張智

（中石油管道濟南輸油分公司，濟南250014）

隨著國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，清潔高效的天然氣在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例逐年加大，而天然氣的管道輸送是實現(xiàn)天然氣有效利用的最佳途徑。為此，國內(nèi)近些年先后建設(shè)了西氣東輸、川氣東送等大型管線。由于這些管線的跨越距離很長，沿途所經(jīng)過的地形多變，相當(dāng)大的一部分地區(qū)很難實現(xiàn)人工巡檢。同時由于管線的腐蝕、老化及其他自然或人為損壞等原因，管線泄漏時有發(fā)生，給國家的財產(chǎn)造成巨大的損失，還會污染環(huán)境。因此，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)管道的泄漏位置成為各油田及輸氣公司的重要工作內(nèi)容之一。管道泄漏的檢測方法主要有［1］：

a）基于模型的泄漏檢測法。該方法需要建立復(fù)雜的管道運行數(shù)學(xué)模型，模型建立的準(zhǔn)確程度將極大地影響泄漏檢測和定位的精度。

b）基于信號的泄漏檢測法?；谛盘柕臋z漏方法是建立在目前管道均采用SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由于SCADA系統(tǒng)可準(zhǔn)確地采集管道沿線的運行參數(shù)，該方法具有極高的精度和良好的發(fā)展前景。筆者所介紹的負(fù)壓波檢漏技術(shù)正是一種基于SCADA系統(tǒng)信號的泄漏檢測法。

c）基于知識的泄漏檢測法。該方法還處于探索階段，很多檢測的機理有待進(jìn)一步的研究。

1 負(fù)壓波檢漏技術(shù)的基本原理

如果管道的某個位置發(fā)生了氣體泄漏，便會在管道內(nèi)外形成一定的壓差，管道內(nèi)部流體會迅速流出，在泄漏點位置引起壓力突降。泄漏點周圍的氣體在壓差的作用下會向泄漏點流動，形成一個以泄漏點為中心的壓力波動，即負(fù)壓波。負(fù)壓波以一定的速度向泄漏點的兩端傳播，利用安裝在管道兩端的壓力傳感器可以檢測到壓力波動的信號，并根據(jù)兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時間差就可以找到泄漏點的位置，基本原理如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波檢測原理

假定ta，tb為負(fù)壓波傳播到上下游傳感器的時間，v1為負(fù)壓波在氣體中的傳播速度，Δt為首末端傳感器接收到負(fù)壓波的時間差，Δt＝ta－tb，那么泄漏點的定位公式可表達(dá)為

由式（1）可以看出，要準(zhǔn)確地找到泄漏點，關(guān)鍵在于確定負(fù)壓波到達(dá)傳感器兩端的時間和對負(fù)壓波傳播時間的精確計算。

2 負(fù)壓波檢漏技術(shù)存在的主要問題

a）負(fù)壓波檢漏技術(shù)通常將負(fù)壓波在輸氣管道中的傳播速度確定為一個定值，即認(rèn)為負(fù)壓波在輸氣管道中的傳播速度一般為聲波在輸送氣體介質(zhì)中的傳播速度。而在實際運行的管線中，該傳播速度與氣體介質(zhì)的密度、壓力、比熱和管道的材質(zhì)及傳輸介質(zhì)的流速等有關(guān)，不是定值。因此，利用式（1）進(jìn)行定位必然會帶來較大的定位誤差。

b）管線運行的環(huán)境中不可避免地存在一些干擾，如電磁干擾、泵的振動、工況變化等因素。因此，由傳感器采集到的壓力信號附有大量的噪聲，這使得精確識別壓力突降點變得非常困難。壓力突降點的準(zhǔn)確識別一方面決定了泄漏檢測的靈敏度和可靠性，另一方面決定了Δt的精度，從而影響定位精度。因此，要做到對泄漏點的準(zhǔn)確檢測與定位，必須解決以上問題。

3 負(fù)壓波檢漏技術(shù)的優(yōu)化

a）負(fù)壓波在天然氣管道中的傳播速度，傳統(tǒng)上被認(rèn)為是聲波在介質(zhì)中的傳播速度，它是一個定值。實際中由于系統(tǒng)狀態(tài)、工況等隨時在發(fā)生變化，負(fù)壓波的傳播速度絕非一成不變。因此，采用此值進(jìn)行定位必然會帶來較大的定位誤差。根據(jù)能量守恒原理，負(fù)壓波傳播速度可表示為［2］

式中，v——負(fù)壓波波速，m／s；αp——氣體壓縮系數(shù)，Pa－1；ρ——氣體密度，kg／m3；D——管道內(nèi)徑，m；E——管道彈性模量，Pa；e——管壁厚度，m。對于E很大或e很大的剛性管壁，D／（Eαp·e）一般為10－3甚至更小的數(shù)量級，在實際應(yīng)用中，天然氣傳輸管道恰好具有此特性，故在滿足精度要求情況下式（2）又可適當(dāng)簡化為：

