（电力电子与电力传动专业论文）长输管道泄漏自动检测与定位方法的研究与实现.pdf

a b s t r a c t l o n gt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e h a sb e c o m eam a j o rt r a s p o r t a t i o n w a y b e c a u s eo fi t s h i g h e f f e c t i v e c o n v e n t i o n e n v i r o n m e t a l p r o t e c t i o n h o w e v e r b e c a u s ea g e i n g e r o d e b e e i n gm a n g l e db yh u m a n t h e l e a k a g ee v e n t si so f t e nh a p p e n t h o s ee v e n t sc a u s eb i g n e s se c o n o m yl o s t sa n d e n v i r o n m e n t p o l l u t i o n t h e r e f o r e p i p e l i n el e a kd e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n ti s s u e i nt h e p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y i nt h ew o r l dw i d e r a g e h a r d w a r e b a s e dl e a kd e t e c t i o nc a n t o p e r a t ec o n t i n u o u s l y t h ec h a r a c t e r so f r e a lt i m e r e l j a b j l i t y p r e c i s i o n s e n s i t i v i t yo fs o f t w a r e b a s e dl e a kd e t e c t i o n a r eu n s a t i s f a c t o r y d u r i n gt h ef a 卜r a n g i n gu s eo fs c a d a s y s t e m si np i p e n e t r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y t h ec o m p l e xs o f t w a r e b a s e d1 e a kd e t e c t i o nb a s e do t h ei n f o r m a t i o np f o c e s sh a sb e c o m eaf o c u sa n dt i d a lc u r r e n ta n dg e tm u c h a t t e n t i o n sb ya c a d e m e 0 nt h eb a s eo fp r e v i o u sw o r k s f o l l o w i n gw o r k sb e e n d o n ei nt h i sp a p e r f i r s t l y a i ma tt h en e g a t i v ep r e s s u r ew a v ec o t a i n i n ga m o u n to fn o i s e a a d a p t i v e s o f t t h r e s h o l d sd e n o s e w a yi sd e s i g n e db a s e d0 n t h ew a v e l e t t r a n s f o r m b ys e t t i n ge f f c c t u a lt h r e s h o l d s t h en u m b e ro f1 a y e r so fw a v e l e t t r a n s f o r ma n dt h ev a i u e so ft h r e s h 0 1 d sa r ed e c i d e db ya d a p t i v e l y s e c o n d l y ac n u m e r i c a la l g o r i t h m so f w a v e l e tt r a n s f o r mi sd e v e l o p e d t h ea l g o r i t h m si n c l u d e sw a v e l e td e c o m p o s i n ga l g o r i t h m s a d a p t i v ed e n o s e a l g o r i t h m s w a v e l e tr e c o n s t r u c t i n ga l g o r i t h m s t h er e s u l t so ft e s t i