（控制理论与控制工程专业论文）输油管道泄漏定位算法研究与系统实现.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 本论文结合国内外输油管道泄漏检测的历史和发展现状，借鉴成熟的理论，利用 目前市场上先进的科学技术，结合自身的实际开发环境，在前期开发的石油管道泄漏 监测系统的基础上对算法、通信、数据管理都作了相应的改善与优化，以便能够更好 的适应现场的复杂环境。尤其是滤波方式以及泄漏定位算法的进一步研究和完善，使 系统克服噪声的能力以及定位精度都有了不同程度的提高，这也是系统工作的关键所 在。同时在通信和数据管理中引入多线程技术，使系统各个任务的并发、调度，任务 之间的通信、同步等控制更协调，运行起来更便捷。 泄漏监测系统包括两部分：下位机数据采集与处理部分和上位机实时泄漏定位与 管理系统部分。下位机采用研华工控系统a d a m 一5 5 1 0 ，将采集到的数据按照自定义的 通讯协议通过r s2 3 2 串口线、m o d e m 或网线传到上位机的监测系统。当管线上某点发生泄 漏，管线上的压力、流量等信号会随之产生相应的变化，上位机的监测系统会立刻根 据这些信号变化的趋势判断泄漏，并根据原始数据对泄漏地点进行定位。下位机负责 数据采集、数据初步处理以及与上位机的通信；上位机主要负责整个系统的管理与监 控，并对下位机发送上来的数据进行分类管理。尤其对异常压力数据进行进一步的分 析，确认是否发生泄漏。如果确认为发生泄漏，则对泄漏点进行定位，并及时予以报 警。 在对系统的研究和开发过程中，重点对负压波泄漏检测与定位算法进行了理论研 究与分析，尤其对定位公式需要的时间差寻找，即各站压力下降的拐点进行r 比较深 入的研究与分析。综合分析了几种寻找负压波拐点方法的利弊，根据泄漏定位要求快 速、准确以及减少误报、漏报的特点，对前期的时问逆推算法进行了进一步研究与改 善，实现了一套简单、实用的计算方法，即时间值直接逆推算法。该算法结合工程上 的众多因素，考虑到定位的准确性、可行性以及简便性，是本系统进行泄漏检测与定 位的关键。系统在冀东油田初步调试成功，使算法得到了实际验证。 关键字：管道泄漏监测负压波定位多线程通信 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 a b s t r a c t c o m b i n i n gh i s t o r yo fd o m e s t i ca n df o r e i g no i lp i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n dt h e d e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o n ，i no r d e rt oa d a p tl o c a l ec o m p l e xe n v i r o n m e n t ，w eh a v em a d e c o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o ni na l g o r i t h m ，c o m m u n i c a t i o na n dd a t a m a n a g e m e n tb a s e do nt h ee a r l i e rs y s t e m i nt h ep r o c e s sd e v e l o p m e n t ，w e s t u d i e dm a n y t h e o r i e s 、a b o u tl e a kd e t e c t i o n ，s o m ea d v a n c e dm a r k e tt e c h n o l o g i e s a tp r e s e n ta n ds o m e e n g i n e e r i n gp r a c t i c ef a c t o r s w ed i df u r t h e r e dr e s e a r c he s p e c i a l l yi nf i l t e rw a ya n dl o c a t i o n o f p i p e l i n el e a ki no r d e rt om a k et h es y s t e mb e t t e r i t st h ek e yp a r to f t h ep a p e r ! m e a n w h i l e w ee n t e r e di n t om u l t i t h r e a dt e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o na n dd a t am a n a g e m e n ts ot h a t e v e r yd u t yi nt h es y s t e mc a nw o r km o r ec o n v e n i e n t t h el e a kd e t