趙璐 熊森 賈先

近年來，油田打孔盜油、腐蝕穿孔等輸油管道泄漏事故頻繁發(fā)生，由此帶來了經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境污染的嚴(yán)重后果，為此進(jìn)行了輸油管道的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。研制的G300管道泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警定位系統(tǒng)采用自適應(yīng)濾波算法和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別算法，極大地提高了定位精度，降低了漏報(bào)率和誤報(bào)率?？舍槍?duì)所監(jiān)測(cè)管段全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)管道運(yùn)行中發(fā)生的泄漏等異常事件進(jìn)行報(bào)警、定位。與GPS為核心的定位導(dǎo)航系統(tǒng)及精確的管道電子地圖相結(jié)合，可及時(shí)準(zhǔn)確找到泄漏現(xiàn)場(chǎng)，使管道泄漏損失降到最低。試驗(yàn)結(jié)果表明：最小泄漏孔徑為3 mm，泄漏點(diǎn)平均定位精度小于10 m，泄漏報(bào)警時(shí)間小于15 s，沒有出現(xiàn)漏報(bào)情況。研制的系統(tǒng)可為油田輸油管道的在線監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

管道漏失報(bào)警系統(tǒng)；流量平衡；壓力波；次聲波；泄漏定位

Design of G300 High-Precision Real-Time Monitoring and Alarm

System for Oil Pipeline Leakage

In recent years，oil pipeline leakage accidents resulted from perforating to steal oil and corrosion perforation have occurred frequently in oilfields，resulting in serious economic losses and environmental pollution.Therefore，an on-line monitoring system for oil pipeline was studied.The G300 pipeline leakage monitoring and alarm positioning system developed in the paper adopts adaptive filtering algorithm，modern digital signal processing technology and pattern recognition algorithm，greatly improving positioning accuracy and reducing missed and false alarm rates.The system can monitor the monitored pipeline section in real time and any kind of weather，and provide alarms and location for abnormal events such as leaks that occur during pipeline operation.Combined with positioning and navigation system that takes GPS as the core and precise pipeline electronic map，the system can timely and accurately locate the leakage site，minimizing pipeline leakage losses.The test results show that the minimum leakage aperture is 3 mm，the average positioning accuracy of the leakage point is less than 10 m，the leakage alarm time is less than 15 s，and there are no missed reports.The developed system provides technical support for on-line monitoring of oil pipelines of oilfields.

pipeline leakage alarm system；flow balance；pressure wave；infrasound wave；leakage positioning

0 引 言

管道運(yùn)輸作為常見的油氣運(yùn)輸方式，具有運(yùn)輸量大、安全節(jié)能等特點(diǎn)?！笆奈濉睍r(shí)期我國(guó)油氣管網(wǎng)將全面實(shí)現(xiàn)物理互聯(lián)互通，預(yù)計(jì)到2035年我國(guó)還將新增天然氣管道建設(shè)總里程約6.5萬km，新建原油管道約2 000 km，成品油管道約4 000 km。

管道輸送具有高壓、易燃及易爆的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)長(zhǎng)輸管道的安全管理非常重要。泄漏是長(zhǎng)管道運(yùn)輸中最重要的安全隱患，容易導(dǎo)致火災(zāi)、中毒和爆炸等嚴(yán)重事故［1-2］。輸油管道的鉆孔偷油、腐蝕穿孔都會(huì)造成頻繁泄漏事故，以此帶來生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境嚴(yán)重污染。先進(jìn)的管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，迅速采取措施，從而大大減少盜油、漏油事件的發(fā)生，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益［3］。因此，研發(fā)出具有特色的高精度實(shí)時(shí)管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 研究背景

1.1 國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研發(fā)輸油管道漏失報(bào)警系統(tǒng)的廠家眾多，國(guó)外主要的制造商有英國(guó)ATMOS公司［4］、美國(guó)ASI公司等。核心技術(shù)是通過選用流量計(jì)和壓力變送器配合相關(guān)算法判斷泄漏和確定其位置［5-6］。這類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的吐哈油田、勝利油田、塔北氣田均有部分使用。由于產(chǎn)品價(jià)格較高且沒有針對(duì)國(guó)內(nèi)的特殊需求進(jìn)行定制，致使在國(guó)內(nèi)各大油、氣田未能推廣普及。

國(guó)內(nèi)主要的制造商有陜西西安佳暉科技有限公司、河北廊坊市藍(lán)德采油技術(shù)開發(fā)有限公司、上海貝加萊工業(yè)自動(dòng)化有限公司、北京中計(jì)新業(yè)科技發(fā)展有限公司等。國(guó)內(nèi)廠家多在采用流量計(jì)、壓力變送器的基礎(chǔ)上增加了次聲波傳感器，以實(shí)現(xiàn)泄漏報(bào)警、定位。在泄漏判斷和定位方面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品存在較大差距，技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)品性能仍需進(jìn)一步提高［7］。國(guó)內(nèi)外3家系統(tǒng)技術(shù)性能對(duì)比如表1所示。

