft h ep i p e l i n el e a ki sas u b j e c to fd i v e r s ef i e l d sa n dc s s d i s c i p l i n e , w h i c hi n v o l v e sp i p e l i n ee n c r g c t i c s , s e n s o rt e c h n o l o g y , s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp r o j e c t , ad e e pr e s e a r c ho nt h em o n i t o r i n go ft h ep i p e l i n el e a ki sc o n d u c t e d i tc o n s i s t s o f t h e f o l l o w i n gp a r t s t h ef i r s tp a r ti st oa n a l y z et h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e rh a n n 盯w a v e a n dt h e p a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oi d e n f i qt h ep r o d u c t i o no f t h ew a t e rh a n h n e rw a v e ， w h e t h e ri ti sc a u s e db yt h es t a r t i n go rh a l t i n go f t h ep u m p ，o rb yt h ep i p e l i n el e a k t h e n , t h ew a v e l e ti sa p p l i e dt op r o c e s st h es i g n a lo ft h ew a t e rh a i t l w l c rw a v e ：f i r s t , t h e w a v e l e tt r a n s f o r mi sa p p l i e dt or e d u c et h en o i s e ；a n dt h e nt h a tt h es i n g u l a rp o i n to fs i g n a l m a t c h e st h ew a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m u mi nd i f f e r e n tl e v e l s ，t o g e t h e rw i t ht h e d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mi sa p p l i e dt oo b t a i nt h ei n f l e x i o no f p r e s s u r es i g n a lc h a r a c t e r i s t i co f s e q u e n c e s , a n df i n a l l yt op u tf o r w a r d 珥l p r o a c h c st ol o c a t i n gt h es i n g u l a rp o i n t t h et h i r dp a r ti st oa n a l y z et h et w oe s s e n t i a lt e c h n i q u e so fl o c a t i n gt h ew a g e rh a m l n e r w a v e ：t h et e c h n i q u eo fe l i m i n a t i n gt h et i m ed i f f e r e n c ec a u s e db yd y n a m i cr e s p o n s eo ft h e i n i t i a ls e n s o ra n dt h et e r m i n a ls e n s o ri sp u tf o r w a r d ；t h et i m eo fs y s t e mo ft h ei n i t i a la n d t e r m i n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi su n i f