e c t i o ns y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ：d a t a - s a m p l i n ga n dd e a l i n gi nt h en e t h e r c o m p u t e ra n dm a n a g i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mi nu p p e rc o m p u t e r a d o p t i n gt h ep r o d u c to f a d v a n t e c h sa d a m - 5 5 1 0 ，t h en e t h e rc o m m u n i c a t e dw i t ht h eu p p e rb yr s 一2 3 2s e r i e sp o r t ， m o d e mo rn e t w o r kf o l l o w i n gt h ed e f i n e dp r o t o c o li fl e a kh a p p e n si ns o m ep l a c e ，t h e p r e s s u r e a n df l u xw o u l d c h a n g ec o r r e s p o n d i n 9 1 y t h en e t h e ri s r e s p o n s i b l e f o r d a t a - s a m p l i n g ，d a t ap r e l i m i n a r yp r o c e s s i n g ，a n dc o m m u n i c a t i n gw i t hu p p e r t h eu p p e r t a k e sc h a r g eo fm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n go v e r a l ls y s t e mi tw o u l dc a l t yo nf u r t h e r a n a l y s i st oa b n o r m a lp r e s s u r ed a t a , a n dl o c a t et h el e a kp l a c ea n dg i v ea na l a r mi fi th a s i d e n t i f i e da1 e a ke v e n t i nt h ep r o c e s sd e v e l o p m e n t ，w er e s e a r c h e da n da n a l y z e dt h el e a kd e t e c t i o na n d l o c a t i o na l g o r i t h mo nn e g a t i v ep r e s s u r ew a v ee s p e c i a l l yi nt h ed i f f e r e n c eo f t i m e ，w ed i da l o to ff u r t h e rr e s e a r c h e sc o m p a r i n gw i t hm a n ym e t h o d si nf i n d i n gn e g a t i v ep r e s s u r ew a v e i n f l e x i o n ，w eb r o u g h tf o r w a r dak i n do fs i m p l ea n dp r a c t i c a lm e t h o d t h em e t h o d ， c o n s i d e r i n gl o c a l ec o m p l e xe n v i r o n m e n ta n da c c u r a c y , f e a s i b i l i t ya sw e l la ss i m p l e n e s s ，i s t h em o s ti m p o r t a n tp a r ti no u rd e t e c t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mt h es y s t e mh a sd e b u g g e d i nj i d o n go i lf i e l d , a n de n a b l e dt h ea l g o r i t h mt oo b t a i nt h ea c t u a lc o n f i r m a t i o n 北京工商大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p i p e l i n e ，l e a k ，m o n i t o r i n g a n dd e t e c t i n g ，n e g a t i v e p r e s s u r