1.2 管道泄漏檢測(cè)與漏點(diǎn)定位方法

1958年，第一條長(zhǎng)輸管道克-獨(dú)線的建成使我國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。國(guó)內(nèi)管道石油運(yùn)輸發(fā)展了60多年，泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代，總體上處于國(guó)外引進(jìn)、研制開發(fā)的階段。鑒于國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域已有的技術(shù)水平［8-9］，利用綜合檢測(cè)技術(shù)能夠解決石油管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、泄漏報(bào)警等問題，歸納起來較為成熟的技術(shù)主要有以下3種［10-11］。

（1）流量平衡法。這種方法將流量計(jì)安裝在長(zhǎng)輸管道的入口和出口處，實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄進(jìn)、出口流量，并定時(shí)對(duì)比。當(dāng)檢測(cè)到兩邊產(chǎn)生流量差時(shí)，立刻報(bào)警。該方法的不足之處是不能準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)位置。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，則需要花費(fèi)大量的時(shí)間，依靠人力查找出泄漏點(diǎn)。

（2）負(fù)壓波法。當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)外的壓差，泄漏點(diǎn)處流體迅速流失，壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊的油液在壓差作用下向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充。該過程依次向上、下游傳遞，泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓力波。根據(jù)泄漏時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力波在上下游管道傳播的時(shí)間差和管內(nèi)壓力波的傳播速度計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。

（3）次聲波法。將次聲波傳感器安裝在管道出、入口處。發(fā)生泄漏時(shí)，管道的壓力平衡被破壞，導(dǎo)致管道中液體彈性釋放而引發(fā)瞬時(shí)聲波震蕩。聲波從泄漏點(diǎn)沿著管道流體以聲速向兩側(cè)擴(kuò)展，此時(shí)次聲波傳感器檢測(cè)到聲波信號(hào)。管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器獲得的聲波信號(hào)進(jìn)行處理，消除管道的噪聲并抑制其在該過程中產(chǎn)生的干擾。實(shí)時(shí)篩選、分析聲波信號(hào)，確定是否發(fā)生泄漏現(xiàn)象。根據(jù)聲波信號(hào)到達(dá)管道兩端泄漏監(jiān)測(cè)儀的時(shí)間差，計(jì)算出發(fā)生泄漏的具體位置。

2 G300管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理

該管道泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警定位系統(tǒng)是以次聲波法、負(fù)壓波法、流量平衡法3種原理綜合分析、判定的報(bào)警、定位系統(tǒng)［12-13］。該系統(tǒng)在負(fù)壓波法和流量平衡法的基礎(chǔ)上增加目前最先進(jìn)的次聲波技術(shù)，采用先進(jìn)的自適應(yīng)濾波算法和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別算法，極大地提高了定位精度，是多學(xué)科交叉融合技術(shù)的系統(tǒng)，其可靠性和準(zhǔn)確性得以提高。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)管段全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)管道運(yùn)行過程中發(fā)生的泄漏等異常事件進(jìn)行報(bào)警、定位，靈敏度、定位精度高。結(jié)合GPS為核心的定位導(dǎo)航系統(tǒng)及精準(zhǔn)的管道電子地圖，管理部門可以及時(shí)準(zhǔn)確地定位泄漏現(xiàn)場(chǎng)位置，降低因管道泄漏等異常事件造成的經(jīng)濟(jì)損失［14］。

該G300管道漏失報(bào)警系統(tǒng)以數(shù)據(jù)曲線界面作為可視化管理的基本操作界面，形象地為生產(chǎn)管理人員提供管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)泄漏等情況及時(shí)報(bào)警，提供定位信息，及時(shí)記錄存儲(chǔ)。通過查詢界面可以任意查詢各管道運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等信息。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

輸油管道漏失報(bào)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、終端分析處理系統(tǒng)3部分組成［15］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

安裝在首、末站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速采集2站所需數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收管道運(yùn)行中產(chǎn)生的異常次聲波、流量及壓力信號(hào)，進(jìn)行預(yù)處理、壓縮及打包后通過通信系統(tǒng)單元發(fā)送到終端處理系統(tǒng)。該部分由傳感器、GPS模塊、同步采集卡、工控機(jī)及采集軟件等組成。

2.2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括有線通信（電話或網(wǎng)絡(luò)）或無線通信（數(shù)傳電臺(tái)、5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)），將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預(yù)處理后獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、高速地傳送到終端處理分析和報(bào)警系統(tǒng)。

2.2.3 終端分析處理系統(tǒng)

終端分析處理系統(tǒng)對(duì)接收到的首、末站信息進(jìn)行分析、處理計(jì)算，確定泄漏時(shí)間、位置和泄漏量，并迅速發(fā)出聲、光報(bào)警提示。系統(tǒng)界面友好，可實(shí)時(shí)顯示所監(jiān)測(cè)管道段壓力、流量曲線和數(shù)據(jù)，在首、末站同步進(jìn)行GPS采集通信。