i e dt h r o u g hg p s ；t h ev a r i a t i o no ft h es p r e a d i n g v e l o c i t yo ft h ew a t e rh a m m e rw a v ea l o n gt h ep i p e l i n ew h e nu t i l i z i n gt h ep i p e l m et ot r a n s p o r t t h eh o to i lj sa n a l y z e d ；f i n a l l yt w on u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d sa r ea d o r e dt ol o c a t et h el e a k s p o t s f i n a l l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i to fd y n a m i cm o n i t o rs y s l e mo ft h eo i lp i p e l i n el e a ki s d e s i g n e da n dt h ep r o g r a mo f t h em o n i t o rs y s t e mo f t h ep i p e l i n ei sw r i t t e n k e y w o r d s ：p i p e l i n e , l e a k , l o c a l i z a t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，p a r e r nr e c o g n i t i o n t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y m 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一两工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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：3 企! 量躯日期：一z 理z ，! 篮 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名；3 公睦扭 导师签名：盐邋 日期：筮掣 日期：塑! z ：羔! 寥 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着经济建设的发展，石油作为一种重要的能源和原料在工业和生活中的作用也越 来越重大，其价值也越来越多地为人们所重视和关注。石油从油田的矿井中开采出来， 到被运送的工厂加工，一般采用管道运输。管道运输以平稳连续、安全性好、运输量大、 质量易保证、物料损失小以及占地少、运费低等特点，已经成为了油气运输的首选方式 1 】 随着管线的增多，管龄的增长，以及不可避免的老化，腐蚀、超年限运行。特别是 由于利益的驱使，人为的破坏使管道事故频频发生，威胁到人们的生命财产、生存环境， 造成严重的资源浪费。如2 0 0 5 年靖成输油管道宝塔区境内管道发生爆裂，经调查是人为 在输油管道上打眼偷盗原油所致。致使2 3 0 吨原油泄漏，大片农田和植被被污染，直接 经济损失达4 0 0 余万元。2 0 0 7 年，厄瓜多尔附近公海海底输油管道发生泄漏，历时5 天， 污染海面带长l 公里，宽4 0 0 米。可见管道的维护管理、防止泄露、保证管道的安全运 行已成为重要的研究课题，引起世界各国的高度重视。 1 2 管道泄漏监测方法综述 1 2 1 管道泄漏监测系统性能评价标准 建立管道泄漏监测系统，及时准确报告泄漏事故的范围和程度，可以最大限度的减 少经济损失和环境污染及更大危险的发生。对一种泄漏监测方法优劣或一个检漏系统性 能的评价，应从以下几个方面加以考斛2 j 月： 1 灵敏性：泄露监测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 定位精度：发生泄漏时，系统对泄漏点位置确定的误差范围； 3 检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏所需要的时间； 4 有效性：是否能连续监测整条管道； 5 准确性：能够准确地检测出泄漏，误报、漏报率低； 6 可维护性：指泄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； 7 适应能力：指监测系统是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 性价比：指系统建设、运行及维护的花费与系统能提供性能的比值。 