ew a v e ， l o c a t i o n ，m u l t i - t h r e a d ，e o m m u n i c a t i o n i i i 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：圣签日期； p 彤年6 月占日 学位论文作者签名：尘金日期； p 彤年6 月占日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商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北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年 1 3 一- - 年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：王垄导师签名：日期：拍r 6 年r 月日 北京工商大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 作为地球上最炙手可热的能源之一，石油在人们生活中起着重要作用。又因 为管道在运送液体、气体、浆质等散装物品方面所具有的独特优势，所以管道运 输能源在我国的国民经济中发挥着重要作用。而且在发达国家，成品油的远距离 运输主要也是靠管道，并且欧美发达国家和中东产油区的油品运输现已全部实现 了管道化。但是因腐蚀、地质灾害等原因，给输油管道安全运行带来很大隐患。 特别是近年来，受利益驱使，违法钻孔盗油的现象时有发生。这些违法盗油行为 损害了各油田公司的经济利益，而且还破坏了周边地区的生态环境，给周围群众 的人身、财产带来巨大的安全隐患。有必要研制出一种快速、有效、实用的管道 自动检漏系统。 因此我们采用合理的设计方案，开发出一套拥有良好的人机界面，对管道沿 线实时监控，及时，准确的实行泄漏定位，并予以报警的长输石油管道泄漏监测 系统。它可以有效地克服传统的人工管道巡检和人工计量存在的各种弊端；实现 自动管道实时监测，可以及时发现管道泄漏事故，避免由于盗油造成的巨大经济 损失；避免环境污染，保护油区生态平衡；有效的遏制不法分子的破坏行为；提 高管理水平，从而降低了工人的劳动强度。 1 2 泄漏检测及定位技术目前发展现状 随着管道泄漏检测技术的不断发展，近年来，泄漏检测方法从最简单的人工 分段沿着管线巡视到较为复杂人工智能监测方法，试图解决管道泄漏的及时报警 及准确定位。根据检测对象，测量手段，测量媒介检测装置的不同，管道检测方 法大致分为以下两类，一类是基于硬件的方法，它利用由各种不同的物理原理设 计的硬件装置，如基于视觉的红外线温度传感器，基于i 听觉的超声波传感器，基 于嗅觉的碳氧检测装置等，将其携带或铺设在管线上，以此来检测管道的泄漏并 定位；另一类是基于软件的方法，根据计算机数据采集系统( 如s c a d a 系统) 实时 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 采集管道的流量、压力、温度及其他数据，利用流量或压力的变化、物料或动量 平衡、系统动态模型、压力梯度等原理，通过计算对泄漏进行检测和定位。 1 2 1 基于硬件的检漏方法“t ”_ “- ”- ”_ ”2 4 2 4 羽 直接观察法 由专人或经过训练的动物沿管道线路查看管道及周围情况，确定有无泄漏发 生，或者在管道沿线设立标志桩，通过看、闻、昕或其他方式来判断是否有泄漏 发生。近年美国o i l t o n 公司开发出一种机载红外检测技术“，它是由直升飞机携 带一高精度红外摄像机沿管道飞行，通过分析输送物资与周围土壤的细微温差确 定管道是否泄漏。但是此类方法不能对管线进行连续检测，发现泄漏的实时性差。 “管道猪” ( t ) 磁通猪：对管壁施加一个强的磁场来检测钢管金属对磁场的损耗，用对泄漏磁 通敏感的传感器检测局部金属损耗引起的磁场扰动所形成的漏磁。但检测精确度 低，对管材敏感。由于其局限性和检测要求的提高又出现了超声管道猪。 ( 2 ) 超声猪：利用超声波投射技术，即短脉冲之间的渡越时间被转换为管壁的壁厚， 当有泄漏发生时，钢管壁内的渡越时间减少为零，据此可判断泄漏的发生。其检 测精度高，能提供定量、绝对数据，并且很精确。但该方法使用比较复杂，费用 高。 探测球法 将探测球沿管线内进行探测，利用超声技术或漏磁技术采集大量数据，并将 探测所得数据存在内置的专用数据存储器中进行事后分析，以判断管道是否被腐 蚀、穿孔等情况，即是否有泄漏点。虽然该方法检测准确、精度较高，但是探测 只能间断进行，易发生堵塞、停运的事故，而且造价较高。 半渗透检测管法 此种检漏管埋设在管道上方，气体可渗透进入真空管，并被吸到监控站进行 成分检测。美国谢夫隆管道公司在天然气管道上安装了这种监测系统( l a s p ) 。l a s p 以扩散原理为基础，主要元件是一根半渗透的监测管，内有乙烯基醋酸酯( e v a ) 薄膜这种膜的特点是对天然气和石油气具有很高的渗透率，但不透水。如果检测 管周围存在油气，会扩散进去。检测管一端连有抽气泵，持续地从管内抽气，并 进入烃类检测器，如检测到油气，则说明有泄漏发生。