（电气工程专业论文）输油管道泄漏在线检测的研究.pdf

摘要 本文对输油管道压力瞬变过程进行了分析，建立了管道压力实时 模型，研制出输油管道的泄漏故障实时诊断系统的软、硬件，完成输 油管道泄漏检测及定位的室内试验和现场试验。并结合管道瞬变模型 法与负压波法建立多维判别法则，解决输油管道泄漏检测及漏点定位 的问题。在理论上分析了以上两种方法的结合将有助于提高泄漏检测 定位的准确性。 关键词：负压波压力瞬变实时模型 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r e s s u r et r a n s i e n tc h a n g ew i t h i nt h e o i lt r a n s f e rp i p e l i n e ar e a lt i m ep r e s s u r em o d e lo fo i lp i p e l i n ei ss e t u p s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed i a g n o s i n gs y s t e mf o rl e a k d e t e c t i o n l o c a t i o nw e r ed e v e i o p e da n dt h ei n d o o re x p e r i m e n ta s w e l la ss i t et e s tw a s p e r f o r m e d b yc o m b i n i n gt h et r a n s i e n tc h a n g e m o d e lm e t h o da n dr a r e f a c t i o nw a v em e t h o d t h em u l t i d i m e n s i o n a l r u l e st od e t e c tt h el e a k a g ea n dl o c a t et h el e a kp o i n tw e r es e tu p a 1 s o ，t h ec o m b i n a t i o no ft h et w om e t h o d si sp r o v e dt h e o r e t i c a l l y r e d o u n dt oi m p r o v et h e v e r a c i t yo f l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o n k e y w o r d s ： r a r e f a c t i o nw a v ep r e s s u r et r a n s i e n t c h a n g e r e a lt i m em o d e l 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及取得的研 究成果。据我所知，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 含为获得金目巴王些太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 谢意。 学位论文作者签名身31 1 l 签字日期：夕伊；年扩月- 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金起王些太堂有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 盒魍王些太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后运用本授权书) 学位论文作者签名：名吾卜 签字日期。夕叫年莎月l 口目 学位论文作者毕业后去向： i 作单位： 通讯地址： 导师繇艨终 4 豕强投剁 签字日期：滞留月 b 日 电话： 邮编： 致谢 谨以此文献给我的导师张崇巍教授。感谢张教授柱我的硕士学冯阶段给予我 浆精心指导，弼对感谢张教授翟本论文撰霹趣整个过稷中给予的悉心指导和帮助。 光阴似箭，硕士阶段的学习生活即将结束。回顾这段时光，让我最难忘的怒 张教授严谨求实的治学风格以及他正直、谦虚、平和的为人。无论是在学术上述 怒在为又上，张教授黎是裁学蔼鹣楷模，并使我终赛受蔻疆浅。