西安石油大学硕士学位论文 对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于检测的复杂性，如管道输送 介质的多样性，管道所处的环境的多样性，以及管道泄漏形式的多样性，使得目前还没 有一种通用的方法解决管道泄漏探测问题。在实际应用中某一种泄漏监测方法或一个 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。 1 2 2 泄漏监测方法 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 要组成部分的泄漏监测技术一直在不断发展由于管道泄漏监测技术是多领域多学科知 识的综合，目前已有的多种管道泄漏监测方法在检测方式和技术手段方面差剐较大，从 最简单的人工分段沿管道巡查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监测大范围管网等。对管道泄漏监测技术还没有 统一的系统分类方法，大致上按两种标准进行分类：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，直接检测泄漏到管外的输送液体或其挥发的气体。从而达到捡漏的目的。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。 另一种方法为间接检漏法：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。 另外，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 人将泄漏监测技术分为基于硬件和基于软件的方法。在本论文中不对各种方法加以分类， 现将各种泄漏监测方法分别贪绍如下： 1 质量平衡法 根据质量守恒定律，在管道无泄露的情况下进入管道的质量应和流出管道的质量相一 致，当泄露程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。检测管道多点位的输 入和输出流量，或检测管道两端泵站的流量并将信号汇总构成质量流量平衡图像，根据 图像的变化特征就可确定泄露的程度和大致的位置。由于管道内可能顺序输送不同种类 的成品油，或管道沿线进出支线较多，则管道流体状态及参数复杂而影响管道计量的瞬 时流量因素也多，因此该方法可采用时间累计平均估计，这使得检测时间较长并且检测 精度低。流量计的精度也直接影响泄露诊断的准确性。其检测精度的上限依管道的规模、 操作条件和流量运算周期而定。 2 检测元件法 在管道外侧按适当间隔设置相应的检测元件，以检测管道泄露油料。其中作为检测元 件的油膜检测器、导电性粉体元件需要导油沟道和积油槽与之配合使用。 ( 1 ) 电缆阻抗检测法嘲 2 第一章绪论 这种方法是由加拿大科技人员开发出来的。在管道建设时，将一种能与油气进行某 种反应的电缆沿管道铺设，泄露发生时泄露油气与电缆发生反应，改变电缆的阻抗特性 并将此信号传回检测中心。该电缆既是传感器又是信号传输设备，利用阻抗、电阻率和 长度的关系确定泄露的程度和泄露的位置。该方法检漏定位精度较高，但检漏反应时间 长，对于气体或轻质油需要几分钟到几十分钟，对重质油需要几十个小时。该方法不适 用于已建管道系统。 ( 2 ) 特性阻抗变化法 由日本8 0 年代开发的同轴电缆法是用于非透水而透油性好的绝缘材料构成。将这种 电缆靠近管道铺设不受土壤中水分的影响，根据油的特性而变化，具有疏水亲油特性。 采用这种传感器构成的漏油检测系统能较理想的随时检测到管道微量漏油的安全装置。 该类型的传感器采用多孔聚四氟乙烯树脂作为绝缘材料，传感器的孔隙度是用强韧的 p t f e 纤维形成网状结构，气孔率控制在规定的范围内。这种材料化学稳定性好，不易 燃，导电率，绝缘阻抗熟稳定性好。漏油时传感器上的绝缘体聚四氟乙烯选择性的渗入 油质，使其部分阻抗降低，即可以检测漏油。其特点是既可以检测微量漏油和漏油点位 置，也可以检测水和石油的混合状态，检狈4 速度比电缆阻抗检测法快。但这种方法也不 适用于已建管道系统。 3 分段试压法j 沿管道分段关闭截断阀门，观测关闭段压力下降的变化，从而判断泄露的程度和位 置但由于检测时需要管道分段停运影响了正常生产，而且不能及时准确定位检测，长 输管道检测工作量较大，检测时阃较长，因此这种方法无法用于实时监测管道运行工作 状况。 