2.3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要滿足以下功能特點(diǎn)：

（1）采用多種方法相結(jié)合的監(jiān)測(cè)判斷方法，確保系統(tǒng)的高可靠性、高精準(zhǔn)度。

（2）實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，管道運(yùn)行數(shù)據(jù)同步顯示，并以數(shù)字和曲線方式呈現(xiàn)。

（3）60 s內(nèi)對(duì)管道發(fā)生泄漏或異常事件發(fā)出聲光報(bào)警，提示并給出具體泄漏位置。

（4）電子地圖顯示簡(jiǎn)明、清晰、精準(zhǔn)。

（5）通信方式靈活，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇有線和無線2種方式。

（6）管道運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警、操作記錄永久存儲(chǔ)，隨時(shí)可查詢，便于管理。

（7）系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)人員使用。

（8）系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程訪問功能，可異地進(jìn)行查詢及系統(tǒng)維護(hù)（用戶允許的情況下）。

3 系統(tǒng)的硬、軟件及算法設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)的功能，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。選用了合適型號(hào)的機(jī)柜、工控機(jī)、顯示器、多功能采集卡、4G DTU、GPS、壓力傳感器、流量傳感器及聲波傳感器等搭建輸油管道漏失報(bào)警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。主要的硬件設(shè)備及儀器儀表如表2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 概述

該系統(tǒng)對(duì)輸油管道進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)反映各管道壓力變化、次聲波變化、累計(jì)流量、瞬時(shí)流量和溫度等參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)盜油、漏油等異常情況，第一時(shí)間報(bào)警，系統(tǒng)將自動(dòng)保存異常壓力曲線和各種參數(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便隨時(shí)查看、分析、打印。系統(tǒng)定位顯示漏失點(diǎn)的電子地圖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需求，本系統(tǒng)具有值班管理、事件記錄及查看等功能。

3.2.2 模塊結(jié)構(gòu)

針對(duì)輸油管道漏失報(bào)警系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示［16-17］。

系統(tǒng)的軟件各模塊功能如下：

（1）系統(tǒng)參數(shù)初始化。硬件初始化，包括IO口、AD采集、定時(shí)器參數(shù)等。

（2）GPS同步。通過GPS授時(shí)模塊的精確授時(shí)功能，同步工控機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，從而滿足系統(tǒng)精確定位算法的要求。

（3）數(shù)據(jù)采集、分析。采集卡實(shí)時(shí)、高速采集壓力變送器、次聲波傳感器和流量計(jì)的信號(hào)，并給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打印上時(shí)間標(biāo)簽；對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分析，通過負(fù)壓波法、次聲波法、流量平衡法對(duì)管線是否泄漏進(jìn)行判斷。

（4）數(shù)據(jù)交換。主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)曲線的展示、網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)的監(jiān)控、用戶操作記錄的保存、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、用戶權(quán)限的分配等。

（5）異常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于數(shù)據(jù)量比較大，所以需要將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到工控機(jī)上，包括瞬時(shí)流量、管線壓力、次聲波信號(hào)和數(shù)據(jù)采集日期等，方便現(xiàn)場(chǎng)問題查找和維護(hù)。

（6）用戶操作。用戶在操作界面上可任意查詢各種管道運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等信息。

3.3 系統(tǒng)處理算法設(shè)計(jì)

3.3.1 流量計(jì)信號(hào)處理算法

該系統(tǒng)的流量處理算法綜合了瞬時(shí)流量、累計(jì)流量處理算法。

（1）瞬時(shí)流量處理算法。將管道兩端同一時(shí)刻的瞬時(shí)流量采集值相減得到差值，根據(jù)時(shí)間點(diǎn)采用概率統(tǒng)計(jì)方法找出在無泄漏和調(diào)閥的情況下差值的一個(gè)合理范圍，將最大值設(shè)為閾值。最后，將每次差值與閾值進(jìn)行比較，如果50個(gè)樣本點(diǎn)的差值分布在閾值范圍外的概率在80%以上，則可判定管道出現(xiàn)泄漏，進(jìn)而結(jié)合壓力波曲線進(jìn)行綜合判斷。

（2）累計(jì)流量處理算法。當(dāng)瞬時(shí)流量處理算法不能準(zhǔn)確地判斷緩慢泄漏時(shí)，則需要借助累計(jì)流量進(jìn)行判斷。對(duì)管道兩端的累計(jì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，正常情況下兩端的差值應(yīng)該接近于0。因流量計(jì)精度誤差，所以實(shí)際情況下累計(jì)流量差值通常不是0。統(tǒng)計(jì)不泄漏累積流量差值的概率分布，找出正常的閾值范圍。如果兩條曲線之間的距離越來越大，就能判斷存在泄漏，再結(jié)合壓力波參數(shù)就可以確定是緩慢泄漏或突發(fā)性泄漏。