n gs h o w t h a tt h ea l g o t h m sh a sn o to l ye f f e c t j v ed e n o s ef u n c t i o nb u ta l s ec a nc a t c h t h es i n g u l a rp o i n t so fp r e s s u r ew a v ee x a c t l y t h ec n u m e r i c a la l g o r i t h m s h a sa h i g hs p e e dt h a tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t l a s t l y as o f t w a r eo fl e a k a g ed e t e c t i o a n dl o c a t i o no fp i p e l i n ei sd e v e l o p e d t h es o f t w a r eu s et h ec n u m e r i c a la l g o r i t h m so fw a v e l e tt r a n s f o r ma st h e a n a l y s i st 0 0 1 aa d a p t i v es o f t t h r e s h o l d sd e n o s ea l g o r i t h m sb e e nu s e di nt h e s o f t w a r e t h r e s h o l d sd i s t i n g u i s h i n gw a yb e e nu s e dt om a k el e a kp r e c h e c k t h et e s to fs o f t w a r es h o wt h es o f t w a r ec a nd e t e c ta n dl o c a t et h el e a k a g eo f p i p e l i n ee f f c c t i v e l y 1 v 长输管道泄漏自动检测与定位方法的研究与实现 k e yw o r d sl o n gt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e l e a kd e t e c t j o na n dl o c a t i o n w a v e l e ta n a l y s j s c n u m e r i c a la l g o r i t h m so fw a v e l e t t r a n s f o r m s o f t w a r eo fl e a kd e t e c t i o na n d1 0 c a t i o no fp i p e l i n e v 硕士学位论文 插图索引 图1 1 浴缸效应 2 图2 1 小波变换的粗略解释 1 3 图2 2 三层多尺度分析树结构 1 4 图2 3 对信号进行多尺度分析 1 5 图2 4 三种消噪方法对信号消噪的对比 1 7 图2 5 信号的奇异性检测图 1 8 图2 6 对突变信号的多尺度分析 1 9 图2 7 算法流程图 2 1 图2 8 对h e a v ys i n e 信号用几种方法进行消噪的波形 2 2 图2 9 不同分解层数下信噪比的仿真结果 2 4 图2 1 0 利用本文方法对小泄漏波进行消噪 2 4 图3 1 对象的动态描述 2 7 图3 2 一段没有被噪声污染信号 8 0 0 个数据 3 0 0 点处发生突变 3 3 图3 3 信号加入白噪声 均值零 方差0 1 3 生成待分析信号 3 4 图3 4 带噪声信号进行五层分解 得到各层的高 低频分量 3 4 图3 5 第五层高频分量的软阈值处理 保留大于上下分界线所示的分量3 4 图3 6 去噪后的重构信号 3 5 图3 7 分解后各层的高频分量 3 5 图4 1 软件功能流程图 3 6 图4 2 软件系统组成模块 3 7 图4 3 软件的主操作界面 3 7 图4 4 系统算法选择对话框 3 8 图4 5 系统参数表对话框面 3 8 图4 6 密码设置 更改对话框 3 8 图4 7 各中间站点数据显示窗口 3 9 图4 8 各管线数据显示窗口 3 9 图4 9 历史数据查询显示窗口 4 0 图4 1 0 后台数据分析算法流程 4 l 图4 1 1 重构信号 在5 2 0 个数据点处发生突变 4 0 图4 1 2 重构信号的五层分解 4 1 长输管道泄漏自动检测与定位方法的研究与实现 图4 1 3o d b c 主要部件连接关系 图4 1 4 创建新数据源对话框 图4 1 5 选择一个名为p j p e l i n e d a t a 的数据库 图4 1 6 管道压力数据表 图4 1 7 以c r e c o r d s e t 为基类的p i e s s u r ed a t a 类的创建 图4 1 8s c a d a 系统与泄漏与分析软件的关系图 图4 1 9 服务器与泄漏与分析软件数据库关系图 图4 2 0 改进方法1 下服务器与泄漏分析软件数据库关系图 图4 2 1 改进方法2 下中心监控站与泄漏分析软件关系图 图4 2 