張逸斌， 張浪， 張慧杰， 李偉， 劉彥青， 桑聰

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引言

近年來(lái)管道發(fā)生泄漏的情況屢見(jiàn)不鮮，對(duì)工業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成了重大威脅[1]。在我國(guó)部分礦井，瓦斯抽采管道常鋪設(shè)在環(huán)境惡劣的巷道中，容易造成老化生銹以致外部氣體滲入其中，從而降低瓦斯抽采濃度，存在瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。目前我國(guó)煤礦對(duì)于地下抽采管道的泄漏定位大多尚處于人工巡檢階段，存在定位時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)人力多、效率低等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，無(wú)法滿足當(dāng)今煤礦智能化、無(wú)人化開(kāi)采的需求[2-3]。煤礦井下瓦斯抽采管道泄漏定位技術(shù)已經(jīng)成為避免事故發(fā)生、提高瓦斯抽采效率、促進(jìn)煤礦綠色開(kāi)采的關(guān)鍵。

我國(guó)專家學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了針對(duì)流體管道檢測(cè)方面的研究。唐秀家等[4]建立了針對(duì)管道運(yùn)行狀況分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以檢測(cè)管道泄漏故障，但該模型訓(xùn)練成本較高，需要采集大量的學(xué)習(xí)樣本以提升算法可靠性。佘小廣等[5]提出了針對(duì)泄漏狀態(tài)和嚴(yán)重程度的管道故障判別模型，但該模型僅以流量設(shè)定報(bào)警閾值，且該閾值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)缺乏理論支撐。熊偉[6]基于超聲波檢測(cè)技術(shù)、多元高斯聲束模型研發(fā)了便攜式管道泄漏檢測(cè)儀器，雖提升了檢測(cè)精度，但仍需人工手持進(jìn)行檢測(cè)。雷柏偉等[7]提出了一種基于壓力測(cè)量的瓦斯抽采管路運(yùn)行狀態(tài)診斷方法，驗(yàn)證了利用管道壓力平方下降曲線斜率對(duì)抽采管道故障狀態(tài)進(jìn)行判識(shí)的可行性，但該方法僅能判斷管道故障區(qū)間，無(wú)法確定具體位置。劉翠偉等[8]采用聲學(xué)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)天然氣管道內(nèi)泄漏聲源特性進(jìn)行了研究，但該方法沒(méi)有考慮管道閥門開(kāi)閉對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。趙林等[9]基于光纖傳感技術(shù)及負(fù)壓波信號(hào)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)了一種煤礦管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)采用單一技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，具有一定的局限性。綜上可知，上述研究大多采用單一的管道泄漏定位方法，存在適用性差、定位效率低、易受環(huán)境影響等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于管道泄漏瞬態(tài)模型，采用流量平衡法與負(fù)壓波法相結(jié)合的方式，提出了一種基于瞬態(tài)模型的井下抽采主管道泄漏定位方法。首先分析了管道首末端流量變化規(guī)律及差值大小，排除干擾信號(hào)，利用流量平衡法對(duì)管道泄漏狀態(tài)進(jìn)行定性分析；然后根據(jù)負(fù)壓波在管道內(nèi)的傳播機(jī)理，采用小波降噪技術(shù)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行消噪處理，結(jié)合鄰域差值法尋求信號(hào)突變點(diǎn)；最后通過(guò)泄漏定位公式計(jì)算漏點(diǎn)位置，定量分析管道泄漏位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道漏點(diǎn)位置的有效定位。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。該方法可為后續(xù)管道泄漏定位系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)備研制提供理論基礎(chǔ)。

1 流量平衡法管道泄漏判斷原理

采用單一方法對(duì)管道泄漏位置進(jìn)行定位，存在自身局限性。管道在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中容易受到調(diào)泵、開(kāi)關(guān)閥門等操作的干擾，導(dǎo)致泄漏信號(hào)誤報(bào)的情況發(fā)生。為了解決此問(wèn)題，基于管道瞬態(tài)模型，利用流量平衡法對(duì)抽采管道泄漏狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而提升定位準(zhǔn)確性，降低誤報(bào)率。流量平衡法原理:比較正常運(yùn)行及發(fā)生泄漏情況下的流量變化，當(dāng)管道首末兩端流量差大于管道流量差閾值時(shí),即可判定管道狀況發(fā)生變化或發(fā)生泄漏;同時(shí)對(duì)調(diào)泵、開(kāi)關(guān)閥門等在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的情況進(jìn)行提前分析并找到相應(yīng)規(guī)律，從而提高管道泄漏定位的準(zhǔn)確性及魯棒性。