該輸油管道漏失報(bào)警系統(tǒng)G300設(shè)計(jì)中使用的流量法算法的基本原理為入口流量和出口流量平衡。但由于儀表偏差、管道膨脹等因素的影響，在管道正常運(yùn)行過程中往往導(dǎo)致入口流量和出口流量無法達(dá)到平衡狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流量如圖3所示。在管道實(shí)際運(yùn)行過程中，入口流量和出口流量通常處于不平衡的狀態(tài)，如果僅利用現(xiàn)場(chǎng)儀表的流量差對(duì)管道是否發(fā)生泄漏進(jìn)行判斷，就需要將儀表靈敏度大幅度降低才能減少系統(tǒng)的誤報(bào)警次數(shù)。

系統(tǒng)在對(duì)流量表進(jìn)行處理之后的儀表示意圖如圖4所示。通過數(shù)學(xué)算法上的處理，結(jié)合降噪濾波的技術(shù)方法，可以大幅度提高系統(tǒng)的靈敏度，同時(shí)降低系統(tǒng)的誤報(bào)警的次數(shù)。

系統(tǒng)使用的流量平衡算法是真正意義上的流量平衡算法，并且能夠不通過人工判斷自動(dòng)報(bào)警并定位。系統(tǒng)使用的流量平衡法可對(duì)管道的工況進(jìn)行如下2個(gè)階段的處理。

（1）穩(wěn)態(tài)工況處理。系統(tǒng)在進(jìn)行流量平衡計(jì)算的過程中，通過參數(shù)的配置，會(huì)自動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的儀表偏差進(jìn)行糾正和補(bǔ)償；通過模型的計(jì)算，對(duì)管道變形造成的管容變化進(jìn)行補(bǔ)償；通過概率統(tǒng)計(jì)分析的原理，結(jié)合流量的不平衡，對(duì)管道可能發(fā)生異常的概率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)發(fā)生概率大于99%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

流量計(jì)實(shí)際誤差與糾正后的誤差分布如圖5所示。圖5中上方圖展示了在系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，自動(dòng)計(jì)算的流量計(jì)量的偏差；下方圖則展示了經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后，將流量計(jì)計(jì)量偏差調(diào)整成線性關(guān)系的圖形。

（2）瞬態(tài)工況處理。當(dāng)管道處于瞬態(tài)情況下流量不平衡狀態(tài)時(shí)，通過增壓和降壓的仿真模型計(jì)算，可對(duì)該類不平衡進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保即使管道處于瞬態(tài)時(shí)發(fā)生泄漏，依然能夠被快速發(fā)現(xiàn)并定位。圖6為流量平衡分析界面圖。圖7為流量平衡算法處理流程圖。

通過算法的分析，判斷出壓力波的傳播方向、音波的頻率特質(zhì)、壓力波的變化強(qiáng)度及管道流量平衡的特性，區(qū)別管道工況與泄漏工況的不同。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，生成泄漏報(bào)警，并且確定泄漏位置。在報(bào)警事件發(fā)生之后，軟件將報(bào)警信息通過OPC協(xié)議傳遞至人機(jī)界面進(jìn)行顯示。

3.3.2 壓力波信號(hào)處理算法

系統(tǒng)中的壓力變送器快速反應(yīng)管道系統(tǒng)壓力變換，采用NI公司的6210采集板采集壓力信號(hào)，同時(shí)再打上時(shí)間標(biāo)簽，壓力原始信號(hào)如圖8所示。原始波是含有泄漏信號(hào)、環(huán)境噪聲等信號(hào)的混合波形。波形呈現(xiàn)雜亂無章，無法直觀的反應(yīng)泄漏信號(hào)的特征［18］。

為了更好地分析原始?jí)毫Σǎㄟ^快速傅里葉變換（FFT），在頻域?qū)υ級(jí)毫Σㄐ盘?hào)進(jìn)行分析。FFT的計(jì)算公式為：

式中：x（n）為輸入的離散數(shù)字信號(hào)頻率序列；WN為旋轉(zhuǎn)因子；X（k）為一組k個(gè)點(diǎn)組成的頻率成分相對(duì)幅度。

一般情況下，假設(shè)x（n）來自低通采樣，采樣頻率為fs，那么X（k）表示了從-fs/2頻率開始，頻率間隔為fs/N，到（fs/2）-（fs/N）截止的N個(gè)頻率點(diǎn)的相對(duì)幅度。因?yàn)殡x散傅里葉變換（DFT）計(jì)算得到的一組離散頻率幅度實(shí)際上只在頻率軸上呈周期變化，即X（k+N）=X（k），所以任意取N個(gè)點(diǎn)均可以表示DFT的計(jì)算效果。負(fù)頻率成分比較抽象，難于理解，根據(jù)X（k）的周期特性，于是又可以認(rèn)為X（k）表示了從零頻率開始，頻率間隔為fs/N到（fs/2）-（fs/N）截止的N個(gè)頻率點(diǎn)的相對(duì)幅度。通過FFT得到原始信號(hào)的頻譜特性曲線，如圖9所示。