4 放射物检测法 该技术开发于1 9 5 5 年，所用的放射性标记物有嗅- - 8 2 、碘一1 3 1 以及钠- - 2 4 等。检 测范围涉及到水管道、油管道和汽管道。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。 5 示踪剂检测法 示踪剂作为管道在线无损评价技术，目前仍占有一定的地位。在管道所输送的流体中 掺入液体示踪剂，当管道泄露时，流体从管道中流出。流体中示踪剂挥发，并通过分子 扩散弥散到周围的土壤中，搜集这些气体并分析检测管道的泄露。但缺点是示踪剂法监 测反应速度较慢，监测周围环境的变化工作量较大，不能精确定位。其检测工艺与检测 元件法具有相似的特点。 6 水击波检测法 水击波检测法可迅速检测1 0 - - 2 0 以上的突发性的大量泄露，在快速诊断法中占据 重要地位，已成为输油管道防漏检测的重要手段【5 ，s 】。在泄露发生时，泄露处立即产生因 流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬时压力降低和速度差，这个瞬时的压力 3 西安石油大学硕士学位论文 下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道和流体介质向泄露点的上下游以声速传 播，当以泄露前的压力作为参考标准时，泄露时产生的减压波就称为水击波，其传输的 速度在管道和输送的流体中并不相同，在天然气中大约为3 0 0 m s ，在液体油中大约为 1 2 0 0 m s ，设置在泄露点两端或泵站的传感器拾取水击波信号，根据两端拾取压力波的梯 度特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可以确定泄露程度和泄露位置。 然而输送油气和管道吸收能量使得水击波振荡的物理参量特征减弱。压缩机和泵机组的 运行交变压力噪声、调阀时压力的瞬间变化和管道沿线输送油气进出管道时产生压力变 化等因素给采集泄露信号造成很多困难。 7 管壁参数变化检测法 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。一 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，无法做到实时连续监测。目前国际上常 用的有以下几种方法： ( i ) 漏磁通检测法。漏磁通检测器的励磁部分失永久磁铁，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，管壁凹凸不平， 使上述要求有时很难达到。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 万美元购置了一套漏磁通检测仪，一公里 管道的检测费用为l 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。但是管壁上若有泥污、 结蜡、稠油等附着物，将使声波衰减，容易导致误判。 ( 3 ) 涡流检测器法。涡流检测器采用在一对一次线圈通译微弱电流，使管道内壁面 因电磁感应产生涡流，再以安放在一次线圈之间的二次线圈进行检测，检测出管壁情况。 ( 4 ) 照相检测法和录像检测法。此方法直接将整套照相或录像设备安装在管内探测 球内，利用流体压力使检测器一边在管线内行走，一边拍摄内壁图像或进行录像。这种 方法要求输送流体透明，或者将管道内液体抽空，故不适用于原油管道的在线检测。 8 光纤检漏法 ( 1 ) 准分布式光纤检漏。据报道，n e c 公司已研制出能在1 0 k i n 管道长度范围内进 行漏油检测的传感器【9 】，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，光发射装置与光接收装置构成。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 o s e n s e 第一章绪论 光纤传感器系统可对水中和蒸汽中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 1 6 个探头。探头的核心部分是 一小段光纤化学传感器，光纤包层能选择性她吸附碳氢化合物，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，可将光信号转化为电信号。 数据采集模块有多种接口，可将信号远传满足遥测的需要。 ( 3 ) 塑料包覆石英光纤传感器检漏。