2 软件测试过程运行方式 图4 2 3 程序泄漏报警提示窗口 图4 2 4 管道泄漏时信息显示窗口 i 4 5 4 6 4 6 4 6 4 7 4 9 5 0 5 0 5 1 5 1 5 2 5 2 硕士学位论文 附表索引 表2 1 o 在点工 的 p s c h i t z 指数和局部正规性间的一些关系 1 6 表2 2 处理h e a v ys i n e 信号效果比较 2 3 表3 1滤波器h g k 的传递函数系数 2 6 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 碍的研究成果 除了文中特别加以标注引用的蠹容外 本论文不包含经何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个 人鞠集体 均已奁文中默疑确方式标明 本久突全意谈裂本声裙豹法稼后采 由本人承掇 作者签名 曰期 妒 年f 月即日 学位论文版权使用授权书 本学袋论文佟嚣完全了解学梭有关绦鏊 便用学霞论文豹瓶定 潜意学 校保留并向国家有关部门藏机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和倍丽 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据艨进行检索 可以采用影印 缭印或扫撼等复制手段保存积汇编本 学位论文 本学应论文震予 1 保密口 在 年解密后适用本授权书 2 不 采密曰 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 目麓 州年 是妒目 日期 扫一 年 月 矿给 f 舔 左劳 j 取吖 罨 铭五 b 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 管道运输的发展与现状 现代管道运输是一种新兴的 经济的运输方式 尤其在输送气体 液体 浆 体等散装物品方面具有天然优势 它起始于1 9 世纪中叶 但真正作为商业性运输 手段并经历不同恶劣环境的考验是在2 0 世纪6 0 年代之后 经过一百多年的发展 管道运输也已成为与铁路 公路 航空 水运并行的五大运输手段之一 与其他几种运输方式相比 管道输送具有突出的优点 第一 可大大减少转 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 运输过程可实现完全密闭化 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 运送油气物料时具有平稳连续 安全性好 运输量达 质量易保证 物料损失小 以及占地少 运费低等特点 已成为油气运输的首选方式 1 目前 世界上主要管道干线己达2 3 0 万多公里 其中原油管道5 0 万多公里 成品油管道3 0 多万公里 天然气管道1 5 0 多万公里 并且以每年4 5 万多公里 的速度在递增 我国的管道运输也是随着石油工业的发展而发展起来的 五十年代末 全国 只有很少几条原油短距离管道 随着大庆 胜利 辽河 华北等油田的开发 我 国管道运输自七十年代初进入了高速发展的时期 逐步建成了东北 华北 华东 地区三个区域性输油网络 1 9 7 9 年以后又相继建成了濮临线 中洛线 中开线 中沧线等输油干线 到1 9 9 4 年末 我国输油和输气管道总长度己达到1 7 3 7 8 公里 其中原油管道9 4 4 3 公里 天然气管道7 9 3 5 公里 全年输送原油1 3 亿吨 天然 气1 0 2 亿立方米 随着国家四大世纪工程 南水北调 西气东输 西电东送 青藏 铁路 的进一步实施 2 0 1 0 年以前 在 西气东输 工程方面 我国将新建六条 天然气管道 形成六个区域性输气管网 待管道建成后 把这些管道所在的区域 性管网连接起来 总管网将覆盖2 1 个省市自治区 形成产 运 储 配 销五位 一体 虽然我国管道运输业已有了较大发展 长输管道建设已初具规模 但与一些 发达国家相比 尚有一定的距离 到9 4 年底 1 我国长距离管道是世界总长度的 长输管道泄漏自动检测与定位的研究与实现 l 9 2 美国的l 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2 4 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于一个既充 满生机 又富有挑战的新时期 必将随着国民经济的持续快速发展而大有可为 1 2 管道运输中存在的问题及泄漏自动检测与定位的必要性 然而 由于运行时间的延长 管壁受到冲刷腐蚀 人为破坏等原因 管道泄 漏事故频频发生 给人民的生命财产安全造成了巨大的威胁 尤其是管道泄漏后 不仅会造成经济上的损失 而且会污染环境 甚至引起火灾和爆炸 世界上管道 工业史大量的数据表明 管道同世界上其他事物一样 抛开人为因素 事故的发 生遵循 浴缸效应 的一般规律 3 图1 1 的 浴缸效应 事故概率曲线表明 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 事故发生的概率较高 第二阶段 稳定期 事故发生的概率较低 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 