摘? 要： 闡述了依據(jù)負(fù)壓波法，應(yīng)用相關(guān)分析法進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)的原理，給出了漏點(diǎn)定位的算法。實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道泄漏位置的定位，大大提高了泄漏報(bào)警的準(zhǔn)確性和定位的精確性。
關(guān)鍵詞： 泄漏檢測(cè)； 相關(guān)分析； 負(fù)壓波法； 時(shí)延估計(jì)
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近年來(lái)，輸油管道泄漏事故不斷發(fā)生，給國(guó)家的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失，人員傷害及環(huán)境污染。建立管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告事故的范圍和程度，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，這就要求輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本特性[1]：泄漏監(jiān)測(cè)的靈敏性，實(shí)時(shí)性，定位的準(zhǔn)確性。
早期石油天然氣管道的泄漏檢測(cè)主要是直接觀察法，由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員攜帶檢測(cè)儀器設(shè)備或經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的動(dòng)物分段對(duì)管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。通過(guò)看、聞、聽(tīng)或其他方式來(lái)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(bào)率的特點(diǎn)，但不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，檢測(cè)只能間斷地進(jìn)行。
本文提出了應(yīng)用相關(guān)分析理論結(jié)合負(fù)壓波法對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)并定位的方法。該方法不需要詳細(xì)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(wú)需人為從壓力變化曲線圖上去確定兩個(gè)端點(diǎn)的壓力變化突變點(diǎn)，避免了人為誤差，大大地提高了系統(tǒng)的定位精度。該檢測(cè)方法不僅可以用于石油管道的泄漏檢漏，也可以用于自來(lái)水管道的泄漏檢測(cè)，具有很好的推廣價(jià)值。
1 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)與定位原理
管道發(fā)生泄漏時(shí)，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(shí)壓力降低，出現(xiàn)速度差。瞬時(shí)的壓降作用在流體介質(zhì)，形成一個(gè)負(fù)壓波。負(fù)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(cè)壓力波信號(hào)，根據(jù)信號(hào)變化程度和變化的時(shí)間差，采用信號(hào)相關(guān)處理方法進(jìn)行泄漏判定和泄漏定位。
負(fù)壓波定位原理圖如圖1所示。假設(shè)管道長(zhǎng)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(jì)。得到常規(guī)的負(fù)壓波法定位公式為:
由式(1)可以得出：根據(jù)負(fù)壓波的傳播速度和兩端壓力傳感器捕捉到這種負(fù)壓波的時(shí)間差就可以進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位。本文采用相關(guān)分析方法確定時(shí)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(duì)于兩個(gè)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(shí)時(shí)間(或位移)。相關(guān)函數(shù)反映了兩個(gè)不同函數(shù)的相似程度，因此可以描述兩個(gè)信號(hào)之間有無(wú)關(guān)系或者其相似程度，被廣泛應(yīng)用在分析機(jī)械振動(dòng)與聲學(xué)測(cè)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(guò)濾方法，濾除信號(hào)中的不相關(guān)成分，提高信噪比，提取弱信號(hào)，還可用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別和故障診斷。在管道泄漏檢測(cè)方面就是利用了其時(shí)延估計(jì)的特點(diǎn)。
2.2 相關(guān)分析法檢測(cè)管道泄漏原理[2]
??? 在管道的首端(X點(diǎn))和末端(Y點(diǎn))通過(guò)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，設(shè)其樣本函數(shù)分別為:
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??? 當(dāng)沒(méi)有泄漏時(shí),相關(guān)函數(shù)的值將維持在穩(wěn)定值附近；當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),相關(guān)函數(shù)將Rxy(?子)將發(fā)生較大的變化,當(dāng)變化量達(dá)到一定數(shù)值(閾值)時(shí)，則認(rèn)為管道發(fā)生泄漏。當(dāng)相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)達(dá)到峰值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的值正好與所對(duì)應(yīng)的壓力波傳播到兩個(gè)端點(diǎn)的時(shí)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(jì)算出X的值，從而確定泄漏點(diǎn)的位置。
3 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)組成
3.1 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
管道實(shí)時(shí)檢測(cè)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(tái)基礎(chǔ)上，其總體結(jié)構(gòu)由上位機(jī)與下位機(jī)構(gòu)成。