正常情況下，管道內(nèi)流量基本保持穩(wěn)定，但因?qū)嶋H情況下流體的特殊性質(zhì)，當(dāng)管道未泄漏時(shí)，管道首末兩端的流量也會(huì)存在極其微小的差值，計(jì)算公式為

Q1(t)-Q0(t)=ΔQ(t)

(1)

式中：Q1(t)為管道首端流量，m3/s；Q0(t)為管道末端流量，m3/s；ΔQ(t)為管道首末兩端流量差，m3/s；t為壓力信號(hào)采集時(shí)間，s。

管道正常運(yùn)行情況下，首末兩端流量差絕對(duì)值的最大值即為管道流量差閾值ε：

ε=max|ΔQ(t)|

(2)

在抽采管道正常運(yùn)行的情況下，ΔQ(t)的值極小，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，ΔQ(t)的值就會(huì)增大。當(dāng)ΔQ(t)大于管道流量差閾值ε時(shí)，即為工況改變或發(fā)生泄漏，判斷流程如圖1所示。通過(guò)分析煤礦井下瓦斯抽采管道實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)不同工況下的壓力、流量變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。根據(jù)這些規(guī)律可以判斷管道的流量狀態(tài)。

表1 不同工況下抽采管道壓力流量分析

圖1 流量平衡法判斷流程

2 基于瞬態(tài)模型的管道泄漏定位原理

2.1 負(fù)壓波法管道泄漏定位原理

根據(jù)管道內(nèi)任一點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)與該點(diǎn)的位置及時(shí)間相關(guān)的特征，基于時(shí)間和空間雙重因素建立管道泄漏瞬態(tài)模型，如圖2所示。采用負(fù)壓波法針對(duì)管道漏點(diǎn)位置進(jìn)行定位[10]。根據(jù)波源傳導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)泄漏突發(fā)時(shí)管道內(nèi)外壓力差作用產(chǎn)生的負(fù)壓波會(huì)傳遞到管道首末兩端的壓力傳感器，通過(guò)傳感器采集到的瞬態(tài)壓力突變時(shí)間差計(jì)算波源位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道漏點(diǎn)位置的有效定位。

圖2 管道泄漏瞬態(tài)模型

管道泄漏位置距管道首端距離為L(zhǎng)1時(shí)，泄漏點(diǎn)負(fù)壓波傳遞到首末兩端的時(shí)間分別為t1，t2，存在如下方程：

(3)

(4)

式中：Δt為管道首末端接收負(fù)壓波時(shí)差，s;L2為管道長(zhǎng)度，m；a為管道內(nèi)負(fù)壓波傳播速度(一般情況下可視為聲速)，m/s；V為管道內(nèi)氣體流速，m/s。

2.2 基于小波變換的降噪原理分析

負(fù)壓波法定位抽采管道泄漏位置的關(guān)鍵在于找到壓力信號(hào)突變點(diǎn)，壓力信號(hào)突變?cè)矫黠@，定位精度越高。但由于壓力信號(hào)存在大量的噪聲和干擾，以至于壓力信號(hào)的有效突變點(diǎn)難以準(zhǔn)確定位，為此引進(jìn)小波分析方法對(duì)壓力原始信號(hào)進(jìn)行降噪處理，以提取準(zhǔn)確的信號(hào)。

小波變換降噪原理是將信號(hào)通過(guò)低頻濾波器及高頻濾波器將原始信號(hào)分解成低頻信號(hào)和高頻信號(hào)2個(gè)部分。實(shí)際工程中有效信號(hào)一般為低頻信號(hào)或平穩(wěn)信號(hào)，噪聲一般為高頻信號(hào)[11]，但是現(xiàn)場(chǎng)采集的壓力信號(hào)包含有效信號(hào)及噪聲信號(hào)，無(wú)法直接用于計(jì)算。小波變換具有多分辨率特性，能夠從含有噪聲的信號(hào)中剝離出原有真實(shí)信號(hào)。小波變換多分辨率分析如圖3所示，S為待分解信號(hào)，Ai(i=1,2,3)表示對(duì)信號(hào)S的第i層低頻分解，Di表示對(duì)信號(hào)S的第i層高頻分解。

圖3 小波變換多分辨率分析

多分辨率分析是對(duì)信號(hào)的低頻部分進(jìn)行層層分解，逐漸剝離信號(hào)的高頻部分，可得到信號(hào)間的關(guān)系式為

S=A3+D3+D2+D1

(5)