另外人为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主要因素是人为破坏或操作失误等 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 r r 时间n 1 2 年 1 n 图1 1 浴缸效应 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 介质腐蚀性 维护条件以及安全管理水平的 差异 各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 己经用了3 0 年甚至更长时间 由 硕士学位论文 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 此问 题任何国家都必须面对 而且会日趋严重 一方面 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 另一方面 长输管 道长度一般都在几百公里以上 多经过条件恶劣的无人区 发生泄漏事故之后难 以及时发现或确定泄漏地点 可能酿成更大的事故 在国外 俄罗斯的油气管道老化情况较为严重 恶性管道事故频繁发生 1 1 9 8 9 年6 月 由于西西伯利亚一乌拉尔一伏尔加地区的成品油管道破裂使液化气 漏失 造成起火爆炸事件 使5 7 3 人丧生 6 2 3 人受伤 1 9 9 8 年1 0 月1 7 日 尼 日利亚南部城市瓦里附近的一个村庄 由于输油管道被破坏 造成大量石油泄漏 突然发生大火并导致输油管道爆炸 有3 0 0 多人当场死亡 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 油气管道泄漏事故也时有发生 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2 0 0 0 年6 月3 日 第9 版报道 掘统计 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 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 兀 以上数据充分说明 管道泄漏造成的经济损失 环境污染及人身伤害是巨大 的 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损失 和危害 然而由于管道埋地较深 盗油现场处理的很隐蔽 通过常规的巡线检测 方法很难找到盗油点 另外 长输管道距离长 沿途多为荒漠 沼泽 戈壁或河 流 而检测方式多为人工定期巡检 这都限制了泄漏检测与定位的实时性与准确 性 为了及时发现泄漏事故 减少油气损失 维护管道部门的正常运行 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 因此 管道的维护管理 泄漏的检测 保障管道安全运行已成为世界上 重要的研究课题并日益受到重视 虽然目前国际上已有多种检测管道泄漏的方法 其技术也在逐步趋于成熟 并有多家公司提供管道泄漏检测方面的软件包 如a t m o s p i p e a t s l o g i c a s c i c o nt r a n s i n d u s t a ld a t ep r o c e s s i n 2t d s n e w m a r k 等提供基于s c a d a 系统的 管道检测软件包 但这些系统的价格一般在数百万美元 e df a r m e r a s s o c i a t e s i n c 提供一种小型管道泄漏检测系统p p a 其价格为3 0 万美元 而一个带仪表的 完全系统其价格为7 0 0 万美元以上 由此可见其引进费用极其昂贵 而我国在这 方面的研究仅有十多年的历史 应用范围也较为有限 随着经济的快速发展 我国必将成为一个世界管道大国 对管道泄漏检测系 长输管道泄漏自动检测与定位的研究与实现 统的要求也日益迫切 因而利用自动检测技术 研制开发一种适合我国管道状况 的泄漏检测与定位系统 对于促进我国经济发展 提高安全生产效率将具有重要 意义 1 3 国内外管道泄漏技术检测技术发展现状 1 3 1 国内外管道泄漏检测与定位几种主要方法 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 道介质的多样性 管道所处地段 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 年代末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 国外的输油气管道实时检测技术已趋成熟 德国学者r i s e r m a n n 4 1 和h s i e b e n 1 9 7 6 1 9 7 7 年 经过多年研究 提出将输 入输出的流量和压力信号经过处理后进行互相关分析的泄漏检测方法 该方法能 够有效地检测出较小的泄漏 提高了检测的灵敏度和准确度 并在实际应用中取 得了较为满意的结果 对以后的研究具有较大的启发意义 但这种方法计算量较 大 检测的实时性较差 t 0 s h i of u k u d a 1 9 7 9 年 