但这种方法安装和维修费 北京工商大学硕士学位论文 用相对较高，另外，土壤中自然产生的气体( 如沼气) 可能会造成假指示容易引起 误报警。 检漏电缆法 检漏电缆多用于液态烃类燃料的泄漏检测。电缆与管道平行铺设，当泄漏的 烃类物质渗入电缆后会引起电缆特性的变化。主要包括以下几种方法。 ( 1 ) 渗透性电缆：此种电缆与渗漏油接触就会发生电缆间的阻抗变化，在管道一端 通过对阻抗分布参数的测量，即可确定管道状态及渗漏位置。 ( 2 ) 油溶性电缆：是用非透水性但透油性材料制成的同轴电缆，沿管道铺设。从电 缆一端发射脉冲，脉冲碰到被油浸透的电缆处会反射脉冲，通过检测反射脉冲信 号，可检测管道泄漏位置。 ( 3 ) 碳氢化合物分布式传感电缆：这种电缆由报警模块和传感电缆两大部分组成， 传感电缆包括一个具有导电作用的聚合体层和向内压缩的编织物保护层，当有泄 漏发生时，该聚合体层接触到碳氢化合物溶剂和燃料就会膨胀，而外部的编织物 保护层会限制膨胀，向内压缩，从而导致两侧传感线接触构成回路，通过测得传 感导线回路电阻可确定泄漏的位置。检漏电缆法能够快速而准确地检测管道的微 小渗漏及其渗漏位置，但其必须沿管道铺设，施工不方便，且发生一次泄漏后， 电缆受到污染，在以后的使用中极易造成信号混乱，影响检测精度，如果重新更 换电缆，将是一个不小的工程。 检漏光纤法 ( t ) 塑料包覆硅光纤检漏 利用此种光纤具有化学敏感性，使用一种含有特定化学成分的可渗透硅质包 层，当泄漏出的被监测物质与包层中的化学成分相遇时，即可发生化学反应，使 包层折射率改变，光线就会从中逸出。此时，只要沿光纤有规律地发射短的光脉 冲，当光脉冲遇到泄漏处时，部分光线就会被反射回来，通过测量发射和反射 脉冲间的时间差，即可确定泄漏地点。 ( 2 ) 分布式光纤声学传感器法 该方法是利用s a g n a c 干涉仪测量泄漏所引起的声辐射的相位变化来确定泄 漏点的范围，这种传感器可以用于气体或液体运输管道。这种方法是把光纤传感 器放在管道内，通过接收到的泄漏液体或气体的声辐射，来确定泄漏和定位。由 于是玻璃光纤，所以不会被分布沿线管道的高压所影响，也不会影响管道内液体 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 的非传导特性，而且光纤还不受腐蚀性化学物资的损害，寿命较长。在理论上， 1 0 k i n 管道定位精度能达到5 m ，反应也较灵敏及时，但成本较高。 、g p s ( 全球定位系统) 时间标签法 c - p s 的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用 户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度 和时问信息。采用g p s 同步时间脉冲信号是在负压波的基础上强化各传感器数据 采集的信号同步关系，通过采样频率与时间标签的换算分别确定管道泄漏点上游 和下游的泄漏负压波的速度，然后利用泄漏点上下游检测到的泄漏特征信号的时 间标签差就可以确定管道泄漏的位置。采用g p s 进行同步采集数据，泄漏定位精 度可达到总管线长度的1 之内，比传统方法精度提高近3 倍。 声发射技术法 当管道发生泄漏时，流体通过裂纹或者腐蚀孔向外喷射形成声源，然后通过 和管道相互作用，声源向外辐射能量形成声波，这就是管道泄漏声发射现象。通 过仪器对这些因泄漏引起的声发射信号进行集和分析处理，就可以对泄漏以及其 位置进行判断。美国物理声学公司( p a c ) 是专门从事声发射技术研究的高技术公 司，它通过一次次的突破和创新，使声发射技术成功地解决了一个工程问题。 1 2 2 基于软件的检漏方法“力 这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力等信号进行实时分析和处理， 以此来检测泄漏并定位。 体积或质量平衡法o “ 管道在正常运行状态下，其输入和输出质量应该相等，泄漏必然产生量差。 体积或质量平衡法是最基本的泄漏探测方法，可靠性较高。该方法可以直接利用 已有的测量仪表，如流量计、温度计、压力表等，能连续监测管道，并发现微小 泄漏。但是由于管道本身的弹性及流体性质变化等多种凶素影响首末两端的流量 变化有时滞影响，所以精度不高为了使误报率在可接受范围内，时问问隔应在1 个小时到1 天之间，那么泄漏检测的响应时问也是同样长，致使无法及时检测到 泄漏而造成不必要的损失，且无法进行泄漏定位。 压力点分析法( p p a ) p p a 在管道沿线设点检测压力，采用统计的方法分析检测到的压力值，一旦 4 北京工商大学硕士学位论文 压力平均值降低超过预定值，系统就会报警。根据上下两站压力下降沿的时间差 即可计算出泄漏点位置。该方法可检测气体、液体和某些多相流管道泄漏，依靠 分析由单一测点测取数据，极易实现。美国谢夫隆管道公司( c p l ) 将p p a 法作为其 s c a d a 系统的一部分。试验结果表明，p p a 具有优良的检漏性能，能在l o m i n 内确 定5 0 9 a l m i n 的漏失。但压力点分析法要求捕捉初漏的瞬间信息，所以不能检测 微渗。