下位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。上位機(jī)作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心通過(guò)公用電話網(wǎng)輪流接通下位機(jī)MODEM后，向下位機(jī)定時(shí)發(fā)送傳輸命令，并接收下位機(jī)數(shù)據(jù)。上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，重點(diǎn)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)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(shí)間的同步、數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、提高泄漏檢測(cè)的定位精度，本系統(tǒng)采用GPS技術(shù)實(shí)時(shí)校正首末端計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間。
3.2 管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中的相關(guān)算法
在實(shí)際應(yīng)用中，泄漏點(diǎn)的壓力信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是離散時(shí)間序列。計(jì)算數(shù)字信號(hào)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(jì)算原理圖如圖3所示。
對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)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(duì)互功率譜密度作反變換就得到兩個(gè)時(shí)域信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)值，這種方法大大減少了計(jì)算量。
3.3 管道泄漏檢測(cè)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(cè)精度。閾值較大時(shí)系統(tǒng)靈敏度較低，但可靠性較高，即誤報(bào)警數(shù)較少；閾值較小時(shí)系統(tǒng)靈敏度較高，但誤報(bào)警數(shù)增多。實(shí)際操作中的閾值必須通過(guò)大量實(shí)際數(shù)據(jù)的計(jì)算、比較后選出。這些數(shù)據(jù)包括正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)、工況變化時(shí)的數(shù)據(jù)和泄漏時(shí)的數(shù)據(jù)?？偟脑瓌t是使指標(biāo)閾值大于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的指標(biāo)函數(shù)值且低于絕大多數(shù)情況下泄漏試驗(yàn)中所達(dá)到的值。
(2) 采樣時(shí)間T的選取
T是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響到相關(guān)分析法檢測(cè)和定位的靈敏性和可靠性。由參考文獻(xiàn)[5]可知，泄漏變換的時(shí)間約為200 s,考慮到緩慢泄漏時(shí)的情況，采樣時(shí)間可取400 s。
(3) 采樣信號(hào)的去噪處理
由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、輸油泵的振動(dòng)等因素，采集到的壓力波信號(hào)序列附加了大量噪聲。在相關(guān)處理運(yùn)算時(shí)，為了運(yùn)算簡(jiǎn)便，通常認(rèn)為泄漏信號(hào)與噪聲信號(hào)各自獨(dú)立，噪聲NX(t)和NY(t)也不相關(guān)。實(shí)際上，噪聲可能來(lái)自獨(dú)立的噪聲源(即兩者獨(dú)立不相關(guān))，也可能來(lái)自公共噪聲源(相關(guān)噪聲)。當(dāng)存在公共噪聲且強(qiáng)度較大時(shí)，泄漏信號(hào)將會(huì)被噪聲信號(hào)淹沒(méi)。因此計(jì)算機(jī)在對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算之前，必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
3.4 相關(guān)泄漏檢測(cè)應(yīng)用的局限性
在實(shí)際測(cè)試中，小泄漏產(chǎn)生的噪音將強(qiáng)于大泄漏產(chǎn)生的噪音，如果在同一區(qū)域同時(shí)存在大、小兩種泄漏，大泄漏產(chǎn)生的信號(hào)將被淹沒(méi)。另外，有些干擾噪音如減壓閥發(fā)出的聲音信號(hào)與泄漏信號(hào)非常接近，這種聲音信號(hào)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(hào)。
為了克服以上存在的不足，可以運(yùn)用多種先進(jìn)、有效的信號(hào)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(shí)刻已獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動(dòng)地調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，有效地從噪聲中估算出信號(hào)成分，同時(shí)移去與信號(hào)不相關(guān)的噪聲，且在設(shè)計(jì)時(shí)只需要很少或根本不需要任何關(guān)于信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識(shí)。
在管道泄漏眾多的檢測(cè)方法中，基于相關(guān)分析的負(fù)壓波管道泄漏檢測(cè)方法只需對(duì)管道兩端的壓力信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，不需構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。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(méi)有明顯的負(fù)壓波出現(xiàn)，則此方法失效。
參考文獻(xiàn)
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[2] ?喻彬，孫士平.基于相關(guān)檢測(cè)的漏點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì).國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2006,25(10).
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