提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏 检测方法 该方法通过自回归模型对变化的管道压力梯度序列使用统计的方法 进行分析 用以检测出管道的泄漏 此种方法建立起包含管道和流体模型的回归 模型 对于仪表精度要求不很高 但是这种方法的模型可能会受工况条件的影响 偏离实际管道 而且对管道动态变化敏感 抗干扰能力较差 为了能够使泄漏信息不致随时问而消失 并能够检测出工作条件差异很大的 管道泄漏 l b i l l m a n 和r i s e r m a n n 1 9 8 7 年 提出采用非线性模型的非线性状态 观测器的方法 a b e n k h e r o u f 1 9 8 8 年 提出卡尔曼滤波器方法 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 但在实际应用中要建立一 条管道的精确数学模型常常是不可能的 况且管道的很多参数还可能随时间变化 如摩擦系数会随温度 流体物性等改变 积蜡 结垢会引起管道有效内径的变化 等 经过特殊设计的观测器或滤波器基本上可以较好的避免参数变化的影响 但 由于这种方法假设泄漏后首末端压力不变 与实际工况有一定偏离 同时这种方 法计算量偏大 由荷兰壳牌 s h e l l 公司的x j z h a n g 1 9 9 3 年 提出了一种气体和液体管道的 统计检漏法 它通过对管道发生泄漏时产生的压力和流量间的变化关系进行分 析 采用序贯概率比检验 s p i 玎 和模式识别的方法 构造两种模态的假设检验 硕士学位论文 通过统计分析技术对实测的压力 流量间的这种关系进行分析 以此来检测泄漏 并采用最小二乘法对泄漏进行定位 该方法已集成化为一实际的应用软件 a t m o s p i p e 成功应用于石油 天然气 液化天然气 化工成品等多种管道运 输中 其特点是不需要复杂的数学模型 可连续进行检测 并且具有记忆功能 适应性强 误报率低 且安装方便 简单易于维护 缺点是检漏精度受仪表精度 影响大 定位精度欠佳 相比于时域分析 w i t n e s s 2 0 0 1 年 提出了采用频域分析的频域响应法 其基本思想是将管道系统的模型转换到频域进行泄漏检测和定位分析 通过对单 一管道系统的单点及多点泄漏 串联管道 并联管道 分支管道等不同类型的管 道系统的仿真实验 证明了该方法的广泛适用性 该方法相比于时域分析 具有 节约计算时间 提高检测速度的优点 但其仍然依赖于模型的精度 由于在由时域向频域转换的过程中一些有用的信息会丢失 为避免这一缺陷 m a r c o f e h a n t e 2 0 0 3 提出了采用小波分析的方法 利用小波技术对管道的压力 信号进行奇异性分析 由此来检测泄漏 随着我国管道运输业的发展 管道泄漏的检测与定位已成为一个日益紧迫的 问题 八十年代以来 我国的一些科研院所和高校在应力波法 负压波法 管道 实时模型法等方面进行了卓有成效的研究 文献 2 0 1 9 8 8 年 研究了基于状态估计的观测器的方法 并对开环观测和闭 环观测方法进行了探讨 实验只在常温水管道上进行了仿真模拟 文献 2 1 1 9 8 9 年 提出了一种基于k u l l b a c k 信息测度的管线泄漏检测方法 并在一条长1 2 0 m 内径1 0 m m 的液体管线上进行了实验 这种方法需要测量两个 端点附近的四个压力信号 通过分析两端的压力梯度所构成的时间序列特点 从 而检测泄漏 该方法的优点是不需要测量流量 文献 2 2 1 9 9 0 年 提出了采用带时变噪声估计器的推广k a l m a n 滤波方法 对管道的状态进行估计 并提出了一定的诊断机制 文献 2 3 1 9 9 2 年 提出了负压波法用于管道的泄漏检测 该方法原理简单 无需建立管线的数学模型 适用性很强 但它要求泄漏的发生是快速的突发性的 对微小的缓变泄漏还需采取其他的辅助措旆 针对负压波法自身所存在的一些问题 天津大学一科研小组分别采用模式识 别 小波分析等技术对此进行了很大程度的改进 1 9 9 7 1 9 9 8 年 2 2 2 文献 2 4 2 0 0 2 年 介绍了清华大学利用负压波方法 采用先进的基于小波的 算法对输油管线进行泄漏检测和定位的技术 自2 0 0 1 年4 月至今 在胜利油田 孤 岛一永安 和 孤岛一集贤 管线上得到了应用 并取得了良好的效果 文献 2 5 2 0 0 4 年 提出针对海底管道泄漏监测问题 基于信号检测原理分析 了受噪声干扰的流量差观测序列 引入了新息理论和自适应滤波算法 建立了以 长输管道泄漏自动检测与定位的研究与实现 泄漏信号的幅值为随机参量的二元复合假设检验模型 提出了具有一致最大功效 的序列似然比检验方法 并进行了平稳观测序列强泄漏信号和非平稳观测序列弱 泄漏信号的检测 对以上两种情况无需预先假设可能发生的有关泄漏量统计知识 利用该方法即能做出准确判断 检测概率均达到9 5 以上 与现有的序列似然比 检漏方法比较 一致最大功效检验探测泄漏信号的准确性较高 发现泄漏信号的 时间短 更容易适应不同运行工况及泄漏规模 1 3 2 管道泄漏检测各种分类方法 由于管道泄漏检测与定位技术是多学科知识的综合 其检测手段差别很大 现有的管道泄漏检测与定位的方法很多 其分类方法也很多 到目前为止 还没 有一个统一的分类方法 