摘? 要： 闡述了依據(jù)負壓波法，應(yīng)用相關(guān)分析法進行管道泄漏檢測的原理，給出了漏點定位的算法。實現(xiàn)了對管道泄漏位置的定位，大大提高了泄漏報警的準確性和定位的精確性。
關(guān)鍵詞： 泄漏檢測； 相關(guān)分析； 負壓波法； 時延估計
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近年來，輸油管道泄漏事故不斷發(fā)生，給國家的經(jīng)濟帶來巨大損失，人員傷害及環(huán)境污染。建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，及時準確報告事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，這就要求輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾個基本特性[1]：泄漏監(jiān)測的靈敏性，實時性，定位的準確性。
早期石油天然氣管道的泄漏檢測主要是直接觀察法，由有經(jīng)驗的技術(shù)人員攜帶檢測儀器設(shè)備或經(jīng)過訓(xùn)練的動物分段對管道進行泄漏檢測和定位。通過看、聞、聽或其他方式來判斷是否有泄漏發(fā)生。這類方法具有定位精確度高和較低的誤報率的特點，但不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏，檢測只能間斷地進行。
本文提出了應(yīng)用相關(guān)分析理論結(jié)合負壓波法對管道泄漏進行檢測并定位的方法。該方法不需要詳細了解管道內(nèi)部流體性狀，不需要建立管道正常和故障狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，也無需人為從壓力變化曲線圖上去確定兩個端點的壓力變化突變點，避免了人為誤差，大大地提高了系統(tǒng)的定位精度。該檢測方法不僅可以用于石油管道的泄漏檢漏，也可以用于自來水管道的泄漏檢測，具有很好的推廣價值。
1 負壓波泄漏檢測與定位原理
管道發(fā)生泄漏時，在泄漏處因流體的損失而引起局部流體密度減小，導(dǎo)致瞬時壓力降低，出現(xiàn)速度差。瞬時的壓降作用在流體介質(zhì)，形成一個負壓波。負壓波以聲速向管道上下游傳播，利用設(shè)置在管道兩端的壓力傳感器檢測壓力波信號，根據(jù)信號變化程度和變化的時間差，采用信號相關(guān)處理方法進行泄漏判定和泄漏定位。
負壓波定位原理圖如圖1所示。假設(shè)管道長度L、壓力波傳遞速度v、油品的流速a。
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由于壓力波的傳播速度一般在1000 m/s以上，而油品的流速a=1.5～3 m/s 所以a可忽略不計。得到常規(guī)的負壓波法定位公式為:
由式(1)可以得出：根據(jù)負壓波的傳播速度和兩端壓力傳感器捕捉到這種負壓波的時間差就可以進行泄漏點的定位。本文采用相關(guān)分析方法確定時間差。
2 泄漏定位的相關(guān)算法
2.1 相關(guān)函數(shù)的概念
對于兩個不同的函數(shù)f1(t)和f2(t), 其相關(guān)函數(shù)記為：
式中，τ為延時時間(或位移)。相關(guān)函數(shù)反映了兩個不同函數(shù)的相似程度，因此可以描述兩個信號之間有無關(guān)系或者其相似程度，被廣泛應(yīng)用在分析機械振動與聲學(xué)測量等工程領(lǐng)域。相關(guān)函數(shù)分析方法不僅是一種噪聲過濾方法，濾除信號中的不相關(guān)成分，提高信噪比，提取弱信號，還可用來進行系統(tǒng)識別和故障診斷。在管道泄漏檢測方面就是利用了其時延估計的特點。
2.2 相關(guān)分析法檢測管道泄漏原理[2]
??? 在管道的首端(X點)和末端(Y點)通過傳感器檢測到的信號，設(shè)其樣本函數(shù)分別為:
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??? 當沒有泄漏時,相關(guān)函數(shù)的值將維持在穩(wěn)定值附近；當發(fā)生泄漏時,相關(guān)函數(shù)將Rxy(?子)將發(fā)生較大的變化,當變化量達到一定數(shù)值(閾值)時，則認為管道發(fā)生泄漏。當相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)達到峰值時，所對應(yīng)的值正好與所對應(yīng)的壓力波傳播到兩個端點的時間差相一致。由于相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)取極大值的必要條件為Rxy(τ)在τ0處的導(dǎo)數(shù)等于零，由此可求出τ0，并確定Δt=τ0。在L和v已知的前提下利用公式(1)即可計算出X的值，從而確定泄漏點的位置。
3 管道泄漏檢測系統(tǒng)組成
3.1 管道泄漏檢測系統(tǒng)簡介
管道實時檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
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本系統(tǒng)建立在SCADA系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，其總體結(jié)構(gòu)由上位機與下位機構(gòu)成。