强教授除了奁学 业上给予我奠大的帮助和指哿外，在其他各个方面也飨予了我莫大的鼓励和支持， 使我的人生步入了另一个转折点，这不熬用一句话能袋达的感激之情，但是借此 糗会窥张教授袭嚣涤深熬感瓣i 桑运水 2 0 0 3 0 8 1 0 前言 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，管道 所处环境的多样性，以及泄漏形式的多样性，使得目前还没有一种简单可靠、通 用的方法解决管道泄漏检测问题。目前，国外的输油管道的实时监测技术已趋成 熟，但是这些产品由于价格昂贵，脱离了国内各油田的经济实际，从而制约了这 些产品在国内的推广应用。而我国对管道泄漏检测技术的研究起步较晚，目前各 项技术还不能进入生产运行阶段。 国内外管道的泄漏检测技术基本上可分为两类：一类是基于硬件的方法( 如 放射性示踪法) ；另一类是基于软件的方法( 如压力图象法) 。本文主要研究负压 波检漏和实时模型两种输油管道泄漏检测方法。 传统的负压波法是把压力波的速度当作定值来处理的，这就会给定位带来误 差。已有的基于模型的管道泄漏检测定位方法，在其建模过程中对于泄漏点的定 位机理大都是基于传统线性压力梯度法，这与我国原油热输管道情况不符，在应 用中将存在很大误差。本研究拟在对输油管道瞬变过程进行分析的基础上建立管 道压力实时模型，结合管道瞬变模型法与负压波法建立多维判别法则，解决输油 管道泄漏检测及漏点定位的问题，研制出输油管道的泄漏故障实时诊断系统的软、 硬件，完成输油管道泄漏检测及定位的室内试验和现场试验。 首先针对管道发生泄漏时会产生负压波的特点，根据负压波检漏法的原理， 设计一套实用系统，明确系统设计功能与技术指标，解决传播速度在热油中不是 一个常数、系统容易误报警和时间差难予精确测定等问题，在临济管线上进行现 场安装调试，经过试验达到了预定目标。 其次，在实时模型法的研究过程中，比较分析等温和加热输油管道的工艺计 算方法，在对热输原油管道进行热力计算和水力计算的基础上，推导出更符合热 输管道实际情况的一组方程；为了既保证精度，又提高运算速度，对算法进行了 优化。 基于实时建模法的理论，编制了一套软件，在实验室内自行设计和建设了模 拟环道。该系统实际上综合了负压波检漏和实时建模法检漏两种判别法则，对于 突发性的大量泄漏，将使用负压波法进行快速诊断；对于较小的泄漏或需要精确 定位的泄漏，将使用实时建模法进行判别。输油管道实时建模泄漏检测法工作量 繁重，目前在实验室里完成了和负压波检漏法相关的实验，对实时建模法部分的 软件进行了调试实验结果证明了计算机模型的正确性。 最后，在理论上分析了以上两种方法的结合将有助于提高泄漏检测定位的准 确性。 第1 章绪论 1 1 引言 由于管道运输在经济建设中发挥着越来越重要的作用，它已成为现代社会不 可缺少的组成部分。随着管线的增多，管龄的增长，以及不可避免的老化、腐蚀、 超年限运行和其它自然或人为损坏等原因，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。因此管道的维护管理、防止泄漏、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管道泄漏检测技术的现状 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( 如地上、管沟、埋地、海底) 的多样性， 以及泄漏形式的多样性( 渗漏、穿孔、断裂等) ，使得目前还没有一种简单可靠、 通用的方法解决管道泄漏检测问题。 国外一些较发达国家从7 0 年代未已经开始对管道泄漏故障进行了研究，8 0 年 代末进入较实用的商品阶段。目前，国外的输油管道实时监测技术已趋成熟，譬 如壳牌公司( s h e l l ) 在九十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 s2 0 0 0 长输管道泄 漏监控系统。但是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。而我国对管道泄漏技术 的研究起步较晚，在消化吸收国外技术的基础上也有几家单位进行了现场试验： 但由于配套技术和检测精度不够完善目前还不能进入生产运行阶段。 目前国内外管道的泄漏检测技术基本上可分为两类：一类是基于硬件的方法； 另一类方法是基于软件的方法。 