2.3 小波降噪步驟

小波降噪主要分為如下3個(gè)步驟[12]：

(1)確定小波分解層數(shù)N，對(duì)采集的管道首末兩端的原始信號(hào)進(jìn)行N層小波分解。

(2)對(duì)第1～N層的每一層高頻系數(shù)選擇一個(gè)合理閾值進(jìn)行量化分析處理。

(3)針對(duì)小波分解量化處理后的第1～N層高頻系數(shù)及第N層低頻系數(shù)進(jìn)行一維信號(hào)小波重構(gòu)。

以上3步中量化選取合理閾值對(duì)于信號(hào)降噪的質(zhì)量十分關(guān)鍵，閾值過(guò)小則會(huì)造成過(guò)濾效果不明顯，閾值過(guò)大則會(huì)遺失有效信號(hào)，進(jìn)而影響定位精度。

針對(duì)管道泄漏時(shí)采集的現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)，采用Matlab小波工具箱中的wden降噪函數(shù)進(jìn)行降噪處理。其中wden降噪指令為

XD=wden(X,TPTR,SORH,SCAL,N,′Wname′)

(6)

式中：XD為降噪后的信號(hào)；X為原始采集信號(hào)；TPTR為閾值選取規(guī)則；SORH為軟、硬閾值選?。籗CAL為是否重新調(diào)整定義所乘閾值；Wname為選擇的正次小波名。

2.4 壓力信號(hào)奇異點(diǎn)篩選

奇異點(diǎn)是指數(shù)學(xué)上函數(shù)存在間斷點(diǎn)或某點(diǎn)導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的點(diǎn)，信號(hào)的奇異點(diǎn)能夠清楚地表述信號(hào)的細(xì)節(jié)特征[13]。小波變換具有在時(shí)間、頻率上突出信號(hào)局部特征的能力，采用鄰域差值法搜尋壓力信號(hào)奇異點(diǎn)，能夠快速、精準(zhǔn)地對(duì)壓力突變點(diǎn)進(jìn)行定位，從而計(jì)算泄漏位置。鄰域差值法是根據(jù)管道首末兩端降噪壓力曲線計(jì)算相鄰時(shí)間范圍內(nèi)的壓力差值，以分辨出壓力信號(hào)變化極值，從而得到壓力信號(hào)奇異點(diǎn)。鄰域差值法推導(dǎo)公式為

y(t)=x(t)-x(t-1)

(7)

式中：y(t)為降噪前后管道壓力差值，Pa；x(t)為降噪后管道壓力，Pa。

在井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中首先對(duì)采集到的抽采管道首末兩端的壓力信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理，以得到濾噪信號(hào)，然后采用鄰域差值法進(jìn)行二次處理，尋求壓力突變奇異點(diǎn)，最終根據(jù)負(fù)壓波法泄漏定位公式計(jì)算出管道泄漏位置。

3 管道泄漏定位精度分析

3.1 管道泄漏壓力信號(hào)仿真加噪模擬

為驗(yàn)證用負(fù)壓波法進(jìn)行管道泄漏定位的精度，對(duì)抽采管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的壓力信號(hào)進(jìn)行仿真模擬，采用Gambit前處理軟件建立總長(zhǎng)為1 000 m、管道直徑為0.8 m的二維管道模型，管道首端壓力設(shè)為-38 944 Pa，管道末端壓力設(shè)為-40 000 Pa，溫度設(shè)為288.16 K。分別在管道首末兩端設(shè)置壓力瞬態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s，即壓力采樣頻率為100 Hz，采樣總時(shí)長(zhǎng)為80 s。模擬抽采管道漏點(diǎn)位于管道中點(diǎn)500 m處、泄漏孔半徑為0.05 m狀態(tài)下的管道泄漏情況，并對(duì)首末兩端的壓力信號(hào)進(jìn)行采集與分析，驗(yàn)證利用負(fù)壓波法對(duì)管道泄漏進(jìn)行定位的準(zhǔn)確性。

基于上述條件，采用Fluent軟件模擬出理論情況下漏點(diǎn)附近管道內(nèi)的氣壓場(chǎng)分布、風(fēng)速場(chǎng)分布、管內(nèi)流場(chǎng)分布，如圖4—圖6所示。