当油与光纤接触时渗漏到包层，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、稠油、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 i n ，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。 9 实时模型法 该方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，一测量的压力、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很多，因此 采用该方法进行检漏及定位的难度很大。近年来随着计算机技术、现代控制理论的发展， 实时模型法是国际上着力研究的检测管道泄漏的方法。应用信息处理方法对管道故障建 模分析是近年来的发展热点，国内外的很多机构、学者都对这一问题进行研究、探讨、 研究结果都是在实验室的模拟管道上得出的，并未在实际管道上进行验证，但是利用实 时模型故障诊断法对管道泄漏检测和定位，是一项具有良好发展前景的先进技术。此方 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。 1 3 管道泄漏监测技术的发展 泄漏监测方法早期偏重于硬件方法，如磁力探伤法、管内探测球法、分段试压法、 放射物质法等，这些方法都不能做到连续实时检测泄漏。随着信息技术的快速发展和现 代控制理论的进展，软硬件相结合以软件为主的方法逐渐成为研究的热点，如水击波法、 基于参数估计的方法、互相关法、故障模型滤波器法以及故障灵敏滤波器法等。 现简要的介绍一下国外管道泄漏监测技术的发展。 1 9 7 9 年，t o s h i of u k u d a 提出了一种基于压力梯度时问序列分析的管道泄漏检测方法 西安石油大学硕士学位论文 ”，该方法通过自回归模型对管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析，用以检测管 道的泄漏。此方法建立起的回归模型不包含管道流体模型，对于仪器精度要求不高。但 是这种方法的模型可能偏离实际管道，而且对管道动态变化敏感，抗干扰性较差 1 9 8 0 年，d i g e m e s t 提出了“故障模型滤波器”的方法i 汜l 。该方法给出一套“故障 模型”其中每个模型对应这一种故障类型，用这一套模型对管道运行状况进行检测，与 某个模型不一致就认为发生了哪一类故障。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，其缺点是对仪器要求高，运算量大。 1 9 8 7 年，l b i l l m a n 和r i s e r m a n n 提出采用非线性模型的非线性状态观测器的方 法i l ”，a b e n k h e m u f 提出了卡尔曼滤波器方法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受末端压头不变，与实际 有一定偏差。 2 0 0 1 年，w m p s s h a 提出了在开环管道系统频率响应法确定泄漏点位置和泄漏量 的方法i l ”。通过周期性开关阀门产生一个稳态振荡流，使用转移矩阵方法分析域和获取 阀门处的频率响应图。对有泄漏的管道系统，响应图中存在着低于无泄漏系统共振压力 幅度峰的附加共振压力幅度峰。这种方法对于高压力，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。 二十世纪八十年代以来，我国的从事管道泄漏检测技术研究科技人员在应力波法、 水击波法、管道实时模型法等方面进行了研究。文献【1 1 从原理和仪器研制两方面叙述了 管道检漏技术中处于先进地位并已逐步实用化了的相关法检测技术。文献【”，1 6 1 引入了一 种新型的自适应滤波器结构抗交串自适应噪声对消系统来消除管道相关检漏技术强噪 声环境导致的相关曲线中出现虚假的峰值，编制了一个相关检漏软件，仿真结果是满意 的。文献l l1 ( 1 9 8 9 ) 提出了一种基于k u l i b a c k 信号测度的管线泄漏检测方法，通过分析 管线两端的压力梯度所构成的时间序列检测泄漏，这种方法需要测量两个端点附近的四 个压力信号，不需要测量流量。 九十年代以来，技术进一步发展。文献【1 8 1 9 】( 1 9 9 5 ) 中根据顺序输送成品油管道的 水力特性，分析了混油段对压力波传播的影响，研究了顺序输送管道压力波泄漏监测的 方法，但没有形成泄漏监测系统。文献【2 0 1 2 0 0 1 通过压力、流量、温度等参数的变化来检 测是否有泄漏和确定泄漏点位置，采用了统计处理方法滤波测量信号的粗大误差、累进 性系统误差、周期性系统误差，降低了研制的输油管道泄漏监测装置的误报率。 