基于硬件的方法是指对泄漏物进行直接检测的方法，也称直接检漏法，如直 接观察法、管道泄漏溶解法、油溶性压力管法、声波法、放射性示踪法、光纤检 漏法等。 基于软件的方法又称为间接检漏法，是指借助于计算机系统，通过检测因泄 漏造成的影响，如流量、压力、温度等物理参数的变化来判断泄漏是否发生及泄 漏位置。这类方法有质量体积平衡法、压力图象法、压力点法、实时模型法、统 计检漏法、p p a ( 压力点分析) 法等。它的主要优点是适应性广、安装简单。基于 软件的方法对检测仪表精度要求很高，否则会带来较大的定位误差。根据检测的 具体要求可选用精度较高的仪表，或利用数学方法对采集的数据进行修正。 除上述两类主要方法外，还有其他的一些检漏法，如清管器检漏法。各类方 法都有一定的适用范围。 2 随着计算机技术的广泛应用，以及现代控制理论和信号处理技术的发展，输 油管道的实时检测及报警技术逐渐占据了主导地位，而且还在不断发展之中。 1 3管道泄漏检测技术的发展趋势 随着管道工业的不断发展，公众对环境的要求越来越高，对泄漏检测和定位 要求也越来越高，管道泄漏检测技术存在如下发展趋势。 1 3 1 软硬结合 单一的方法很难满足管道泄漏检测的要求，基于硬件的方法和基于软件的方法 在很多方面具有互补性：基于硬件的方法有很高的定位精度和较低的误报警率； 基于软件的方法能实现实时在线监测，及时给出报警信号。 1 3 2 泄漏检测与8 0 a d a 系统结合 s c a d a 系统不仅能为泄漏检测提供数据源，而且能对管道的运行状况进行监控， 是管道自动化的发展方向。加之单一的检漏系统并不经济，因此，它将集成到s c a d a 系统中，成为其不可缺少的一部分。 1 3 3 负压波法与管道瞬变模型理论的结台 随着计算机在各领域的应用普及，以及现场工作人员文化素质提高，现代控制 技术和数据处理技术正迅速应用到油气管道的故障诊断系统中。目前国外运用较 多的方法是基于负压波法与管道瞬变模型( 实时模型) 理论的结合，把实时诊断 系统与管网s c a d a 系统融为一体，最大限度利用现代计算机技术预报诊断管道泄 漏事故。 1 4 管道泄漏检测的常用方法 1 4 1 基于硬件的检漏法 a ) 直接观察法 b ) 管道泄漏溶解法 a ) 电缆阻抗检测法 将一种能与油气进行某种反应的电缆沿管道平行铺设，当泄漏时泄漏油气与 电缆发生反应改变电缆的阻抗特性；该电缆即是传感器又是信号传输设备。目前 已研制的有油溶性电缆、渗透性电缆和分布式传感电缆。 b ) 冲气压力带法 在管道的外部绕上可被输送油气溶解的冲气带，当泄漏时冲气带与油气发生 3 反应溶解，带中压力下降；从而检测带中约压力即可检测泄漏情况。这种方法也 不建霉专已建篱遂系统； 上述的溶解方法由于电缆和冲气箍力带的自然老化和气候的变化经常出现误 报警，现在很少使用。 c ) 声波浪 美国；霹魏零大夯绥了这耱方法。警餐：邋内滚俸涟滚瓣，在餐线舞鹅形成满旋， 这个涡旋就产生了振荡变化的压力或声波。声波可以传播扩散返回泄漏点并在箭 线内建立声场。泄漏产生的声波具有很宽的频谱，分布从6 k h z 8 0 k h z 。声波法 怒列翔泄瀛对产生熬噪声撵为信号源，幽抟感器轮取该信号确定泄漏豹位置帮程 度。由于硷溺澈嚣要管遵分蔽停运影啭露常生产雨盈窥位误差较大，在检测搡佟 中滞要人员较多，而且信母的记录传输以及同实际距离位置同步问题难于解决， 这种方法现在融经不再使用。 动必绎梭瀛法 a ) 准分布式光纤检漏 准分布式光纤进行检涌技术已比较成熟。传感器的核心部件幽棱镜、光发与 光收装置构成。当棱镜底戚接触不同种类的液体时，光线在棱镜中的传输损耗不 麓。穰据巍搽溅器接霾豹必强来确定警邋楚否溪瀑。这释铸惑器戆臻轰是当漆羧 触不到棱镜时，就会发生漏枪的现象。 b ) 多光纤探头遥测法 美国拉袋缎加斯亩的fci 环保公嘲开发的pet r osen8e 光纾传感 系统可对窳审辩蒸气态麓碳氯亿台物憨蘩送行连续硷溯，可弱予溜罐及短距藩输 油管道的泄漏搽测。对于不阋的应用可选择配置1 16 个探头。探头的核心部分 怒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。使其折射率褥 到改变，鼓惑馒是绎中光豹传撵特牲发凳嶷隼l 二。探头中内设电子装骧，可将巍臻 譬转换为电信麓。数据采集禳块青多种按臼，可将信鸯远传鞋满足遥溅的需要。 c ) 塑料包粳石英( pcs ) 光纤传感器检漏 这种pc8 光纤传感器的传感原理如图卜1 所示。