通過波形頻譜特性找到泄漏信號(hào)特征，構(gòu)造帶通數(shù)字濾波器，擬采用橢圓濾波器。橢圓濾波器具有通帶等紋波，阻帶下降快等特點(diǎn)，幅值響應(yīng)在通帶和阻帶內(nèi)都為等波紋。對(duì)于給定的階數(shù)和波紋要求，橢圓濾波器能獲得較其他濾波器較窄的過渡帶寬，因此，橢圓濾波器最優(yōu)。其關(guān)于復(fù)頻jΩ的振幅平方函數(shù)為：

式中：RN（x） 是雅可比（Jacobi）橢圓函數(shù)；ε為與通帶衰減有關(guān)的參數(shù)；Ω為截止角頻率，rad/s；Ωp為抽樣角頻率，rad/s。

在構(gòu)建橢圓濾波器時(shí)需要確定如下濾波器參數(shù)：橢圓濾波器最小階數(shù)，橢圓濾波器通帶截止角頻率，橢圓濾波器阻帶起始角頻率，通帶波紋（dB），阻帶最小衰減（dB）。這5個(gè)參數(shù)的給定就可以確定濾波器的階數(shù)。通過橢圓帶通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，信號(hào)重構(gòu)后的波形如圖10所示。根據(jù)圖10就能更好地分析出有無泄漏信號(hào)。次聲波也采用相同的方法進(jìn)行處理、判斷。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的壓力波檢測(cè)算法中數(shù)據(jù)采集單元直接采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的模擬量信號(hào)，并在本地進(jìn)行濾波和降噪的處理。數(shù)據(jù)采集單元將本地信號(hào)處理完畢后，通過網(wǎng)絡(luò)上傳至泄漏檢測(cè)中心站服務(wù)器，從而提供數(shù)據(jù)以備系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。泵和其他外界壓力信號(hào)的影響會(huì)在第一步就從系統(tǒng)中被移除。圖11為包含泄漏的原始?jí)毫π盘?hào)。圖12為系統(tǒng)處理后的信號(hào)。

針對(duì)數(shù)據(jù)采集單元處理的原始數(shù)據(jù)信號(hào)，本系統(tǒng)通過將管道兩端的這些信號(hào)合并分析，生成3D（壓力、時(shí)間、位置）壓力圖形，如圖13所示。根據(jù)圖13可以明顯判斷白圈內(nèi)為泄漏點(diǎn)。圖14為3D圖形界面。

3.3.3 音波信號(hào)數(shù)據(jù)處理算法

音波是由壓力在介質(zhì)中不停地變化而產(chǎn)生的。由于壓力在介質(zhì)中震動(dòng)的頻率不同，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，壓力震動(dòng)較大，所以在聲學(xué)強(qiáng)度上產(chǎn)生強(qiáng)點(diǎn)，即杜比強(qiáng)度。音波法通過檢測(cè)該杜比強(qiáng)度與正常工況時(shí)的杜比強(qiáng)度的差異來判斷泄漏。

圖15為音波傳感器的處理過程?，F(xiàn)場(chǎng)采樣設(shè)備采集到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之后，通過音頻模塊進(jìn)行處理，其系統(tǒng)只能輸出音頻信號(hào)。

系統(tǒng)將次聲波法作為一種算法判斷管道是否發(fā)生泄漏，但并不將次聲波法作為唯一的方法判斷管道是否發(fā)生泄漏。

3.3.4 泄漏點(diǎn)定位處理算法

泄漏點(diǎn)定位精度的影響因素主要取決于聲速變化、管長(zhǎng)是否準(zhǔn)確、兩端系統(tǒng)時(shí)間是否同步［19-20］等3個(gè)方面，具體內(nèi)容如下：

（1）聲速。單端采用雙壓力計(jì)安裝方式，可實(shí)時(shí)校正聲速，保證聲速的準(zhǔn)確性和精度。

（2）管道長(zhǎng)度。對(duì)客戶提供的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查，確保數(shù)據(jù)正確性。

（3）同步時(shí)間。采用GPS授時(shí)模塊進(jìn)行時(shí)間同步，誤差為50 ns。

針對(duì)不同類型的泄漏提供2種泄漏定位算法：TOF時(shí)差法和KL散度法。

TOF時(shí)差法主要適用于較為快速發(fā)生的泄漏。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，根據(jù)泄漏產(chǎn)生的壓力波到達(dá)管道兩端傳感器時(shí)間的不同，結(jié)合壓力波在介質(zhì)中傳遞的速度，計(jì)算出泄漏的位置。該方法的難點(diǎn)在對(duì)泄漏時(shí)發(fā)生壓降的時(shí)間點(diǎn)的確認(rèn)，如果泄漏發(fā)生比較緩慢，則難以發(fā)現(xiàn)壓降的時(shí)間點(diǎn)。由于以上原因，很多產(chǎn)品在泄漏發(fā)生較為緩慢時(shí)，有可能會(huì)產(chǎn)生無法定位，或者定位誤差非常大的定位錯(cuò)誤。