压力点分析法已被证明是一种有效的检漏方法，己广泛应用于各种距离和 口径的管道泄漏检测。 压力梯度法 在稳定流动的条件下，压力分布呈斜直线，当泄漏发生时，漏点前的流量变 大，压力分布直线斜率变大，漏点后，流量变小，相应斜率也变小，压力分布由 直线变成折线状，折点即为泄漏点。根据上、下游管段的压力梯度，可以计算出 泄漏位置。用该方法的压力检测点的多少直接影响到定位的精度成，这种以线性 为基础的压力梯度法，不适合国内“三高”原油的泄漏检测。 负压波法0 7 ”3 1 ”1 该法是基于信号处理的方法“5 “33 “”1 ，不需要建立管线的过程数学模型，利 用信号模型，采用相关函数、频谱分析等方法，直接分析可测信号，提取诸如方 差、幅值、频率等模型特征，从而检测故障发生。由于我国多数长输管线不在中 间泵站设立流量计，所以只用压力信号进行泄漏检测。该方法灵敏准确，原理简 单，适用性很强。但它要求泄漏的发生是快速突发性的，对微小缓慢泄漏不是很 有效。 小波变换法 小波变换即小波分析是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来新的数学理论和方法， 被称为数学分析的“显微镜”；是一种良好的时频分析工具。小波变换法的优点 是不需要管线的数学模型，对输入信号的要求较低，计算量也不大，可以进行在 线实时泄漏检测，克服噪声能力强，是一种很有前途的泄漏检测方法。但应注意， 此方法对由工况变化及泄漏引起的压力突降难以识别，易产生误报警。 互相关分析法 对上下游的压力信号去除均值并求取差分信号，实时计算其相关函数。当没 有泄漏发生时，相关函数的值在零附近，一旦发生泄漏，相关函数值将发生显著 变化，根据此条件判断是否发生泄漏。 k al m a n 滤波器法o o 5 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 建立包含泄漏量在内的压力、流量状态空间离散模型，以上下游的压力和流 量作为输入，以泄漏量作为输出，运用适当判别准则可进行泄漏检测和定位。该 法需要知道过程噪声的均值、方差等先验知识，且检测与定位精度和等分段数有 关。 状态估计器法” 建立管道内流体的压力、流量和泄漏量的状态方程，以被检测的两站压力为 输入，对两站流量的实测值和估计值的偏差信号采用适当的算法进行检漏和定位。 该方法假定两站的压力不受泄漏量的影响，所以仅适用于小泄漏量情形来进行检 漏和定位。 系统辨识法 用线性a r m a 模型结构增加某些非线性项来构造管线的模型结构，或建立管道 的故障灵敏模型和无故障模型，通过实际检测值和模型输出值的变化情况，采用 适当的算法就能进行泄漏量检测和定位。该法需在管线上施加m 序列激励信号， 并假设两站的压力不受泄漏量的影响，也仅适于小泄漏量情形。 基于神经网络和模式识别的方法 由于管道泄漏时未知因素很多，采用常规的数学模型存在一定的差异，而人 工神经网络具有逼近任意非线性函数和从样本学习的能力，但若先验知识不足， 则所供学习的故障模式就非常有限，诊断性能将下降。 统计检漏法 此方法不用管道模型，根据管道出入口的流量和压力，连续计算压力和流量 之间关系的变化。无泄漏发生，仅管网工况变化时，流量和压力之间的关系不会 发生变化：当泄漏发生时，流量和压力之问的关系总会变化。应用序列概率比方法 和模式识别技术，可检测识别到这种变化。这种方法中，检漏门限值的选取是 关键，它直接影响泄漏检测的灵敏度和系统的误报率。该方法不受地形、周围温 度的变化和测量误差的影响，具有较高灵敏度和检测精度。但由于受管网区段的 影响，流体状态系数难以准确界定，因而定位精度不高。但荷兰s h e l l 公司的a t m o s 系统就采用了此技术，应用效果良好。 基于硬件的检漏方法虽然灵敏度很高，但大都存在造价昂贵、检测不连续的 缺点。以检漏电缆法为例，它能够快速而准确的检测管道的微小渗漏及其渗漏位 置，但其必须沿管道铺设，施工不方便，且发生一次泄漏后，电缆受到污染，在 以后的使用中极易造成信号混乱，影响检测精度，如果重新更换电缆，将是个 6 北京工商大学硕士学位论文 不小的工程。所以这些检漏方法的应用受到了限制。 目前泄漏检测与定位技术已进入到了软硬件结合为主的新时代，运用现代控 制理论和信号处理技术研究泄漏检测与定位是当前的热点研究领域，无论何种方 法，面临的最大挑战与研究目标都是要提高对微小的缓慢泄漏量检测的灵敏度以 及对泄漏点定位的精度。 1 3 发展与展望 近年来，随着管道工业的迅速发展，对泄漏检测和定位技术的要求越来越高。 目前，泄漏检测与定位技术的难点在于实际现场的检测灵敏度与误报警之间的矛 盾及定位精度不高等问题，特别是在小流量泄漏的情况。随着控制理论、人工智 能、传感器技术、通信技术、网络技术、以及几种定位方法相结合的发展，长距 离输送管道的泄漏检测和定位技术也随之相应发展，特别近年来随着计算机技术 的迅速发展，泄漏检测和定位技术从早期的以硬件为主展到以软件为主、软件与 硬件相结合的方式，充分利用了基于软件的方法能实现在线实时检测、及时给出 报警信号和基于硬件的方法有很高的定位精度和较低的误报率的特点，将二者进 行优势互补，以克服单一检测方法的局限性，提高管道管理的自动化水平。