巍油与光纤接触对渗透到包 鬃，雩l 超毽滋疆辩率变纯，簿蘩走透过终蕊与包爱交獒嚣懿淫瀑，遮藏巍野莛竣 2 网1 - 1 pc8 油渡泄漏传感嚣 l 一龟禳层2 一油3 渣潺渡4 一终芯 4 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。 e ) 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，yor k 公司的d ts 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25km ， 对于温度的变化可在几秒钟内反应。dts 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。 f ) 放射性示踪剂检漏物法 这种方法是将放射性示踪剂( 如碘1 3 1 ) 加到管道内，随输送介质一起流动。 遇到管道的泄漏处，放射性示踪剂便会从泄漏处漏到管道外面，并附着于泥土中， 示踪剂检漏仪放于管道内部，在输送介质的推动下行走。行走过程中，指向管壁 的多个传感器可在3 6 0 。范匿内随时对管壁进行监测。经过泄漏处时，示踪剂检漏 仪便可感受到泄漏到管外的示踪剂的放射性，并记录下来。根据记录，可确定管 道的泄漏部位。这种方法对微量泄漏检测的灵敏度很高，但检测操作周期长，不 适用于在线实时检测管道运行，现在已经很少使用。 1 4 2 基于软件的检漏法 软件方法主要利用sc a d a ( 监控与数据采集系统) 提供的压力、流量、温 度等数据来检测管道的泄漏。它的主要优点是适应性广、安装简单。主要有下面 几种类型的方法。 a ) 质量平衡法 根据质量守恒定律我们知道，在管道无泄漏的情况下进入管道的质量流量应 该等于流出管道的质量流量。当泄漏程度达到一定量时，人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象，根据图象的变化特征确定泄漏的程度和大致的位 置。 由于管道内流体状态复杂，影响流量因素较多，该方法检测精度低，流量计的 精度也赢接影响泄漏诊断的准确性，定位误差为流量测量的6 7 倍。而且当成品 油在管道流动时，其温度、压力和密度也可能发生变化。这意味“进多少出多少” 的简单系统在某些应用中是不够完善的。 b ) 压力分布图法 在管道沿线的截断阀处分别设置压力传感器，同时采集各压力传感器的压力 信号传回检测中心；检测中心汇总这些信号构成该管线攘体压力分布图，根据压 5 力曲线梯度特征和拐点位黢确定泄漏程魔和泄漏位置。由于地理环境和生产的嚣 囊，营遴镶设工艺缝棱复聚竣枣手溪泵谲溪惑搡终条传熬改变，在涎灌瀑魏壤淡 下也可能出现异常的图象特征而产生误报警现象。为了克服管道瞬交流产生畸澎 胍力图象，通常考察该压力图象的积分效应，这使得梭测及报警时间较长。对于 妖距离输送篱道出于霈要礴餐较多压力传感器并且又不能实现截欺闽过于密集 ( 耗i 较裹) 、逐骞莹号霭癸颡步传赣装锯，嚣筵整套捡溺系统耗资较大。特麓怒 沿线的信号采榘设备容易人为破坏。 c ) 压力点分析法 压力点分拶予法( p r e s s u r e p o i n ta n a l y s i s ) 蓠称p 默，是一秘鼷予气体、滚体 莓鞋菜些多裰流餐遭梭溅淹溺酌方法。蘸璐跫对管道酶瓣力衽流量鹣变亿率遂行糗 测。当管道处于稳定状态时，压力和速度以及密度分布不随时间变化，在设备( 浆 戏压缩机) 增大溅减少能量时，速度、压力秘密度分布的变化是连绥的。一旦稳寇 羧态受蔓 某一搿赦静于扰，黪遂终囊薪瓣稳定凝态过渡。经过一定瓣窝流体改交 冀流速和压力。如采在沿线的某点发生攀敖，其最初酾泄漏特征将谯一定的时间 内传递到管道术端( 或其它任何检测位鹭) 传递时间取决于事故发生地点到检测点 距离和声音在瓣道流体中传糖的速度。有泄漏发生对，管道完成过渡达到新的稳 态。遥渡对阕激动量稳漳羹邂毽确定，究藏该交纯获爨要魏霹窝燕凡分势至十足 分钟。为了消除专用的检测仪表和试图捻测扩张波峰产生噪声后的w 靠性问题， p p a 在检测点梭测流体从某一稳态过渡到另一稳态时管道中流体压力和速度的赍 饿情况。p p a 的分析过程不黉簧在不变的稳态之嗣过渡，它适会于管道熬现行撵铭。 p p a 懿检嚣宅蓠先分耩褒骞纂令淫试点静缍数据，然藤瘫藤诗算橇鲶淫这些原始 数据，以确定管道是否有泄漏点。 d ) 负压波法 压力波检溅法可迅速捡测1 0 2 0 以上豹突发性戆大量淫瀑，掺必抉速诊凝 法占据重簧遮使。 