根据近十几年来国内外相关资料 比较公认的分类方法 大致有四类 1 根据检测过程中所使用的测量手段不同 分为基于硬件和软件的方法 基于硬件的方法 h a r d w a r e b a s e dm e t h o d s 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道线上 以此来检测管道的泄漏并定 位 基于软件的方法 s o f t w a r e b a s e dm e t h o d s 则是根据计算机数据采集系统 如 s c a d a 系统 实时采集管道的流量 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 通过软计算对泄漏进 行检测和定位 2 根据测量分析的媒介不同可分为直接检测法与间接检测法 直接检测 法是指直接用测量装置对管线周围的介质进行测量 判断有无泄漏产生 间接检 测法是指根据泄漏引起的管道流量 压力等参数及声 光 电等方面变化进行泄 漏检测 3 根据检测过程中检测装置所处位置不同可分为内部检测法与外部检测法 内部检测法是指将检测装置置于管道内部 或行走或固定 通过测量管道的 内部状况进行泄漏的检测 外部检测法是指在管道外通过铺设敏感介质或安装传 感器等各种方法所进行的泄漏检测 4 根据检测对象的不同可分为检测管壁状况和检测内部流体状态的方法 管壁状况检测法是指直接用各种装置检测管壁是否有破损 以此进行泄漏检 测与定位 内部流体状况检测法是指将实时采集到的管线流体的压力 流量等信 号进行分析处理 从而确定是否有泄漏发生并定位 1 3 3 管道泄漏检测与定位系统的性能指标 一个高效可靠的管道泄漏检测与定位系统 必须在微小的泄漏发生时 在最 短的时间内 正确地报警 准确地指出泄漏位置 并较好地估计出泄漏量 而且 坝士学位论文 对工况的变化适应性要强 也即泄漏检测与定位系统误报率 漏报率低 鲁棒性 强 当然还应便于维护 归结起来可分为 1 灵敏性 1 e a ks e n s i t i v i t y 对微小泄漏量的敏感程度 2 定位精度 1 0 c a t i o na c c u r a c y 检测出的泄漏位置与实际泄漏位置的差异 3 响应时间 r e s p o n s e t i m e 从泄漏发生到被检测出并进行报警的时间间隔 4 误报率 f a l s ea l a r mr a t e 由于工况变化等原因在未发生泄漏时而产生报警 的机率 5 评估能力 1 e a ke s t i m a t ec a p a b i l i t y 对泄漏量的准确估计能力 6 适应能力 o p e r a t i o n a lc h a n g e 对管道运行条件变化的适应性 7 有效性 a v a i l a b i l i t y 连续检测管道泄漏的能力 8 维护要求 m a i n t e n a n c er e q u i r e m e n t 系统使用和维护的简易性 9 费用 c o s t 固定投资及运行费用 以上也是目前国际上对管道泄漏检测与定位系统的比较公认的性能指标 3 0 3 1 1 1 3 4 基于软件的管道泄漏检测与定位方法 随着计算机 信号处理 模式识别等技术的迅速发展 基于软件的方法受到 了人们越来越多的关注 并逐渐发展为检漏技术的主流 基于软件的方法 1 3 2 1 r s o f t w a r e b a s e dm e t h o d s 是依据计算机数据采集系统的数据 主要是实时采集 的温度 流量 压力等信号 通过软计算对泄漏进行检测和定位 主要又可分为 有以下几类 1 1 基于信号处理的方法 1 质量平衡法 3 2 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 其公式是 阳2 q 斑一 j 线 出一 m 1 1 其中 线为分支管道的输入流量 为分支管道的输出流量 吖为在f 0 一f 时 间段内管内液体质量 当无泄漏时 v b 0 发生泄漏时 v b 0 其数值即为泄 漏量 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 连续检测管道 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 种因素影响 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 f 一f 的时间间隔应在一个小时到一天之间 那么泄漏检测的响应 时间也是同样长 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 f 2 1 压力法 长输琶 遭泄龋自动检测与定位的研究与实现 多数长输管道中间泵站均不安装流量计 只安装压力检测装置 因此就产生 了只用压力信号检漏的方法 这类方法中有检测泄漏后产生的压力点分析法 泄 漏时瞬态压力波动的负压波后的稳态压力梯度法等 a 压力点分析法f p p a l 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 管道发生泄漏后 其压力降低 破坏了原来的稳态 因此管 道开始趋向于新的稳态 在此过程中产生了一种沿管道以声波传播的扩张波 这 