在输油管线检测系统中，水击波法是最有开发价值的方法之一如何识别泄露引发 的水击波是提高水击波检测准确性和灵敏度的关键技术之一。在油田的大量试验中发现， 泄露引发的水击波形特征与调泵调阀引发的水击波形有很大的区别。但调泵、调阀所产 生的水击波波形特征随泵、阀、管道、输送介质的不同而变化，而且对水击波形的描述 是通过对波形的分段符号化处理实现的。根据大量的试验结果。将管道水击波分为稳定 6 第一章绪论 段、剧变段和持续段，并在不同的波形段内选用不同的基元形式送入模式识别与分类系 统，采用自上而下的模式剖析算法识别与输入模式相匹配的模式识别类，从而判断泄露 是否发生但该方法经现场检验。效果并不是特别理想。水击波检测法的优点是检测速 度快，操作人员少随着新型高精度传感器的使用和高速计算机的发展，信号检测和信 号处理技术正向着以软件和硬件相结合的方向发展。特别是小波变换、神经网络和模式 识别技术的有效开发使用，水击波检漏方法具有更大的应用前景。 基于水击波的传播理论，提出了两种定位方法：第一，设计了一种能够快速捕捉水 击波前波峰到达压力测量点的波形特征点微分算法，并基于此种算法进行漏点定位；第 二，将极性相关引入漏点定位技术，通过确定相关函数峰值点的方法，进行漏点定位。 这两种定位方法是对泄露时的压力时间序列分别从微分和积分，从瞬态和稳态两方面进 行处理，提取特征值。这两种方法配合使用并互相参考，能够提高泄露点定位的准确度。 1 4 本课题的主要研究工作 针对我国输油管道泄漏检测技术的现状，本课题对管道泄漏监测方法中的若干问题 进行了研究： 1 以水击波方法为主，结合模式识别技术联合判断泄漏的发生，这种方法主要以管 道内压力的图作为判断泄漏的主要依据，并结合泄漏时流量变化的特定形态，既能准确 判断出泄漏的发生，又能够有效避免由于管道开、闭泵而引发的系统误报警。 2 在本课题中采用小波方法有效的提取因管道泄漏而引发的压力突变点。在水击波 方法中，需要确定管道首、末两端捕捉到压力突降的时闻差，并结合水击波在管道中传 播的速度定位泄漏点。而由于管道内的情况比较复杂，采集到的压力信号往往掺杂有大 量的噪声与干扰。在本课题中，利用小波变换对噪声信号不敏感的特性以及对信号突变 的良好检测能力，成果地提取了压力突降的时刻。 3 在以往的水击波泄漏检测方法中，压力波波速通常被认为是常数，但实际上，压 力波波速受管道的油温影响很大，因此是一个变化的量。将水击波波速定为常数将给泄 漏点的定位带来很大的误差。由文献【i s 】中，采用将水击波波速公式分解后，采用搜寻最 优点的方法寻找泄漏点在本课题中也采用了这种方法，提高定位的精度。 4 采用g p s 授时技术，增大了时间的精度，有利于准确的定位需要。 5 采用y i s u a lb a s i c 与m a t l a b 联合编程的方法完成系统的软件部分设计，有效地将 v i s u a lb a s i c 编程简单、界面友好等特点与m a t l a b 强大的计算功能与完善的工具箱结合 起来。 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章水击波法管道漏失监测方法研究 2 1 水击波管道泄漏监测方法原理 输油管线漏失监测系统根据管道水击波原理来实时动态监测输油管线的漏失情况。 输油管线发生漏失时，在漏失点会产生水击波，水击波从漏失点以管线内流体为介质向 管线两端传播，引起管线内压力波动，如果我们能够通过在输油管线两端监测管线压力 波动，即监测到水击波，就能够判断管线漏失的发生，并且根据水击波在输油管中的传 播方向和传播速度，可以计算出漏失点的位置。 图2 - 1 水击波监测原理框图 如果水击波传播速度为n 单位m s ，管线总长度上，单位m ，t a 、t c 为水击波传至 a 、b 两端压力传感器的时间，单位s 。则漏失点距离传感器a 的距离d 可以用式( 2 1 ) 计算，单位m 。 ， d = 上+ ( 一t c ) v 】 ( 2 - 1 ) 水击波传播速度公式如下： 式中 v 一管内压力波的传播速度，m s ： k 一液体的体积弹性系数，p a ： p 一液体的密度，k g m 3 ： e _ 一管材的弹性，p a ； d 一管道直径，m ： e 管壁厚度，m ； c t 一与管道约束条件有关的修正系数。 2 2 水击波波速与温度变化之间的关系 ( 2 - 2 ) 水击波也可以理解为“膨胀波”，它的传播过程类似于声波在介质中的传播，它的传 播速度是声波在管道输送流体中的传播速度，原油管道中的水击波的传播速度约在 1 0 0 0 1 2 0 0 卅j 之间。 