（精密仪器及机械专业论文）基于瞬变流法管道泄漏检测若干技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 原油管道运输中的泄漏事故，不仅损失物质和污染环境，还有可能带来重大 的人身伤亡。近些年来，管道泄漏事故频繁发生，为保障管道安全运行和将泄漏 事故造成的危害减少到最小，需要研究泄漏检测技术以获得更高的泄漏检测灵敏 度和更准确的泄漏点定位精度。管道泄漏检测是多领域、跨学科的课题，涉及到 管道流体力学、热力学、传感技术、微弱信号检测、信号处理等多个学科，本文 对泄漏检测及定位技术进行了深入的研究。 本文针对小泄漏信号检测，分析和研究了基于附加微动态信号的实时模型法 的方法，推导出长输管道的压力和流量模型，从运用附加微动态信号方面考虑， 推导出长输管道的傅立叶级数解。分析了微动态信号装置的设计流程，设计了控 制波形信号的硬件电路和软件，实现了通过变频器、电动机和输油泵作用到输油 管道的首端形成微动态信号。对微动态信号在管道中的响应进行了仿真。 本文针对大泄漏信号检测，介绍了瞬态负压波法管道泄漏检测的基本原理， 分析了提升小波的基本原理及其优点，给出了运用提升小波提取泄漏信号的流程 图，通过在管道上实际采集数据的验证取得了满意的效果。 最后，本文采用虚拟仪器开发软件l a b v l e w 编程实现了基于附加微动态信号 的实时模型法和提升小波的瞬态负压波的算法。 关键词：微动态信号实时模型法提升小波瞬悉负压波泄漏检测 a b s t r a c t t h el e a ka c c i d e n t si np i p e l i n e st r a n s p o r t a t i o nn o to n l yc a u s eg r e a tl o s so f m a t e r i a l ，b u ta l s op o l l u t et h ee n v i r o n m e n t 。i nr e c e n ty e a r s ，i no r d e rt om a k es u r et h a t t h ep i p e l i n e sc a nw o r ks a f e l ya n dm i n i m i z et h el o s s e sc a u s e db yl e a ka c c i d e n t s ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yl e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yt or a i s et h es e n s i t i v i t yo fd e t e c t i o na n d a c c u r a c yo fl o c a l i z a t i o n p i p e l i n el e a kd e t e c t i o ni sam u l t i - f i e l do b j e c t ，w h i c hi n c l u d e s m a n ys u b j e c t s ，s u c ha sp i p e l i n eh y d r o d y n a m i c s ，t h e r m o d y n a m i c s ，s e n s o rt e c h n o l o g y , s u b t l es i g n a ld e t e c t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g t h ep i p e l i n el e a kd e t e c t i o na n d l o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h ec a u s eo fal i t t l el e a k , r e a lt i m ed e t e c t i o nm e t h o do fm i c r o d y n a m i cs i g n a l i ss t u d i e da n dt h em o d u l eb e t w e e np r e s s u r ea n df l u xi nt h ep i p e l i n ei sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r t a k e nm i c r o d y n a m i cs i g n a li n t oa c c o u n t ，t h ea n s w e r so ft h ef l u xa n d p r e s s u r ee q u a t i o ni nal o n gp i p e l i n ea r ew o r k e do u t d e s i g n i n gt h ep r o c e d u r eo f m i c r o d y n a m i cs i g n a ld e v i c ei sa n a l y z e d , c o n l r o l l e ds i g n a lb ys o f t w a r ea n dh a r d w a r e o ft h ec i r c u i ti sd e s i g n e da n di se f f e c t e dt h eb e g i n n i n go ft h ep i p e l i n et h r o u g h t r a n s d u c e r 、e l e c t r o m o t o ra n dp u m p i n gs t a t i o n t h er e s p o n s eo f m i c r o - d y n a m i cs i g n a l i nt h ep i p e l i n ei ss i m u l a t e d ， f o rt h ec a u s eo fm u c hl e a k , t h eb a s i so fi n s t a n t a n e o u sn e g a t i v ep r e s s u r ew a v et o d e t e c tt h ep i p e h n el e a ki sa n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h et h e o r ya n da d v a n t a g eo f t h el i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r mi sa n a l y z e d t h e n , i ti sp r e s e n t e dt h a tt h ef l o wg r a p ho f o b t a i n i n gt h ep i p e l i n el e a ks i g n a lu s i n gt h el i f t i n gw a v e l e ta n dt h r o u g hp r a c t i c a le x - p e r i m e n t sw eg e ts a t i s f i e dr e s u l t s 。 