当泄漏发焦时，泄漏处立即有流体物质损失而引起局部流体密度减小产生瞬 瓷难力降低和逡度差，这个瞬变的压力下降作用在流体介质上就作为振动的源邋 遗篱递襄渡钵分震是瀵潺点瓣上下游驭黟涟转攘；箕镥撵熬速度在蛰遂露羧送携 料中并不相同，在天然气中大约为3 0 0 米秒、在液体浦中速度大约为1 2 0 0 米秒； 设蹩在泄漏点两端或泵站的传感器拾取臌力波信号，根据压力波的梯度特征和腻 力变亿率豹对间差利用信号榍关法就可确定泄漏程度和泄漏位置。在负压力波传 攒涎遘疆孛，穗手管遂数缝稳耱藏门黎彩确使褥囊嚣力波鹣簧搔耱戆发生改变t 同时油气和管道吸收能量也使得负压波掇荡减弱。压缩机的运行噪声和调阀时厦 力的变化给采祭泄漏信号造成很多困难。本方法检测速度快，操作人员少；随蒲 薪挺商糖度傣感嚣豹使用和建速计算机黝发餍，信号梭测秘穰号处疆技拳正颠麓 6 鞋款传麓戮l 孛耪缝合豹穷运发爨。姆剐是天王镄经鼹终窥模式谈甏技零麓露效捷 用使得负妪力波检漏方法具有更好的应用前景。针对泄漏时聪力波传播现象的某 些特征可以采取适当的检测方法：对于既定的输油管道，如果流体的物理性质( 比 重、容积弹性系数) 己知可以求出魇力波的传播速度；对于同一釉流体压力波传播 邃覆基零缣持不交，潮魏溺鑫压力波裁髭稚篓瀵瀑缝纛。由予渣满所雩| 越鹣歪力 变化必然导致压力下降，这与人为嫩开关阀门或许停泵时所产生的过渡现浆截然 不同，后辫在操作点的上下游呈现出一端压力商，一端压力低。所以根据压力波 动的请况熊l 较容易判凝是否泄漏。 秘分段试筮法 沿瞥= i 鳆分段关闭阀门，观测关闭段压力下降的变化从而判断泄漏的程魔和位 置。美国臂道运输部制定的管道安众规则要求对众部新管道在酋次运行以前和对 管道改线、更换篱段嚣震毅运行骧魏都要进行这静试验，鑫予捡溅翼重嚣要繁邀分 段停运影响正常生产工作而且不能及对准确定位梭测，长输送管道捡损工作量较 大。 f ) 实时模型法 实露续鍪法是磷突豹最多豹颡方法，宅誉投链巍溅到较小麴淫 漏，且定能准确。这种方法的工作原理是由一组几个方程建立一个精确的计算机 管道实时横型模拟管邋中流体的流动，此模型与窟际管道同步执行。定时鞭管道 上的一维实际值，如上下游压力、流量，运用这娥测量值，嗽穰型估计管邋中流 镩静垂力、瀛耋蓬，然嚣蒋这些毪谤毽与实溺鬃德俸跑较来稔漏。模型采麓鹃方 程包括质蕊平衡、动爨平衡、能量平衡和流体状态方程等，它需要很大投资：在 管道的出入口和管线沿线安装复杂控制传感系统，测量流量及压力，测点越多越 好，检测糖度依赖予横挺窝硬俘耩嶷。突出特点：慰泄漏菸敏感毽好，胃慰渣潺 煮定位，并对管道递纾连续蓝测，德误叛警率较离。 1 5 零论文研究的目的和内容 1 。5 ，t 系缝豹基髂稳袋 巯测装置包括同步信号采集嚣缎、监溺计算机、调制解调器以及打印机，进 行数据采熊、数据分析、数据存储和数据的微波传送。g p s 接收机接收从m 星传 来的时间脉冲信号，备站点的信号采集器组实时阅步监测管道运行状况，弗将采 集麴篷力簿信号经亳缀传送绘诗冀飘，诗舞裁逡箱受基渡法、实嚣幸模篓l 法等各静 检漏方法对管道运行预撤警，并控制m o d e m 在必溪的时候取得另一端监测仪传来 的数据，并将传来的数据和本地的数据综合分析以进行漏点定位。当管道发生泄 漏时，系绫自动报警，并计算出泄漏点的位置，照示在电子趣阁上。 滚系统采奔j 瓣态受难波法、实辩模螫法等多辩方法对管道的澄漏进行裣溺和 7 定位，此外逐w 实时监测臀道的运行状况，提高了输浊自动化管理水平。国际二 赞绞豹受基波梭溅法嚣要簌餐遂豹每一滚器安装嚣令掇力簧惑器，零系统在每一 端仅需一个聪力传感器，采用结构模式谈剃法，判别泄漏引发的瓣态负压波与其 他工况变化( 如调泵、阀门开闭等) 引发的负压波的区别。 鞠1 - 2 系统总体橡成示意闰 1 5 2 管道泄漏检测的步骤 如图l 一3 掰幂，管道溅溅驹捡测过程分为以下六个步骤： 辫卜3 管道泄濑捡测豹步骤 矗) 敖障僚弩的在线检测( 数据采集) 通过设置谯泄漏点两端的传感器采集压力波信号，以及油品入酋站、流经中 间站及流入束站时的压力、流量、温度、密度等参数，并把模拟信鼍转换成数字 8 信号，以便计算机处理。 b ) 信号预处理( 去噪) 由于不可避免的工业现场干扰，实际采集的信号混杂着大量的随机噪声，所 以必须对信号进行预处理，包括异常点的剔除、中心化处理、消除趋势项以及数 字滤波等。 在对机械设备进行故障监测时，通常采用对振动信号进行频谱分析。对振动 信号的处理可分为时域分析、频域分析。 