由此可見，壓力波的傳播速度主要與流體密度和壓縮系數(shù)相關(guān)。眾所周知，氣體密度受壓力和溫度影響很大，而氣體的壓縮系數(shù)也與這兩個物理量有很大關(guān)系。隨著輸氣工藝的發(fā)展，天然氣的管道輸送正朝著大口徑、高壓力的方向發(fā)展；加之傳輸管道距離長，溫度變化也不可忽略。因此，壓力波速的研究必須考慮壓力、溫度對流體密度和壓縮系數(shù)的影響。

b）定位公式的修正?？紤]管內(nèi)氣體流速對壓力波速的影響，上游實際接收到的壓力波傳播速度為v－u，下游為v＋u，故：

式中：u——氣體流速，m／s，計算時可采用氣體的平均流速。由式（1）得修正后的定位公式為

由于系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都由計算機進(jìn)行采集和處理，故式（6）又可寫為

式中：ts——采樣時間，s；Δd——奇異點的位置差，m。

4 噪聲消除及壓力突降點的捕捉

4.1 小波消噪

在實際泄漏檢測定位中，必須準(zhǔn)確地獲取到由于管道泄漏所引起的壓力突降特征點，才能精確地確定泄漏點，得出負(fù)壓波傳播到首末端傳感器的時間差，從而提高負(fù)壓波檢漏技術(shù)的可靠性、靈敏性和精確性。但是由于在管道運行的現(xiàn)場必然會存在電磁干擾、泵的振動等影響檢測靈敏性的因素，傳感器獲得的聲信號就含有大量噪聲。因此，如何在繁復(fù)的聲信號中準(zhǔn)確地找到標(biāo)識壓力突降點的信號是負(fù)壓波檢漏技術(shù)的關(guān)鍵點。為了很好地解決這個問題，大多數(shù)檢漏采用小波變換技術(shù)，該技術(shù)具有良好的消噪能力和時頻局域特性，可以很好地對附加有其他噪聲信號的負(fù)壓波信號進(jìn)行消噪處理和奇異點的識別。在傳感器獲得的信號中，有用的負(fù)壓波等信號通常表現(xiàn)為一些變化比較平穩(wěn)的信號或者低頻信號，而噪聲信號則通常表現(xiàn)為高頻信號。

小波變換技術(shù)的基本消噪原理：可對傳感器獲取的復(fù)合信號進(jìn)行逐層的小波分解，將高頻區(qū)域的噪聲信號逐漸消除，再以門限閥值等形式對小波系數(shù)進(jìn)行處理，最后對所得到的信號記性重構(gòu)，從而得到去除了噪聲的有用信號。小波變換技術(shù)最關(guān)鍵的一環(huán)就是如何選取閥值和對閥值進(jìn)行量化處理，得到顯示壓力突降的負(fù)壓波信號，它直接關(guān)系到信號處理的質(zhì)量。

小波降噪處理方法：強制降噪處理、默認(rèn)閾值降噪處理及給定軟（或硬）閾值降噪處理。

4.2 壓力突降點的捕捉

小波變換由于在時域和頻域內(nèi)同時具有良好的局部化性質(zhì)，可聚焦到對象的任何細(xì)節(jié)，而被稱為數(shù)學(xué)分析的“顯微鏡”。利用連續(xù)小波變換的時間2尺度特性，可以有效地檢測信號的奇異性。其原理是引用數(shù)學(xué)上表征函數(shù)局部特征的李氏指數(shù)（Lipschitz指數(shù)）作為一種度量，當(dāng)信號在奇異點附近的Lips2chitz指數(shù)α＞0時，其連續(xù)小波變換的模極大值隨尺度增大而增大；當(dāng)α＜0時，則隨尺度的增大而減小。噪聲對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)遠(yuǎn)小于0，而信號邊緣對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)大于或等于0，因而利用小波變換可以區(qū)分噪聲和信號邊緣，有效地檢測出強噪聲背景下的信號邊緣。

5 仿真驗證

采用上述檢漏優(yōu)化算法對某輸氣管道的漏點進(jìn)行了仿真計算，管道數(shù)據(jù)如下：管道全長L＝170km，管道規(guī)格650mm×8.8mm，首端壓力9MPa，溫度為50℃，末端壓力為5.6MPa，溫度為30℃，假定管道在30.5，100.7，155.2km處發(fā)生泄漏，具體的仿真結(jié)果見表1所列。

表1 某輸氣管道檢測數(shù)據(jù)優(yōu)化比較

由仿真結(jié)果可見，與原始算法相比，優(yōu)化算法明顯地提高了漏點定位的精度。

6 結(jié)束語

筆者研究了負(fù)壓波法在天然氣輸氣管道泄漏檢測與定位應(yīng)用中存在的問題，分析了在輸氣管道中影響負(fù)壓波傳播速度的因素，修正了定位公式，同時利用小波技術(shù)對泄漏信號進(jìn)行了消噪并捕捉了壓力突降點，從而提高了檢測與定位的精度，仿真實驗證明了改進(jìn)方法的有效性。

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