l 第二章水击波法管道泄露监测方法研究 我国原油多为高含蜡、高秸性，在管道中需要加热输送。由于管道的散热作用，因 此油温的沿程变化非常明显，一般会有约2 0 0 c 的温降水击波波速会受到油温的影响 而成为一个变化量。因此，将波速v 视为常量将会给定位带来误差。原油在输送的过程 都需要加热输送。一般出站的温度比较高，大约有5 0 7 0 0 c 。 在经过长距离输送后，温度降低明显。因此，在原有输送过程中，油温一直是处在 交换中的。 在文献 2 t 】中，推导得出原油温度变化公式为： 二墅丝 t i n = 堙+ ( t o u t 一堙弦c , c ( 2 3 ) 其中t i n 为原油流过l 长的管道后的温度值； t o u t 为管道的出站油温； t g 为周围介质的温度； k 为原油到周围介质的总传熟系数，w ( 柳2 j ) ： g 为原油的质量流量，k g h ； c 为原油的比热容，幻( k g k ) 。 6 5 6 0 5 5 5 0 p4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 0l o2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 01 0 0 l 【m 围2 - 2 原油沿程温降曲线 由上式可知，由于在出口处的油温较高，原油温度t 与周围介质温差较大，以致能 量散失较多，温降幅度较大；随着油温与周围介质温度的接近，温降幅度会趋予平缓， 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，本文没有涉及到摩擦的影响。 同时，上式中将原油的总传热系数k 、质量流量g 以及比热容c 视为常数。 所以式( 2 2 ) 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 速度公式可写为随温度变换的形式，如下式： 9 西安石油大学硕士学位论文 v ( f ) = ( 2 4 ) 下面，对式中的各项分别予以讨论： ( i ) 液体的体积弹性系数k ：它表征了液体受到外界压力变化而引起液体体积改变 的特性。在文献【捌中，列出了几种液体的弹性系数随温度变化的情况，原油的主要成分 为烃类液体，其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 程变换曲线如图2 - 2 所示。液体体积弹性系数k 的值等于压缩系数的倒数。压缩系数的 计算如下： i n ( f x l 0 ”) = 0 5 1 9 9 2 + o 0 0 2 3 6 6 2 t + 8 4 6 5 9 6 p ；+ 2 3 6 6 7 , 砖( 2 - 5 ) 其中：f 一压缩系数，户臼4 p o 一标准密度，p o = p 尹，t g m 3 ； 卜温度，o c 。 再得置= 专 ( 2 ) 原油密度p ：通常，原油的密度受压力的影响较小， 其密度随温度变化的公式如下，图2 - 2 为油温沿程变化曲线： p ( f ) = p ( f 一2 0 ) 而受温度的影响较大。 ( 2 - 6 ) 其中：p ( ，) 一f o c 时原有密度，幻州3 ； p 一2 0 。c 原油的密度，k g m 3 ，通常为8 7 0 k g m 3 ； 一原油的体积膨胀系数，( 堙m 50 c ) ； = 1 8 2 5 0 0 0 1 3 1 5 p ( 3 ) 修正系数c l ：根据文献【2 3 1 ，由管道的三种支撑情况，将管道约束分为以下三 类： ( a ) 管道只在上游末端固定； ( b ) 全管固定住，没有轴向运动； ( c ) 管道全部采用膨胀接头连接； 与之相对应，修正系数c 1 可以取为下列值： ( a ) c i = i - 芒( b ) c l = l - j 2 ( c ) q = l “为管材的泊松系数 i o 第二章水击波法管道泄露监测方法研究 本课题中所研究的输油管道埋于地下，属于第二种情况。这里取0 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 钢，其弹性 模量取为2 0 6 9 x1 0 p a 。 流体的体积弹性系数为其压缩系数的倒数，随着流体品种、温度、压力而不同。但 是在4 m p a 以下，弹性系数随压力的变化较小，而随温度的变化较大。特别是烃类液体 的弹性系数受温度的影响更大，弹性系数可以在实验室测定，也可直接测定水击波在管 道中的传播速度a ，再算出液体的弹性系数。