时域分析主要是确定经过预处理的信号的时域特征向量，包括均值、方差、 标准差、分布密度、偏斜度、峭度、自相关函数和互相关函数。 频域分析主要是求取信号的功率谱、幅值谱、自谱、互谱、倒频谱、三维谱 等，利用到的主要手段是快速傅立叶变换( f f t ) 。 c ) 提取故障征兆的特征信号( 特征提取) 实际采集到的信号经过处理后包含着故障信息，但这些有用的信息淹没在大 量无关的信号中，因此信号分析的目的就是从检测到的特征信号中提取故障征兆， 即准确地分离出信号的特征拐点。 传统上傅立叶变换是研究信号奇异性的基本工具，但傅立叶变换缺乏空间局 部性，只能确定信号奇异性的整体性，难以确定奇点的空间分布。而小波变换同 时具有空间域与时间域的局部性，对信号奇异点非常敏感，而且时窗和频窗的宽 度均可调，是描述、检测信号奇性局部性质的有效工具，所以可以用于滤除噪声 和提取负压波波形的拐点。 可结合小波分析理论和信号相关理论分析泄漏信号与管道噪声拐点特征来提 高泄漏信号的识别精度。 d ) 建立管道泄漏诊断数据库 建立管道泄漏诊断数据库就是按照一定的次序将管道泄漏故障以及与之对应 的特征排列起来，建立一种可查询的双向链表结构，并可以添加、删除、更改其 中的某些项。 e ) 确定故障的类型及发生部位( 故障识别) 根据数据库中信息对特征信号进行分析，用一定的方法将经过处理的信号与 诊断数据库中的信息进行对比，从而确定是否发生泄漏。如果发生泄漏，计算出 泄漏发生的位置及泄漏量。 由于管道中的流体温度，密度的变化，传播速度也会有所变化，这就给定位 带来一定误差。采用结构模式识别和神经网络相结合的方式可以提高系统的监测 能力及定位精度。 f ) 形成干预决策，并付诸实旆( 诊断决策) 如果有泄漏发生，诊断系统会发出指令，打印泄漏信息，并报警。 9 该系统将现代计算机殿用领域的人工神经网络和结构模式识别用于信号的梭 溅，羁惩枣波分褥瑾论秘缤弩穗美理论分凝溪潺覆号与警遵臻声携杰跨薤t 疆藏 了泄漏信号的识别精度和对漏点的定位精发。 。5 3 丑前检测技术存在的阏题 蓟转统熬受基波法莛戆蓬力渡静逮袋登骰定壤来鲶毽夔，稳楚实嚣蓬力波逮 岛液体的弹性系数、密度和管材的弹性等因素有关，而这些因素又是受温度影响 的，由于环境变化、流动摩阻等原因，聪力波的速度怒变化的，所以把压力波的 逮度当徼定毽会给定位带来误差。 b ) 已有的麓子模鼙豹罄道灌漏检测定位方法，程獒建模过程中辩子 泄漏点的斑位机理大都是基于传统线性压力梯度法，该类方法对于流体沿管 遵流动过程中疑温度基本保持不变或其输送流体的粘臆、密度、热绺等随温度变 纯较小豹浚薅辕送譬遵是委确躯，妊毽器主流覆淤飘按穗中袤蒙洼、敬溯j 乏海爨 浦等，其凝点、粘度都禳低，与轻浦特髋褶近。磊前阐岁 新型的管道泄漏检测系 统仍沿用这些熬本方法，但怒由于我国原油高粘度、黼含蜡、高凝点，需加热输 送，温度较小纳变化就能引邈原油粘度很大的变化，从瓤引起管道水力特性发生 较大交往，餐邋浍绞歪力撵发不稳等，受嚣线性势毒，蓉绶采窝基鸯瓣运力稀痰 窥位方法计算热输管道沿线泄漏点位置，由于管道首米端温度相差较大，将存在 很大误差。误麓的根本原因是因为在管道运行过程中，流体的流动需克服管道的 艨擦阻力，蕊这部分压力姥的损失又转化成熟量加热流体；对于加热的警输流体 ( 滚度与繇壤不满) 登然与群凌发生热交换，热囊运遗传导、疆瓣、对瀛等传戮 周围介质中，流体温度的下降又导致其物性参数如密度、热容、粘魔等发生变化， 同时这些参数对于流体的流动有很大影响。 扶不等溢餐遒滚程滠囊熬下降交识强中霹殴看出没整热渣竣送瓣遵其涅褒搽 发发生变稼，程管道首端游降快，在管邋来端温降慢。缸子温度、魇力、流量耱 飘影响，假设瞥道环境温度和总传热系数保持不变，即使管道入口处流体温度相 同，在不同的箭道流量情况下，管道沿稔的温度分布墩钶很大的不同，其曲线的 撼度毒摄丈蓑巍，墨警遵发黛渣潺舞，鑫l 爹管遵渣瀑京凝嚣豹罄段滚整城乡，嚣 龅温度梯度也将发生较大变纯，粘度也量 线性交化。爨此，必须研究加热输遴 ( 绒输送过程中流体温度发生变化) 管道的热力方程，建立考虑管道沿程热力变化 的水力和热力综合模型，才能得到较为潍确的结果。 1 5 4 研究的融的和内容 本研究拟程对输油管道泄漏瞬变过程进行分析的熬础上，建立筲道压力实时 横溅，结合管邋瞬变模型法与负基波法建立多维刿副法剃，瓣决输溅送营遵泄添 l o 检测及漏点定位的问题。研制出输油管道的泄漏敞障实时诊断系统的软、硬件， 竞艘黪法謦遂淫潺捡溅及定毽鹣爨蠹试骏辩袋凌试验。 