KL散度法泄漏定位的計(jì)算公式為：

X=（L+α·Δt）/2（3）

式中：L為管道的長(zhǎng)度，m;X為泄漏位置，m;α為壓力波在介質(zhì)內(nèi)傳遞的速度，m/s；Δt為壓力波傳遞到管道兩端壓力傳感器的時(shí)間差，s。

圖16為泄漏定位示意圖。KL法為當(dāng)泄漏發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)壓力、流量在該時(shí)刻的變化，結(jié)合管道的摩阻系數(shù)計(jì)算出發(fā)生泄漏的位置?？v坐標(biāo)表示出、入口壓力的pout、pin變化，橫坐標(biāo)表示管道長(zhǎng)度L。黑色線顯示管道泄漏前出、入口的流量Fout、Fin變化曲線，紅色線顯示管道泄漏后出、入口的流量F′out、F′in變化曲線。

3.3.5 站內(nèi)動(dòng)閥或其他操作引起壓力波的判斷

采用上述的波形處理技術(shù)對(duì)壓力波進(jìn)行處理，首末段安裝固定距離的壓力變送器，對(duì)壓力波進(jìn)行分析，以判斷壓力波的方向。如果是管道外動(dòng)閥或其他操作引起的壓力波，就將其剔除，不報(bào)警。

4 工地實(shí)測(cè)分析

4.1 試驗(yàn)裝置

為測(cè)試G300管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)的性能，搭建了一套系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)管道基本參數(shù)為：管道長(zhǎng)度約260 m，管徑65 mm，設(shè)計(jì)壓力0.2 MPa，運(yùn)行壓力不高于0.4 MPa。根據(jù)試驗(yàn)要求，可以進(jìn)行水、成品油等液體的管道泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)［21］。

為進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，在管道中設(shè)置了一個(gè)U形爬坡，并在管道長(zhǎng)度為160和170 m處分別設(shè)置了2個(gè)泄漏點(diǎn)。泄漏點(diǎn)的大小可以通過手動(dòng)閥的閥門開度大小控制。試驗(yàn)裝置如圖17所示。

4.2 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)了4個(gè)試驗(yàn)，分別驗(yàn)證該高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道漏失報(bào)警系統(tǒng)G300的使用性能。

4.2.1 波形處理算法驗(yàn)證試驗(yàn)

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形，確定相關(guān)濾波算法，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證濾波算法的效果。該試驗(yàn)要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。試驗(yàn)方法如下：

①打開管線泄漏監(jiān)測(cè)軟件，采集管線運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)；

②開啟管線A泄漏點(diǎn)5 s，監(jiān)測(cè)30 s的數(shù)據(jù);

③打開軟件傅里葉變換模塊，分析泄漏后數(shù)據(jù)的頻域特性;

④選擇軟件濾波器，將泄漏波頻率以外的波形全部濾除掉;

⑤將濾波后的波形進(jìn)行保存;

⑥重復(fù)步驟④和步驟⑤，將不同的濾波器濾波后的波形保存、對(duì)比。

通過試驗(yàn)，得到了幾組原始數(shù)據(jù)曲線，經(jīng)過濾波后得到了濾波數(shù)據(jù)曲線。圖18為試驗(yàn)中的一組原始數(shù)據(jù)曲線和濾波后數(shù)據(jù)曲線。將不同濾波器濾波后的效果圖進(jìn)行對(duì)比、分析，找出泄漏波峰最明顯的波形，此為最優(yōu)濾波算法。

對(duì)比圖18中的多組原始數(shù)據(jù)曲線和濾波后數(shù)據(jù)曲線得出，從濾波后的波形可以很好地找出泄漏波，以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 首末站時(shí)間同步性試驗(yàn)

通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證首末站的采集時(shí)間是否同步，如果不同步會(huì)造成很大的定位誤差。該試驗(yàn)要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。試驗(yàn)方法如下：

①打開管線泄漏監(jiān)測(cè)軟件，采集管線運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)；

②用一根鐵棒同時(shí)擊打首末站的水聽器，每次連續(xù)擊打3下，中間間隔大于1 s;

③查看系統(tǒng)軟件上首末站的水聽器數(shù)據(jù)曲線;

④通過軟件對(duì)比、分析同一時(shí)刻的水聽器擊打后產(chǎn)生的波形;

⑤通過對(duì)比、分析，尋找同一時(shí)刻2個(gè)水聽器的波峰時(shí)間差。

通過試驗(yàn)，得到了幾組同步性試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，如圖19所示。從圖19可見，分析2個(gè)波峰的時(shí)間差小于30 ms，故判斷系統(tǒng)采集端同步滿足要求。

經(jīng)過數(shù)據(jù)曲線分析、判斷可以看出，2個(gè)波峰的時(shí)間差為25 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 系統(tǒng)報(bào)警靈敏度試驗(yàn)

通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)可以檢測(cè)最小泄漏孔徑。該試驗(yàn)要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。試驗(yàn)方法如下：