下位機主要完成數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。上位機作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心通過公用電話網(wǎng)輪流接通下位機MODEM后，向下位機定時發(fā)送傳輸命令，并接收下位機數(shù)據(jù)。上位機將接收到的數(shù)據(jù)分別進行實時分析處理，重點對采集的信號進行相關(guān)算法的編程，并經(jīng)終端顯示，給出泄漏處的位置。
為了保證管道首末兩端數(shù)據(jù)采集時間的同步、數(shù)據(jù)處理的實時性、提高泄漏檢測的定位精度，本系統(tǒng)采用GPS技術(shù)實時校正首末端計算機的系統(tǒng)時間。
3.2 管道泄漏檢測系統(tǒng)中的相關(guān)算法
在實際應(yīng)用中，泄漏點的壓力信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號是離散時間序列。計算數(shù)字信號的相關(guān)函數(shù)一般不直接應(yīng)用公式(6),而是利用互功率譜密度法。其計算原理圖如圖3所示。
對兩個輸入信號x(n)、y(n)作傅氏變換得到x(k)、y(k),兩頻譜相乘得互功率譜密度函數(shù)，由于相關(guān)函數(shù)的傅氏變換就是功率譜密度，因此對互功率譜密度作反變換就得到兩個時域信號的互相關(guān)函數(shù)值，這種方法大大減少了計算量。
3.3 管道泄漏檢測系統(tǒng)中相關(guān)分析方法的關(guān)鍵技術(shù)
(1) 閾值的選取[4]
閾值的選取直接影響到系統(tǒng)的檢測精度。閾值較大時系統(tǒng)靈敏度較低，但可靠性較高，即誤報警數(shù)較少；閾值較小時系統(tǒng)靈敏度較高，但誤報警數(shù)增多。實際操作中的閾值必須通過大量實際數(shù)據(jù)的計算、比較后選出。這些數(shù)據(jù)包括正常運行時的數(shù)據(jù)、工況變化時的數(shù)據(jù)和泄漏時的數(shù)據(jù)。總的原則是使指標閾值大于正常運行狀態(tài)時的指標函數(shù)值且低于絕大多數(shù)情況下泄漏試驗中所達到的值。
(2) 采樣時間T的選取
T是一個非常重要的參數(shù)，直接影響到相關(guān)分析法檢測和定位的靈敏性和可靠性。由參考文獻[5]可知，泄漏變換的時間約為200 s,考慮到緩慢泄漏時的情況，采樣時間可取400 s。
(3) 采樣信號的去噪處理
由于工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、輸油泵的振動等因素，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲。在相關(guān)處理運算時，為了運算簡便，通常認為泄漏信號與噪聲信號各自獨立，噪聲NX(t)和NY(t)也不相關(guān)。實際上，噪聲可能來自獨立的噪聲源(即兩者獨立不相關(guān))，也可能來自公共噪聲源(相關(guān)噪聲)。當存在公共噪聲且強度較大時，泄漏信號將會被噪聲信號淹沒。因此計算機在對采樣的數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算之前，必須對這些信號進行濾波處理。
3.4 相關(guān)泄漏檢測應(yīng)用的局限性
在實際測試中，小泄漏產(chǎn)生的噪音將強于大泄漏產(chǎn)生的噪音，如果在同一區(qū)域同時存在大、小兩種泄漏，大泄漏產(chǎn)生的信號將被淹沒。另外，有些干擾噪音如減壓閥發(fā)出的聲音信號與泄漏信號非常接近，這種聲音信號及另外的一些背景噪音都可能完全掩蓋掉泄漏產(chǎn)生的信號。
為了克服以上存在的不足，可以運用多種先進、有效的信號處理方法改善其性能。如：使用自適應(yīng)濾波方法，利用前一時刻已獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動地調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲未知的或隨時間變化的統(tǒng)計特性，有效地從噪聲中估算出信號成分，同時移去與信號不相關(guān)的噪聲，且在設(shè)計時只需要很少或根本不需要任何關(guān)于信號和噪聲的先驗統(tǒng)計知識。
在管道泄漏眾多的檢測方法中，基于相關(guān)分析的負壓波管道泄漏檢測方法只需對管道兩端的壓力信號進行檢測，不需構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，具有實現(xiàn)簡單、檢測精度高等特點。但它要求泄漏是快速的、突發(fā)性的。如果管道泄漏的速度很慢、沒有明顯的負壓波出現(xiàn)，則此方法失效。
參考文獻
[1] ?周志坤.自來水管道泄漏相關(guān)檢測定位系統(tǒng)研究.儀器儀表學(xué)報,2006,25(4).
[2] ?喻彬，孫士平.基于相關(guān)檢測的漏點定位系統(tǒng)設(shè)計.國外電子測量技術(shù),2006,25(10).
[3] ?吳曉琴.相關(guān)分析在泄漏檢測技術(shù)中的應(yīng)用.儀器儀表用戶,2004(2).
[4] ?徐潔.管道相關(guān)檢測儀性能優(yōu)化方法的研究. 管道技術(shù)與設(shè)備,2003(6)：37-38.
[5] ?韓建. 相關(guān)分析法在輸油管道泄漏檢測和定位中的應(yīng)用研究. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2007(1).