主要研究的内容有以下几个方面： 蓟受莲波钱臻模型豹建立秘现场试惩 b ) 管道瞬交眶力模激的建立和室内试验 1 5 5 研窕的重点疑难点 a ) 熊压波传播模型的研究 繇究管道输送的遵稷中，潼赫戆溢痰、压力、流鼙、管道缩稳等因素对受压 波传播速度的影响，修正负压波波速的计算公式：基于负压波检漏法的理论，结 会淫霉辕灌警线安涨 孽凝，设诗套检添系统，猩现羁避行试瘸，绦涯菸霹靠魏 和准确性旗本满照管线正常运行中检漏的要求。 秘懿遵瓣交惩办攘爨熬建立及诗篓辍仿真： 建立比较准确的管道流体实时模型，以可测凝的参数做为边界条件，估计管 线内朗压力帮流擞参数。当计算缕果韵俯差超过绘定馕，鄄发出没瀑报警。莠对 建立的摸挺进行计算机仿真的室内试验，验证模激的准确性。 第2 章输油管道负压波检漏法的研究 2 1 干线漏油后的工况变化 有n 个泵站的输油管道上，若在第c + l 站进站处漏油，漏油量为q 。漏油前， 全线输量为q ；漏油以后，漏点前面输量为q + 。漏点后面输量为瓯一q 。漏油后全 线输量不相等，可从漏点处将全线分为前后两段，分别列出各段的压降平衡式。 从首站至漏油点的管段上 q + c 0 8 讲“j = 以g 一+ a z o “1 + 胡_ 从漏油点至末站油罐液面 月二。+ o c ) 【4 一b “z q ) 2 。”】= 厂g 一厶x q 一q ) 2 一”+ 吆。+ 。 两式相加，可得 q + 删一a z = 0 口+ 以埏p 一”+ 【( 矗一c ) b + f ( l 一) l o 一g ! 广” ( 2 1 ) 正常工况下，全线的压降平衡为 a h l + ，z u - b q 2 一”j = f l q 。一”+ z ( 2 - - 2 ) 珥+ n a a z = 【，i 嚣+ f l 】q 2 1 对比式( 2 1 ) 、( 2 - - 2 ) 可知 q q q q( 2 3 ) 干线漏油后，漏点前面输量变大，漏点后面输量减小。为了求解漏点前的第c 站进站压力的变化，列出首站至第c 站进站处在漏油前、后的压降平衡式 a h , + ( c - l x a 一占q 2 1 ”) = f l o 1 0 2 。”+ 必l + 日。 5 t 1 + ( c - i x a 一日g 一”) = 凡。宏一”+ a z c l + h ： 两式相减，可得 日：一a g e = 【0 1 ) b + f l , 一。】( q 2 一“一g 。”) ( 2 4 ) 由于瓯 q ，故 h 。+ 一h o 结构模式谈剐方法 圈2 9 缩构模式识别原理圈 管网泄漏引发的负压波为有规贝i j 的波形，其状态信息邕接反映在信号波形结 构上。先了撼捉淡澡产生豹受压波，可以对医力传感器接收到的綮道压力波动痿 母采用缩牵句模式识别的方法进行识剐。为掌握瞬态负压波波形结构特征，需研究 鹜遂泄漏肘管道中豹水击过程。 在泄漏发生辩，由予管道内外酶压差，泄漏点处流体遗速流失，压力下降， 磷度减小，紧邻泄漏部位的“第一层”液体向泄漏区填充，压力”f 降，密度减小， 又往“第= 层”液体获上下游两个方囱向渣漏区流动。羹复这个避程，藏会产生 个瞬态熊压波分别向上下游传播。当负压波到达上游的离心泵豳时，由于泵机 绻熬参数劳来改变，激谈为泵瓣稳态特性仍霹逡翔，这样受基波会在泵瑟出理 较大的反弹，产擞正压波下行，淞线流体都会获得一个增压水头，增压波到达泄 1 8 漏区时，猩泄漏情况未达到稳态时，继续挤压泄漏部位继续产生上行的负压波， 蠢到这到稳态王况。受基波传援烈寒壤出圄嚣基力小于镰罐渡位的承头，又会产 生增压波上行，这个过程也会重复进行直到建立敞新的稳恣工况。 泄满引发的农潦波在溅漏处产 生个较陡峭的前峰，随璐波峰的 推进，水谢波的幅值不断减小，这 种税象称为波峰衰减。 从图2 - 1 0 中可以看出，泄漏发 叟懿，管邀器力缝子+ 分串稳获 态，其波动很小，管道发擞泄漏时， 由予承壹波戆复射程衰减，受基波 波形会有一个明最的波谷和较大 的反弹，接着会出现几次摄蝠逐渐 降低的余波反弹，然后在一个新酶 臌力水平上逐渐平稳。此h 寸泄漏过 耧进入持续段，没有犬的波峰和波 耋 - r 鬻 簟 囊硼悯触蠢 豳2 - - 1 0 管遂瀵满鞋受缀波曲线 谷n 而调浆和调阀等正常操作时引起的负压波在管道中传播的过程与泄漏时的情 鼙删一- 棚嗑 图2 - 1 l 管道泵调节时负压波曲线 嚣不黼，镶魏凋2 - 1 1 掰示鸯 泵调节引起的负压波波形，调 泵之魏受匿波为稳定状悫，暴 力只肖小的波动，调浆时，压 力迅逡下降，掇现一个小豹压 力反弹之后又迅速下降，但与 图2 1 0 不嗣的是当压力下酶 到最低点后，缺乏压力上升裰 波动的余波段，赢接进入稳定 狭态。 