①控制泄漏點(diǎn)處的手動(dòng)閥開度，首先閥開度開1/2;

②觀察系統(tǒng)軟件是否報(bào)警并定位;

③重復(fù)步驟①和②，每次的閥開度減小最大開度的1/8;

④直到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)不到泄漏波為止;

⑤記錄可以檢測(cè)的最小泄漏孔徑。

通過試驗(yàn)，得到多組閥大體在1/10開度，相當(dāng)于泄漏孔徑3 mm左右時(shí)的泄漏波形曲線，如圖20所示。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的泄漏波形對(duì)應(yīng)的最小泄漏孔徑就可用來報(bào)警和定位，即判定其為可以檢測(cè)的最小泄漏孔徑。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的幾十次管道泄漏中，最小泄漏孔徑為3 mm。

4.2.4 系統(tǒng)泄漏定位精度試驗(yàn)

通過分析試驗(yàn)可驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位精度。該試驗(yàn)要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。試驗(yàn)方法如下：

①開啟泄漏點(diǎn)A（距首站160 m）和泄漏點(diǎn)B（距首站170 m）的手動(dòng)閥開度模擬管線泄漏；

②每次開啟泄漏后通過系統(tǒng)軟件對(duì)其定位，并顯示出來；

③重復(fù)開啟泄漏點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并記錄每次的定位位置。

通過試驗(yàn)，得到多組泄漏定位波形圖如圖21所示。根據(jù)泄漏報(bào)警定位信息，用此定位的數(shù)據(jù)減去泄漏點(diǎn)的真實(shí)定位數(shù)據(jù)，其最大值就是定位精度值。

通過試驗(yàn)對(duì)A、B點(diǎn)的泄漏定位精度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得到A、B這2點(diǎn)的泄漏定位精度，數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可以得出，目前系統(tǒng)在試驗(yàn)裝置上的定位精度可以達(dá)到12 m。

5 結(jié) 論

（1）G300管道泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警定位系統(tǒng)在負(fù)壓波和流量平衡法的基礎(chǔ)上增加了目前最先進(jìn)的次聲波技術(shù)，是集成多學(xué)科技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，其可靠性和準(zhǔn)確性從根本上得到了提高。

（2）系統(tǒng)檢測(cè)到的管道泄漏靈敏度（最小泄漏孔徑）為3 mm；系統(tǒng)泄漏點(diǎn)平均定位精度小于10 m，最大定位誤差小于15 m；在所有的管道泄漏試驗(yàn)中，反應(yīng)速度快，泄漏報(bào)警時(shí)間小于15 s。

（3）該系統(tǒng)針對(duì)所監(jiān)測(cè)管段全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)管道運(yùn)行中發(fā)生的泄漏等異常事件進(jìn)行報(bào)警、定位，具有很高的靈敏度和定位精度。與GPS為核心的定位導(dǎo)航系統(tǒng)及精確的管道電子地圖相結(jié)合，可以使管理部門及時(shí)準(zhǔn)確找到泄漏現(xiàn)場(chǎng)，使管道泄漏等異常事件造成的損失降到最小。

（4）先后進(jìn)行了100次以上的泄漏報(bào)警測(cè)試，靈敏度、定位精度、最大定位誤差、系統(tǒng)反應(yīng)速度、泄漏報(bào)警時(shí)間均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，沒有出現(xiàn)過漏報(bào)情況。

［1］ 劉迪，樊建春，劉書杰，等．氣井井下油管多點(diǎn)泄漏定位實(shí)驗(yàn)研究［J］．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，14（5）：144-149．

LIU D，F(xiàn)AN J C，LIU S J，et al.Experimental study on locating multi-point leakage for downhole tubing in gas wells［J］.Journal of Safety Science and Technology，2018，14（5）： 144-149.

［2］ 孫文祥，汪坤，朱海.高壓天然氣儲(chǔ)運(yùn)管道泄漏定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［J］.非常規(guī)油氣，2022，9（2）：132-139.

SUN W X，WANG K，ZHU H.The study on quantitative risk assessment of high pressure natural gas stor-age and transportation pipelines leakage［J］.Unconventional Oil & Gas，2022，9（2）：132-139.

［3］ 申成華．原油長(zhǎng)輸管道泄漏定位關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．當(dāng)代化工，2019，48（10）：2346-2348，2352．

SHEN C H.Research on key technologies of leakage location for long-distance crude oil pipeline［J］.Contemporary Chemical Industry，2019，48（10）： 2346-2348，2352.

［4］ 靳世久，王立寧，李健，等．原油管道漏點(diǎn)定位技術(shù)［J］．石油學(xué)報(bào)，1998（3）：105-109．

JIN S J，WANG L N，LI J，et al.A study on leak point locating of crude oil pipelines［J］.Acta Petrolei Sinica，1998（3）： 105-109.

［5］ YANG Z，XIONG Z，SHAO M.A new method of leak location for the natural gas pipeline based on wavelet analysis［J］.Energy，2010，35（9）： 3814-3820.