圖4 漏點(diǎn)附近管道內(nèi)氣壓場(chǎng)分布

圖5 漏點(diǎn)附近管道內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)分布

圖6 漏點(diǎn)附近管道內(nèi)流場(chǎng)分布

管道未發(fā)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)壓力由于摩擦阻力的影響均勻降低，流量保持恒定。從圖4可看出，漏點(diǎn)位置由于管道內(nèi)外壓差作用，外部氣體急速流入，漏點(diǎn)處壓力迅速升高，管道內(nèi)壓力場(chǎng)產(chǎn)生明顯突變。從圖5、圖6可看出，管道泄漏處有大量外部氣體涌入，致使管內(nèi)原有的穩(wěn)定流場(chǎng)被打破，漏點(diǎn)處產(chǎn)生明顯湍流現(xiàn)象且速度顯著提升?；诠軆?nèi)壓力場(chǎng)、流場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)合表1不同工況下抽采管道壓力流量規(guī)律分析，可直觀判斷管道狀態(tài)，與負(fù)壓波法判斷結(jié)果互相驗(yàn)證。

管道入口、出口瞬態(tài)壓力曲線如圖7、圖8所示。從圖7、圖8可看出，管道首末端壓力瞬態(tài)監(jiān)測(cè)曲線均存在壓力突變現(xiàn)象，說(shuō)明泄漏發(fā)生后由于負(fù)壓波的傳播，管道首末端監(jiān)測(cè)到了負(fù)壓波的波動(dòng)。

圖7 管道入口瞬態(tài)壓力曲線

圖8 管道出口瞬態(tài)壓力曲線

上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為數(shù)值模擬情況下導(dǎo)出的理論數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況存在大量干擾噪聲。為了更貼合現(xiàn)場(chǎng)井下實(shí)際情況，對(duì)上述模擬結(jié)果進(jìn)行仿真加噪處理，隨機(jī)添加100 Pa以內(nèi)壓力值，以求出更符合現(xiàn)場(chǎng)規(guī)律的壓力波形，具體含噪效果如圖9、圖10所示。

圖9 管道入口含噪壓力曲線

圖10 管道出口含噪壓力曲線

3.2 壓力信號(hào)降噪處理分析

采用Matlab小波降噪后的管道入口、出口壓力瞬態(tài)曲線如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可看出，降噪后的壓力圖形尚保持了原有規(guī)律且壓力波形突變較為明顯。

圖11 管道入口降噪壓力曲線

圖12 管道出口降噪壓力曲線

為了準(zhǔn)確找到波形突變的具體時(shí)間，采用鄰域差值法對(duì)降噪后的信號(hào)進(jìn)行二次處理，處理結(jié)果如圖13、圖14所示。從圖13、圖14可明顯分辨出壓力信號(hào)變化的最大值，易于判斷負(fù)壓波分別傳播到管道首末端的時(shí)間。管道入口、出口采集到的壓力突變時(shí)間分別為0.50，0.39 s。將采集到的入口、出口壓力突變時(shí)間代入負(fù)壓波法漏點(diǎn)定位公式(式(4))進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可看出，定位誤差較小，證明此方法適用于負(fù)壓管道的泄漏定位且具有較高的可靠性及準(zhǔn)確性。現(xiàn)實(shí)情況中可采取適量添加傳感器數(shù)量或選用高精度傳感器的方法進(jìn)一步提升檢測(cè)精度，保障漏點(diǎn)定位準(zhǔn)確性。

圖13 鄰域差值法處理后的管道入口降噪壓力曲線

圖14 領(lǐng)域差值法處理后的管道出口降噪壓力曲線

表2 負(fù)壓波法處理結(jié)果及定位誤差

4 結(jié)論

(1)結(jié)合流量平衡法、負(fù)壓波法、小波降噪原理，提出了一種基于瞬態(tài)模型的管道泄漏定位方法，用于對(duì)煤礦井下瓦斯抽采主管道泄漏位置進(jìn)行定位，有效提高了漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性，降低了誤報(bào)率。

(2)針對(duì)模擬得到的管道首末端壓力信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)仿真加噪，利用Matlab小波降噪指令對(duì)采集到的管道壓力信號(hào)進(jìn)行降噪處理，采用鄰域差值法得到管道入口、出口壓力突變時(shí)間分別為0.50，0.39 s，根據(jù)負(fù)壓波法泄漏定位公式計(jì)算出漏點(diǎn)位置，絕對(duì)誤差為2.14 m，相對(duì)誤差為0.43%，驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)管道泄漏定位系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及設(shè)備研制提供了理論支持。