从理论上分析得出泄漏 孳| 发稳受基波靛波形特点，霹 为达到进一步判别打下基础。 2 6 3 建瓿考虑漓溢影响自尊负压波传播速度公式 a ) 压力波传播速度的基本公式 下面缀据质纛守僵嚣璃，捺等承击匿力波传攒速度静基本表达形式。 假设管路末端阀门迅速关闭，根据压力波沿瞥道传播对，管j 鳇充装过程中液 1 9 jil。rm蕞￥ 体的质量守燧琢理，瘦题动爨方翟( 2 - - 6 ) 殴跨冀农毒嚣力波速。 a l l ：一型f 1 + 监+ 些)( 2 6 ) g 痒口 式中： a 一水击波速，m s 盎麓一压头增爨( 求番医力) ，m v 。一稳定状态管内的流速，m s a ￥一漉速豹嶷纯鐾，影s g 一邕力加速度，m s 。 阕 j 瓣辩关黉鬃，匿力波经过竺s 祆篱道下游端传播戮上游端。由予7 k 击压 d 力在阀门上的作用。馒管道瓣轴向伸长s ；在水击压力作用下，管道横断灏积增 加了a ，流体密度变化了ap 。压力波传播兰s 时间内，流入管道的液体量为p “ a v e , q , - - “s ，搬据质量守恒原邈，流入爨应等予管道容爨韵增热萋与管内流体透缩量 d 之和。 p x v oo _ l s = p l 削+ p 4 m + l a a p ( 2 7 ) 假设管道在查s 时间内伸长了距离盘s ，阀门移动速度成为a s 导阀门处流 口 厶 俸遴度变化爨厶v = ( a s 堡) ，馒翅这令关系扶( 2 一? ) 式中溃去褥 a v ：丝+ 望( 2 8 ) da p 代入方程( 2 6 ) ，可以得到 嚣2 一，巡 ( 2 9 ) 文 a 七p | p 根据波体体积弹性系数的定义 芷。_ 垒l( 2 1 0 ) a p ip 锭入( 2 一) 显麓og a l 扣两厨k 磊p 五丽 f ( 2 一1 1 ) 上式表豕压力波速与液体的弹性系数k 、密度p 和管材的弹性a ap 有关。 怼予瓣g 毪营遴盎矗一o ，8 mz 瑟历，簌| 】无疆溅俸奔震中微小魏动静声速。 b ) 输油管道淞程温降对压力波传播速度的影响 我重豢漓不嗣予繁爨麦簧魏中东魏悲海疆油，添澶携搜疆温度变纯缀大，大 部分属于黼凝点、高含蜡、高粘度的“三高”原油，对管道腐蚀大，易结蜡，为 了辫低饕遵输送中的摩阻瀵耗，在原油输送技术上，一般聚眉加热输送，激度较 小的变化就能引起原油粘殿很大的变化。热油输遴不同于等温输送的特点在于： 输送过程中不仅存在摩阻损失，丽且存在旃散热损失，由于出站濑度较高( 5 0 7 0 ) ，沿程燕耗较大，溢降明显，随着散热的迸静，所输介质浍稚静温度是连续 变化的，密度和液体豹压缩性也会有所交化，由式( 2 1 1 ) 可知实际的a 决定于 液体豹弹僚帮压缩经，蠹予管道中髓流俸滠麦、密度鹣交纯，传撵逮褒邈会袁凄 变化，管j 蘑首端商漩段的压力波逾与管道术端的联力波速并不一致，而公式( 2 5 孛麴藏雄波簧掇速度a 是佟兔逝篷娃臻戆，这麟绘定继势来一定误差。臻果有 一个比较准确的a 值计算公式，那么泄漏点的判断会更准确。 c ) 嚷立维尔( a 。r h a l l i w e l l ) 表达式 考虑到管线弹性变形的不同情况，哈立维尔( r h a l l i w e l l ) 于1 9 6 3 年提 出料更为一般豹表达式： ( 2 一1 2 ) 式中： a 一农击波转播逮爱，m s k 一液体的体积弹性系数，舰 p 一渡俸豹爨度，k g m 3 e 一管材的弹性模爨，p a d 一管道直缎，m 6 一管壁厚度，砸 掣一系数，取决予鬻道的丽定情况，仅一端溜定时，妒：寻一芦；全粼豳定对 4 ( 如埋地管道) ，v = 1 - 2 ；到处有伸缩连接时，桫= 1 。 一渚松系数，镳簿豹瑟- - - - - - 0 。3 。 d ) 衣临济输油管线负压波泄漏检测的实际操作中，为确保负压波传播速度的 羧礁，对该速度遴褥了壹揍测定。 2 。6 4 鞲确测定时阐差 a ) 稠用小波交换提取负压波髓拐点，确定负箧波形成的其体对刻。 8 ) 利用全球擞星定谯系统( g p s ) 校准各站的时间，使他们相差在毫秒( m 8 ) 2 1 孬 ，jl 数量级。 2 7 现场效果 2 0 0 2 年1 2 胃9 嗣凌晨5 时，系统检测刭在三号站与化二站之间臀线发生泄漏， 如图2 一1 2 、2 1 3 所示； 圈2 一1 2 、图2 一1 3 是三号菇帮纯二站5 ：8