［6］ XU L，ZHAO Y，BAI X Q，et al.Leakage monitoring technology of oil pipeline and its application［C］∥IOP Conference Series：Earth and Environmental Science.Philadelphia： IOP Publishing Ltd，2020： 052001.

［7］ 王立寧，李健，靳世久．熱輸原油管道瞬態(tài)壓力波法泄漏點(diǎn)定位研究［J］．石油學(xué)報(bào)，2000（4）：93-96，124．

WANG L N，LI J，JIN S J.Pressure wave leak point instantaneous location of crude oil heating transport pipeline［J］.Acta Petrolei Sinica，2000（4）： 93-96，124.

［8］ 郎憲明，李平，曹江濤，等．長(zhǎng)輸油氣管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)研究進(jìn)展［J］．控制工程，2018，25（4）：621-629．

LANG X M，LI P，CAO J T，et al.REN Hong.A survey on long distance gas and oil leak detection and location techniques［J］.Control Engineering of China，2018，25（4）： 621-629.

［9］ 苗文成，孫秉才，許斌，等．油田集輸管道泄漏次聲波在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2023，49（3）：31-36．

MIAO W C，SUN B C，XU B，et al.Research on infrasound on-line monitoring of oilfield gathering and transportation pipeline leakage［J］.Industrial Safety and Environmental Protection，2023，49（3）： 31-36.

［10］ LIU J H，MA Y J，WU Z N，et al.Real-time pressure based diagnosis method for oil pipeline leakage［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University （Science），2017，22（2）： 233-239.

［11］ 尹淵博，袁辰，杜薈敏，等．基于擾動(dòng)響應(yīng)的輸油管道泄漏檢測(cè)方法［J］．振動(dòng)與沖擊，2022，41（23）：43-50．

YIN Y B，YUAN C，DU H M，et al.Leakage detection method of oil pipeline based on disturbance response［J］.Journal of Vibration and Shock，2022，41（23）： 43-50.

［12］ 李歡．LD-SAKER管道泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警定位系統(tǒng)應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015（3）：83-86．

LI H.Application of LD-SAKER pipeline leakage monitoring alarm positioning system［J］.Oil Field Equipment，2015（3）： 83-86.

［13］ 郎憲明，郭穎，高文帥，等．基于超聲波聲速的流體管道泄漏點(diǎn)定位方法［J］．信息與控制，2020，49（5）：546-551，559．

LANG X M，GUO Y，GAO W S，et al.Leak localization method for fluid pipeline leakage based on sound velocity of an ultrasonic signal［J］.Information and Control，2020，49（5）： 546-551，559.

［14］ LUKMAN A，EMMANUEL A，CHINONSO N，et al.An anti-theft oil pipeline vandalism detection：embedded system development［J］.International Journal of Engineering Science and Application，2018，2（2）： 55-64.

［15］ 杜永軍，時(shí)婷婷，郭鳳，等．基于RFID輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究與探討［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（9）：2155-2159．

DU Y J，SHI T T，GUO F，et al.The research of leak detetion technique of oil pipeline based on RFID［J］.Science Technology and Engineering，2010，10（9）： 2155-2159.

［16］ 嚴(yán)欣明，郝永梅，顧玉明，等．Matlab 小波變換在燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)中的試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)特種設(shè)備安全，2016，32（6）：14-17，83．

YAN X M，HAO Y M，GU Y M，et al.Application of matlab wavelet transform in leak detection of the gas pipeline［J］.China Special Equipment Safety，2016，32（6）： 14-17，83.

［17］ WANG Y N，JIANG Z D.Application of golay codes to distributed optical fiber sensor for long-distance oil pipeline leakage and external damage detection［J］.Chinese Optics Letters，2006，4（3）： 141-144.

［18］ 廉小親，蘇維均，田黎明．基于負(fù)壓波法的輸油管道泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（9）：2199-2202．

LIAN X Q，SU W J，TIAN L M.Leak detection and location system for oil pipe based on negative pressure wave method［J］.Computer Engineering and Design，2007，28（9）： 2199-2202.

［19］ 劉金海，臧東，汪剛．基于Markov特征的油氣管道泄漏檢測(cè)與定位方法［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（4）：944-951．

LIU J H，ZANG D，WANG G.Leakage detection and location method of oil and gas pipelines based on Markov features［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2017，38（4）： 944-951.

［20］ 肖雯雯，石鑫，許艷艷，等．改進(jìn)的音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在塔河油田的應(yīng)用研究［J］．安全、健康和環(huán)境，2019，19（6）：9-13．

XIAO W W，SHI X，XU Y Y，et al.The application of improved acoustic leak detection system in Tahe oilfield［J］.Safety Health & Environment，2019，19（6）： 9-13.

［21］ 吳海霞，蔣耘晨，趙顯利．運(yùn)用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)和定位［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：174-177．

WU H X，JIANG Y C，ZHAO X L.Implementation of leakage detection and location in oil pipelines using virtual instrument［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2004，24（2）： 174-177.