种扩张波会引起管道沿线各点的压力变化 并将失稳的瞬态向前传播 3 4 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 美国谢夫隆管道公司 c p l 将p p a 法作为其管道数据采集与处理系统 s c a d a 的一部分 试验结果表明 p p a 具有优良的检漏性能 能在1 0 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 种有效的检漏方法 已广泛应用于各种距离和口径的 管道泄漏检测 b 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 压力梯度法需要在管道上安装多个压力检测点 而且仪表精度及间距 都对定位结果有较大的影响 当然 在管线上测量点越多 性能越好 这种以线 性为基础的压力梯度法 不适合 三高 原油 c 负压波法 当管道发生泄漏时 泄漏处立即产生因流体物质损失而引起的局部液体密度 减小 出现瞬时的压力降低 作为减压波源通过管线和流体介质向泄漏点的上下 游以一定的速度传播 泄漏时产生的减压波就称为负压波 设置在泄漏点两端的 传感器根据压力信号的变化和泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差 就可以 确定泄漏位置 该方法灵敏准确 无需建立管线的数学模型 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 文献 3 5 3 6 认为压力波的传播速度是一个变化的物理量 受液体的弹性 密度 管材 弹性等因素的影响 给出了改进的算法 同时提出了用小波变换技术提取瞬态负 压波的信号边缘 对两端的测点信号进行特征点捕捉 获得了满意的效果 文献 3 7 对出的计算进行了深入的讨论 提出了用直线法 时间值直接逆推法和数学 模型法三种方法进行 f 的计算 使计算精度得到了进一步的提高 从而也提高了 定位精度 8 硕士学位论文 d 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 文献 3 8 介绍了小波 分析在故障诊断中的应用 指出利用小波分析可以检测信号的突变 去噪 提取 系统波形特征 提取故障特征进行故障分类和识别等 因此 可以利用小波变换 检测泄漏引发的压力突降点并对其进行消噪 以此检测泄漏并提高检测的精度 文献 2 7 3 9 4 0 分别就这两点进行了较为详细的论述 文献 4 1 利用多尺度小波 变换 突出小波变换系数的局部极值性 分析表明 检测信号的小波变换系数极 值的奇异性准确地反映了管道检测信号的泄漏特征 并且从局部描述了管道泄漏 信号的瞬态正则性 文献 4 2 同样利用小波变换对管道泄漏的压力信号进行分析 从而得到泄漏点 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 f 3 1 互相关分析法1 4 3 j 设上 下两站的传感器接收到的信号分别为x t y t 两个随机信 号x t 和y t 有互相关函数r x y t 如果x t 和y t 两信号是同频率的周期信号 或包含有同频率的周期成分 那么 即使t 趋近于无穷大 互相关函数也不收敛 并会出现该频率的周期成分 如果两信号含有频率不等的周期成分 则两者不相 关 及互相关函数为零 当没有泄漏发生时 互相关函数的值在零值附近 发生 泄漏后 互相关函数之间很显著变化 以此检测泄漏 并根据互相关函数极值点 位置进行泄漏点定位 用互相关分析法检漏和定位灵敏 准确 只需检测压力信 号 不需要数学模型 计算量小 但它对快速突发性的泄漏比较敏感 对泄漏速 度慢 没有明显负压波出现的泄漏很难奏效 2 1 基于管道数学模型的方法 1 k a l m a n 滤波器法i j 该方法假设将管道分成n 段 假定在n 一1 段各分段点上的泄漏量为 吼 g 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 用扩展k a l m a n 滤波器来估计这些泄漏 量 运用适当的判别准则可进行泄漏检测和定位 但该方法的定位算法需假设流 动是稳定的 且检测和定位精度与等分段数有关 还需要设置流量计 2 状态估计器法 该方法属于一类时变的非线性系统 它是在假设泄漏量较小的情况下 建立 管道内流体的压力 流量和泄漏量的状态方程 以被检测到的两站压力为输入 对两站流量的实测值和估计值的偏差信号做相关分析 便可得到定位结果 该方 长输管道泄漏自动检测与定位的研究与实现 法仅适用于小泄漏量情形的检漏和定位 3 基于知识的方法 神经网络和模式识别 由于受未知因素的影响 管道的数学模型存在很大的 不确定性 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 故在 管道泄漏检测中得到越来越多的重视 文献 4 6 应用l a b v i e w 分析单传感器在泄 漏管道不同位置拾取的泄漏信号的时频域特征 来构造人工神经网络的输入矩阵 能对管道泄漏状况进行分析检测与定位 实现了管道泄漏检测的单传感器定位 由于故障模式集的有限性 泄漏检测准确性和定位精度不高 多泄漏情况下更差 文献 4 7 提出了将管道运行条件及泄漏信息作为输入 分别建立了用于检漏和定 