对于一般的钢质管道，压力波在油中的传 播速度大约为1 0 0 ( 0 1 2 0 0m , ，在水中的传播速度大约为1 2 0 0 - - 1 4 0 0m s 表2 - i 常用材料弹性模量和泊松系数 名称 e ( 户口) 1 0 9 钢2 0 6 9 z0 3 0 球墨铸铁 1 6 5 5 0 2 8 铜1 1 0 30 3 6 黄铜1 0 3 4 0 3 4 铝 7 2 40 3 3 聚氯乙烯 2 7 60 4 5 石棉水泥 2 3 40 3 0 混凝土 3 0 1 0 80 0 8 1 1 8 橡胶 0 0 70 4 5 表2 - 2 列出了几种液体的体积弹性系数。可以看出，越是轻的烃类，温度越高，其 体积弹性系数越小，即其可压缩性越大，压力波速越低。 表2 - 2 几种液体的体积弹性系数 体积弹性系数1 0 5p a 液体名称 2 0 0 c3 0 0 c4 0 0 c 5 0 0 c9 0 0 c 水 2 3 9 0 02 2 1 5 02 1 7 5 0 ( 2 4 4 0 0 )( 2 2 6 0 0 ) ( 2 2 2 0 0 ) 丙烷 1 7 6 01 3 7 01 0 4 0 7 1 5 ( 1 8 0 0 )( 1 4 0 0 ) ( 1 0 6 0 )( 7 3 0 ) 丁烷 3 5 6 0 3 0 2 0 2 5 l o2 1 3 0 ( 3 6 4 0 )( 3 0 8 0 )( 2 5 6 0 ) ( 2 1 7 0 ) 汽油9 1 6 0 7 6 0 0 ( 9 5 3 0 )( 7 7 5 0 ) 煤油1 3 6 0 01 2 0 5 0 ( 1 3 9 0 0 )( 1 2 3 0 0 ) 润滑油1 5 6 0 0 1 3 0 0 0 ( 1 5 9 0 0 ) ( 1 4 1 0 0 ) 这里还需要注意的是输送液体的管道含有少量气体时对传播速度的影响。液体管道 西安石油大学硕士学位论文 含有游离气体时，气体既可以是小气泡，也可以是较大的气穴。气体的存在会减慢管道 内水击波的传播速度，影响管道瞬变压力的大小和水击波的传播过程。液体中的气泡可 以看作是小的弹性体，当液体中产生水击波时，小气泡受到压缩，受到压缩的气泡又使 周围的液体质量加速，接着加速的液体又压缩其他的气泡。小气泡的收缩和膨胀消耗了 压力脉冲的能量，使液体管道中的水击波传播速度明显低于不含气体的液体中的波速。 含有气体的液体管道中水击波传播速度的大小主要取决于液体中含气量的多少。图2 - 3 为3 2 4 k p a 压力条件下，气体含量对水击传播速度的影响。可见，管道内液体中气体的存 在使得液体中水击波传播速度与压力有关，当减压波经过后，管内压力降低，使得水击 波传播速度也下降；相反，当增压波经过后，管内压力升高，使得流体内的水击波传播 速度也相应增加。这些情况使管道瞬交流动过程的分析和计算大大复杂化了。根据怀利 方法可以近似的确定含气液体中水击波传播速度。 1 2 5 0 1 0 0 0 鼍7 5 0 霎5 0 0 2 5 0 0 oo 20 40 60 8l 气体体积百分数v g v 图2 - 3 气体含量对水击传播速度的影响 ( 5 ) 管道规格d 及e ：本课题中管道规格为5 2 9 x 8 r a m 。 现场实验中，原油出站温度t o u t 为6 5o c ，进站温度t i n 为2 5o c 在2 0o c 下原油 密度p o 为8 7 0 k g m 3 ，介质温度t g 为1 5o c 。弹性模量e 取为2 0 6 9 x 1 0 9 p a 。管道规格 为5 2 9 8 r a m ，根据速度公式可得： 1 首端波速： 由公式( 2 - 6 ) 可知：p ( 6 5 ) = 8 7 0 - ( 1 8 2 5 - 0 0 0 1 3 1 5 8 7 0 ) ( 6 5 2 0 ) = 8 3 9 3 5 7 2 5 根据公式( 2 - 5 ) ： i n ( f 1 0 ”) = o 5 1 9 9 2 + o 0 0 2 3 6 6 2 6 5 + 8 4 6 5 9 6 8 3 9 3 5 7 2 5 2 + 2 3 6 6 7 6 5 8 3 9 3 5 7 2 5 2 = 8 11 5 2 1 x1 0 1 0 l 足= 二= 1 2 3 2 2 5 1 0 9 f c t = l 一“2 = 0 9 1 第二章水击波法管道泄露监测方法研究 根据公式( 2 - 4 ) 可知： v ( 6 5 ) = 1 f i l + 【( 1 2 3 2 2 5 。1 1 。2 ，3 2 2 2 。5 6 x 9 1 。0 9 l 。8 ，3 ) 9 。3 ( 。5 7 5 2 2 5 ；? i j 元鬲i ：- 石j 面 同理计算进站温度为： = 1 0 3 9 5 9 8 4