这是 目前，而且是未来的总发展方向。 1 4 论文所做的主要工作 本论文主要是针对长输石油管道泄漏监测系统进行研究，特别是针对现场实 际泄漏信号进行有效的提取和识别，降低误报和漏报并减小定位误差。将分别从 数据初步处理，泄漏定位，数据管理以及通信技术等方面进行讨论。 1 4 1 数据通信 针对现场不同的通讯条件，我们除了采用原来的串口m o d e m 通信外，又增加 了网络通信功能，以适应实际需求。 7 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 1 4 2 数据初步处理 由于数据采集的频率会直接影响到定位的精度，因此需要较高的数据采集频 率以及较好的对有效数据提取和识别的方法。我们目前采用的数据初步处理以统 计判别和设定阈值相结合的方法进行，并做初步异常判断。 1 4 3 基于负压波理论的管道泄漏监测定位技术 根据复杂的现场环境，对原有负压波泄漏定位算法进行了修改，并分析研究 了系列可能的泄漏检测与定位算法。并用软件加以实现，对输油管道进行泄漏检 测和定位。 1 4 4 数据管理 随着检漏定位精度的不断提高，处理要求检测硬件具有相当高的灵敏度外， 监测系统保存的数据量也要求越来越大，而有些数据未必是用户常用到的，因此 采用文档和文件操作的形式实现数据的存储与读取功能。 北京工商大学硕士学位论文 第二章负压波泄漏检测及定位 评估一个检测系统性能的好坏可从以下几个标准中得出：定位精度，即当发 生不同等级的泄漏时，对泄漏点位置确定的误差范围；检测时间，即管道从泄漏 开始到系统检测到泄漏的时间长度；泄漏检测的范围，即系统所能检测管道泄漏 的大小范围，特别是系统所能检测的最小泄漏量；误报警率，即误报警率指管道 未发生泄漏而给出报警信号，它们发生的次数在总的报警次数中所占的比例。此 外，还有有效性、使用与维护要求和费用等。 根据以上标准，许多检测方法都存在尚需解决的问题。例如：震动声波报警 技术虽然能够提前预报管道破坏信息，具有管道防盗的前沿性，但是现场采集的 环境噪声数据较少，造成系统受多种干扰信号干扰，误报率较高。此外，监测点 安装在野外，管道沿途声波接受器极易遭到破坏。容易造成整个防盗装置瘫痪， 影响系统正常运行，同时系统管理维护困难；流量差报警技术根据质量守恒定律， 在管道首、末两端各安装一套流量计及流量采集发讯器，监控中心计算机对采集 点传送来的数据进行数据计算、比较、判断，自动对比两端瞬时流量差，当流量 差超过系统设定值时发出报警。但此种方式存在的最大的问题不能准确定位。 2 1 负压波概念的产生 当流体输送管道发生泄漏时，其泄漏部位立即有物质损失，这将引起故障场 所的流体密度减小，压力下降。由于连续性，管道中的流体不会立即改变速度， 流体在泄漏点和相临两边的压力差导致流体从上下游区域内向泄漏区填充，从而 引起与泄漏区相邻的区域的密度和压力的降低。这种依次向泄漏区上下游扩散的 现象在水利上称为负压波，它的传播速度就是声波在管道流体中的传播速度。 负压波定位技术具有很快的响应速度和较高的定位精度，可迅速检测出大的 泄漏，自动化程度高。但对于比较小的泄漏或已经发生的泄漏效果不好。我国输 油管道泄漏主要是由于人为破坏造成的，其特点是持续时间短，泄漏量较大，属 于突发性事故，符合负压波传输的特点。其传播规律与管道的声音、水击波相同， 速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性。国内曾经实测过大庆原油管道在平均油 温度4 4 、密度8 4 5k g m 3 时的水击波传播速度为1 0 2 9m s 。对于一般原油钢质 9 ， 输油管道泄捅定位算法研究与系统实现 管道，负压波的速度约为1 0 0 0 1 2 0 0m s ，频率范围为0 2 2 0k h z 。1 。 前苏联从2 0 世纪7 0 年代开始研究和使用自动检漏技术，负压波检漏技术的普 及，使输油管道泄漏事故减少8 8 。 2 2 负压波速计算 负压波在管道中的传播速度受传播介质的弹性、 素的影响，如下式所示： ， 世p 舭、7 可面面丽 密度、介质温度及管材等因 ( 2 一1 ) 式中，u 一水击波的传播速度，m s ； p 液体密度，k g m 3 ； k - - - 液体的体积弹性系数，p a ； e - - 一管材的弹性模量，p a ； d - - 一管道平均直径，m ； e - - - 管壁厚度，m ； c t - - - 与管道的约束条件有关的修正系数，与油温等因素有关。 我国输油管道输送的原油大多属于“三高”原油，即：高含腊、高凝稠、高 粘度。1 ，因此输油过程必须加热；又因输送距离较远，管道沿线还需增设加热站 及泵站。这样，压力波速最终是温度t 的函数，压力波速计算公式变为“1 ： 口( f ) ( 2 - 2 ) 由于原油在管道首站的温度要远高于中间热站加热炉进口处温度，加热炉出 口处的温度又远高于末站的温度。根据首、末站两端的油温值可知，首站的压力 波速要小于末站的压力波速。但是，在工程中，一般无法得知温度的准确分布， 因此，我们在监测系统中增设了测试模块，测试出每段的平均负压波传播速度。 