位的两套神经网络 其优点是抗噪声干扰能力强 灵敏 检测精度高 能检测到 1 的微小泄漏 且误报警率低 但该技术在定位时只能定位到段 而不能进行更 精确的定位 1 4 本文主要工作内容和研究的意义 1 4 1 本文主要工作内容 本课题是以教育部 春晖计划 项目编号 z 2 0 0 5 一卜6 2 0 0 1 为背景的深入 研究 鉴于天然气长输管道的模型受到流体特性 地势状况及管道自身的特性等 诸多复杂因素的制约 难于建立其精确的数学模型 新铺设的输气管网均已配有 s c a d a 系统 对现场各类数据有了丰富的储备等因素 同时结合我国管道输送的 实际情况 并借鉴目前国际上各种泄漏检测与定位的先进方法 我们前期采用了 基于小波分析和负压波相结合的方法 在小波基的选择 负压波消噪和负压波波 速的修正等方面进行了有益的探索 仿真亦取得了良好的效果 但是还存在以下 几个问题 1 众所周知 小波用于消噪时阂值的选取和分解层数的确定都是影响消噪效 果的主要因素 前期的工作中仅采用默认阈值法对负压波的噪声进行了基本降噪 而未对阈值的选择和分解层数进行深入的讨论 使得消噪效果及运算速率均不够 理想 2 所有的研究工作仍停留在仿真阶段 所有基于小波分析方法的研究都是基 于m a t l a b 仿真环境 更多的考虑了方法的有效性 而未涉及工程实现的便捷与一 致性 针对以上问题 本文主要进行了一下研究工作 1 考虑到工程实现中基于小波分析的方法对实时成组数据分批次逐一处理 的要求 在小波变换算法的c 实现之前 结合小波分解与重构对小波函数的要 求以及在奇异点识别上的可靠性 快速性等要求 对小波基函数做了重新选择 硕士学位论文 在使用选定的小波函数下 对带噪声的负压波进行了分解 消噪 重构以及奇异 点捕捉的有效性仿真研究 为小波方法的工程实现做了重要的前期准备 2 在小波分析方法的仿真研究基础上 开发了小波分析c 算法 算法包 括小波分解 自适应软阈值滤波 信号重构算法功能模块 算法仿真测试结果表 明该算法不仅具有良好的滤波效果和信号突变点捕捉能力 而且速度快 能较好 的满足软件实时性的要求 3 开发了用于管道泄漏监测与定位软件 软件具有友好的用户界面 实时 的数据显示窗口 软件使用开发的小波分析c 算法为信号分析工具 软件算法 库易扩展 软件的模拟测试表明了软件在管道泄漏检测与定位功能上的有效性和 准确性 1 4 2 本课题研究意义 本论文的工作属动态系统的故障诊断与系统安全性这一新学科的研究范畴 且对象具有非线性 时滞 不确定等特性 因此所涉及内容是当今故障诊断领域 该学科研究的热点和难点 4 8 巧o 具有较高的科学意义 随着经济的快速发展 我 国必将成为一个管道大国 因而利用自动检测技术 研制开发一种可靠有效的适 合我国管道状况的泄漏检测与定位系统 对我国大面积 高数量 可靠使用天然 不仅有着重要的经济意义 对民族工业的发展也有重要意义 长输管道泄漏自动检测与定位的研究与实现 第二章小波变换法用于泄漏检测与定位技术研究 当管道发生泄漏时 泄漏点处由于管道内外的压差 流体迅速流失 压力下 降 泄漏点两边的液体由于存在压差而向泄漏点处补充 这一过程向上 下游传 递 相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压波 减压波1 瞬态压力波定位 方法是根据泄漏产生的压力波传播到上 下游的时间差和管内负压波的传播速度 计算出泄漏点的位置 因而管内压力波速度的确定和压力波传播到上 下游传感 器的时间差的精确确定 是压力波定位方法的两项关键技术 精确确定负压波传 播到上 下游传感器的时问差 需要准确地捕捉到泄漏压力波信号序列中的突变 点 由于工业现场的电磁干扰 输气泵的振动等因素的存在 采集到的压力波形 序列附加有大量的噪声 如何从噪声干扰中准确分离出包含突变点信息的压力信 号是一项困难的技术 本文结合前期工作提出利用小波变换对压力波信号进行消 噪处理 对待处理信号进行分解的合理层数和阈值自适应选取作了系统的阐述 小波变换是2 0 世纪8 0 年代后期迅速发展起来的应用数学分支 其思想来源 于伸缩与平移方法 1 9 8 1 年s t r o m b e r g 证明了小波函数的存在性 1 9 8 2 年b a t t l e 在构造量子场论中使用了类似c a l d e m 再生公式的展开 1 9 8 4 年法国地球物理学 家m o r l e t 在分析地震波的局部性质时 发现传统的f o u r i e r 变换难以达到要求 因而引入了小波概念用于对信号进行分解 此后 理论学家g r o s s m a n 对m o r l e t r1j 一 1 的这种信号按一个确定函数的伸缩 平移系j 妒 兰 口 r 尺 a o 展开的可行 口 口 j 性进行了研究 他们的研究为小波变换的广泛应用奠定了基础 小波变换是一种能够在时间一频率两域对信号进行分析的方法 具有可以对 信号在不同范围 不同的时间区域内进行分析 对噪声不敏感 能够分析到信号 的任意细节等优点 在信号处理领域获得越来越广泛的应用 被誉为 数学显微 镜 其粗略的解释可见下图f 2 1 1 平移方向 图2 1 小波变换的粗略解释 硕士学位论文 小波变换的含义是 把某一被称为基本小波或母小波 m o t h e rw a v e l e t 的函数 妒o 作位移 r 后 再在