2 3 负压波定位技术 负压波理论是一种较成熟和具有实用意义的管道泄漏定位的理论依据。当管 道发生泄漏时，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压波，依次向上下游 1 0 北京工商大学硕士学位论文 传递。如图2 一l 所示。 图21 典型负压波波形图 一般压力波在原油中传播速度为1 0 0 0 1 2 0 0 m s 。只要管道两端的压力传感 器准确地捕捉到包含泄漏信息的负压波，就可监测出泄漏，并能根据负压波传播 到两端的时间差和压力波的传播速度进行定位。 负压波法具有很快的响应速度和较高的定位精度。其泄漏点定位简图如图 2 2 所示。 a漏点a il = i 二il x 1 一lt 图2 - 2 泄漏点定位图 定位公式为： 1 x = ( l + a a t ) ( 2 - 3 ) 上 式中垃= 一兰! ) 为上下游两组变送器输出信号的时阅差，s 。 以 a l - - - 被测管线的长度，m ； a 一负压波在管道中的传播速度，m s ； x - - - - - 泄漏点距首站的距离，m ； 由定位公式( 2 3 ) 可知，负压波传播到上、下游传感器的时间差是影响泄漏 点定位精度的关键问题。时间差的计算除了对系统时间的要求一致性外，还要求 在工业噪声背景下对负压波相应拐点的准确捕捉。 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 2 4 负压波拐点捕捉方法 由于工业现场的电磁干扰、输油泵的振动和加热炉等因素的影响，实际采集 到的负压波序列附着大量的噪声。尤其进站的压力较低时，噪声影响更明显。如 何在大量的嗓声中提取有用信号，人们提出了很多方法。如小波变换技术，压力 梯度法，捕捉最大斜率微分算法，自适应滤波法，模糊神经网络方法，极性相关 技术，贝叶斯法，中值滤波法及数理统计法等等。 2 4 1 基于小波变换的负压波拐点捕捉 小波变换即小波分析是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来新的数学理论和方法， 被称为数学分析的“显微镜”，是一种良好的时频分析工具。小波变换法的优点 是不需要管线的数学模型，对输入信号的要求较低，计算量也不大，可以进行在 线实时泄漏检测。其克服噪声能力强，是一种很有前途的泄漏检测方法。但此方 法对由工况变化及泄漏引起的压力突降难以识别，易产生误报警。 2 4 2 压力梯度泄漏定位方法 压力梯度法原理为，在稳定流动的条件下，压力分布呈斜直线形状。一旦泄 漏发生，漏点前的流量变大，压力分布直线斜率变大；漏点后，流量变小，相应 的压力分布直线斜率也变小，压力分布由直线变成折线状，折点即为泄漏点。通 过此种方法即可求出响应压力波下降的拐点。仪表精度及间距都对定位结果有较 大的影响。 由于国外原油多采用等温输送方式，这种以线性为基础的压力梯度法非常适 用。而我国生产的原油绝大部分具有“三高”的特点，粘度、摩阻、密度等随温 度的变化很大，若仍以此法进行管道泄漏定位计算，必将引起很大的定位误差。 这是因为原油在流动过程中，随着与环境的能量交换，油温越来越低，粘度也呈 非线性变化。将摩阻系数假设为常数，并不随流动变化，必然影响了热油管道泄 漏定位精度。 1 2 北京工商大学硕士学位论文 2 4 3 捕捉最大斜率点的微分算法晦1 为准确获得负压波到达管道首末两端的时间差，有一种快速微分算法，用于 捕捉负压波波形的特征点。选择负压波前峰陡降段的最大斜率点作为特征点。微 分算法能够体现出信号变化的趋势。信号处理中，常用来检出信号升降的变化。 微分算法只对波形的下降沿敏感，当数据出现上升时变成0 。在下降的波形处形 成一个尖蜂，尖峰的顶点对应波形下降沿的最大斜率点。泄漏的情况包含一组小 尖峰，通过对这组小尖峰的简单搜寻，即可确定两端泄漏负压波的相应特征点， 非常适合工程实时应用。 令w 。( i ) 是压力传感器经过数字化采样后得到的负压波序列，w 2 ( i ) 和w 3 ( i ) 序 列可经下列算法。3 1 获得 嘲= 舻 w 3 q ) ：哆( ) 1 0 ； o 5 h 0 5 h 彤( f ) 05 h w 2 ( f ) o5 h 这里i 代表采样时间序列，k 为经验值，根据采样频率和负压波传播时问等 因素来确定，当采样频率为2 0 次s 时，k 可取2 5 。t 是经验阈值，根据随机干 扰大小确定。h 是对w z ( i ) 波形幅值的估计，h = m a x ( w 2 ( i ) ) ，并能自动刷新。w 2 ( i ) 对压力波形序列的下降沿敏感，其最大值即是对应的负压波陡降沿的斜率最大值。 w 3 ( i ) 是对处理过的( i ) 序列进一步处理，通过一个比较闽值，将微小干扰除去， 进一步突出泄漏，同时进行归一化处理。处理过程如图2 - 3 所示。 嚣力 撼0 勰0 2 4 0 ( a ) 首端泄漏负压波波形( b ) 末端泄漏负压波波形 1 3 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 雾： 士： ( c ) 首端w 3 ( i ) 序列 图23 i 躲 峨 口 ： ：_ | f l 1 1 02 03 0 4 0时间( s ) ( d ) 末端w 3 ( i ) 序列 微分处理过程 除了采用阈值法去除干扰的影响外，为除去波形中可能出现的幅值较大的窄 下降沿又返回正常的干扰波形，在算法中又加入了“跨度”和“梯度”的概念。 “跨度”定义为w 3 ( i ) 数据序列两0 点之间的数据个数。如果“跨度”小于某一给 定值，则认为此峰属于干扰峰，予以舍去。“梯度”定义为w 3 ( i ) 序列一个峰的两 0 点( 起点和终点) 对应的w 。( i ) 序列两点值的差。“梯度”表示原始序列中一个 下降沿的幅度。特征点搜寻时需要综合考虑“跨度”和“梯度”，以去除干扰的影 响。 应用该算法，计算管道两端捕捉到特征点的时间差值，便为泄漏点处产生的 负压波传播到管道两端的时间差。 2 44 极性相关法 该方法就是将传感器获得的模拟随机相关信号进行极性化处理，然后再进行 极性化相关函数的计算。理论上已经证明对于一个平稳的遍历性随机过程，极性 化后仍然具有平稳和遍历的特性嘲。极性化后的归一化相关函数r s g n x r s g n y ( r ) 与原来的两随机信号的归一化相关函数! t w ( r 1 有如下关系： 1 rs g n x r s g n 少( f ) = 二a r c s i n r x y ( r ) ( 2 5 ) 万 由式( 2 一1 5 ) 可以看出，极性化相关函数与原信号的相关函数将同时出现峰 值，两者都具有相同的对应相关函数极值的延时量，不同的仅仅是相关函数的大 小有一定的差别，但在泄漏定位中，需要的是对应相关函数峰值出现的位置的时 间差，这样就可以用简单的极性分析代替复杂的模拟相关分析。 1 4 北京工商大学硕士学位论文 在极性相关函数的计算中，对极性化信号s g n y ( t ) ，s g n y ( t ) 进行n 次抽样， 逻辑比较结果，若s g n x ( t ) = s g n y ( t ) 有n 次，则s g n y ( t ) s g n y ( t ) 有n - n 次，则其 极性化相关函数为： rsgnzs印，2兰j；：i；器2了i雾1i雾_主iisiginixi,；(ti-ir丽)xsgnyj(t) 土 型：型二丛二生塑 一2 2 n - n ( 2 6 ) 其中a 与一a 是在极性化的过程中，与阂值比较后得到的逻辑值，在实际运算 过程中，彳取1 ，一4 为一1 ，可以大大提高运算的速度，可以保证泄漏检测和定位 的实时性。 2 4 5 割线法叫 割线法的基本思想为：在压力下降过程中捕捉两个压力下降点l 和2 ，利用 这两点作一条直线，利用该直线回归出实际压力突变时刻3 。割线法示意图如图 2 4 所示。回归点3 所对应的压力值为突变前的稳态基准值。 推导过程如下： 毛一只。 正：鼻： 险 p 3 1 m 【t 3 1 t 1 2r 回归点3 压力下降点1 压力下降点2 图24 割线法示意图 1 5 基准值 ( 2 7 ) 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 m = 正。= 孚+ 巧： 1 2 ( 2 - 8 ) 只，= 只一只鼻：= 只一只 t 3 = t ，一m( 2 - 1 0 ) 由于压力的下降并不是线性的，如果单纯地使用一条直线回归下降点的话， 压力下降过于缓慢时会产生修正过度的情况，仍旧会有较大的误差。于是引入了 个经验系数k ( k m _ h c o m ，& r e a d m a s k ，& o s ) ： e v e n t = w a i t f o r m u l t i p l e o b j e c t s ( 2 ，l p s e r i a l c o m m l 一 mh e v e n t a r r a y f a l s e ，i n f i n i t e ) ： m _ h e v e n t a r r a y 0 为读事件，m _ h e v e n t a r r a y i 为写事件 e n t e r c r i t i c a l s e c t i o n ( & l p s e r i a l c o m m l 一 m c s c o n g n u n i c a t i o n s y n c ) c l e a r c o m m e r r o r ( 1 p s e r i a l c o m m l 一 mh c o m ，d w e r r o r f l a g s ，& c o m s t a t ) l e a v e c r i t i c a l s e c t i o n ( & l p s e r i a l c o n l i n l 一 m _ c s c o m m u n i c a t i o n s y n c ) ： ：j 7 输油管道泄漏定位算法研究与系统实现 i f ( ! l p s e r i a l c o m m l 一 m _ b s t a t i o n l e x i t ) 调用数据处理函数 s e n d m e s s a g e ( m _ h s t a t i o n l w n d ，w