a tl a s t ，i ti sw o r k e do u tt h a tt h ep r o g r a mo fr e a lt i m ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do n m i c r o d y n a m i cs i g n a la n di n s t a n t a n e o u sn e g a t i v ep r e s s u r ew a v em e t h o db a s e do i l l i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r mb yl a b v l e w k e y w o r d s ：m i c r o d y n a m i cs i g n a l ，r e a lt i m ed e t e c t i o nm e t h o d , l i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m , i n s t a n t a n e o u sn e g a t i v ep r e s s u r e l e a kd e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构( ：。学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：新j 务泵盏签字日期： 刀卯 年f 月 2 l r t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向固家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学砬论文作者签名：郭j 芙移盏导师签名： 李( 之 签字同期：z 0 0 7月2 矿同签字同期：勿吵年 石月7 同 第一章绪论 1 1 管道运输现状 第一章绪论 现代管道运输起始于1 9 世纪中叶，经过最近一百多年的发展，管道运输业 已成为与铁路运输、公路运输、航空运输和水上运输并行的五大运输手段之一。 管道运输是使用管道输送流体货物的一种运输方式，一般管道内所装的流体属于 燃料一类，例如油品、天然气、二氧化碳气体、煤浆及其它矿浆等。同其它的几 种运输方式相比，三管道输送具有以下的特点：第一，管道易于实现连续运输， 输送能力强，效率高，减少了转运换装环节，同时还可以进行自动化处理；第二， 管道建设投资省、见效快、占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周 期和费用均不到铁路的1 2 ，占地只有铁路的1 9 ，并且管道建成投产后，9 0 的 土地可恢复使用；第三，运输过程可实现完全密闭化，效率高、损耗低，燃料消 耗是铁路的1 2 ，是公路的1 9 ，运输损耗是铁路的1 3 ，是公路的1 2 第四，受 地面的复杂环境的影响很小。所以管道输送在运送气体、液体、浆体等散装物品 方面具有其它方式所没有的优势，管道工业的经济生产总值在国家的经济生产总 值中占有很大的比例四。管道就像是人体内担负着血液运输任务的血管一样，在 经济发展中正起着无可比拟的重要作用【l 】。 我国是最早使用管道输送液体的国家，管道运输历史很长，但直到解放初期 我国还没有一条适合长距离输油的管道。1 9 5 7 年我国修建了第一条长距离输油 管道从克拉玛依油田到独山子炼厂，该管道全长1 4 7 k m ，管径1 5 0 m m 。随后在 1 9 6 5 年胜利油田建设了由东营至辛店炼厂的输油管道，管径4 2 6 m m ，全长约 8 0 k m 。7 0 年代我国迫切需要解决原油外输问题，特别是由于大庆油田的开发， 问题更加需要解决，因此在1 9 7 0 年8 月3 日国家批准兴建东北地区输油管道， 第一期工程是大庆至抚顺，干线全长5 9 3 k m ，管径7 2 0 m m ，平均年输送能力2 0 0 0 万吨。从那以后，随着油田的开发，长输管道建设进入了一个相对快速的发展时 期，例如比较有影响的管道，大庆铁岭大连及大庆一铁岭一秦皇岛的两条管 道的建成，其中庆铁线全长5 1 3 6 4 8 k m ，管径7 2 0 r a m ，铁大线全长4 6 0 k m ，管径 7 2 0 m m ，铁秦线全长4 5 4 2 5 k m ，管径7 2 0 m m 。1 9 7 5 年建成全长3 4 7 7 k m ，管径 5 2 9 m m 的秦京( 秦皇岛一北京) 线和任京线( 任丘一北京) 。另一个也非常突出的是 1 9 7 4 年，修建了从中国到朝鲜的跨国输油管道，这是我国历史上的第一条跨国 输油管道。 第一章绪论 进入9 0 年代后，在管道建设方面又有了新的突破，建成了一系列新的长输 管道，油气长输管道每年敷设长度超过4 0 0 公里，东北、华北、华东管网逐步完 善。例如：1 9 9 5 年，建成了全长2 4 6 k m 的抚顺一营口跋鱼圈商用成品油输送管 道。1 9 9 7 年，起自库尔勒输油首站，终到鄯善火车西站末站的输油管道，全长 4 7 6 k m ，管径6 1 0 m m ，设计年输量为5 0 0 至1 0 0 0 万吨的库鄯线通油，将塔里木 的石油通过园善末站经兰新铁路运往内地，“西油东调”变成现实。到1 9 9 6 年底， 全国已建成长输油、气管道3 9 5 条，其中：输油管道1 7 8 条( 原油管道8 l 条，成 品油管道9 7 条) ；输气管道2 1 7 条( 天然气管道1 9 2 条，其它气体管道2 5 条) ，总 长度1 7 2 3 1 3 7 万公里。初步形成了东北、华北、中原、华东和西北广大地区的 地下管道运输网络，全国石油、天然气产量的9 0 通过长输管道源源不断地输向 炼油厂、化工厂及海运码头1 2 。 尽管我国管道运输事业取得了以上的巨大成就，但是与一些发达国家相比， 还有相当遥远的距离。到1 9 9 4 年底，我国长距离管道是世界管道总长度的1 9 2 ， 美国的1 4 0 ，原苏联的1 1 8 ；美国的管道运输量占全国货运周转量的2 4 ，而 我国仅占2 左右。从全世界长输管道建设的资料来看，我国的管道运输工业处 在一个既充满生机，又富有挑战的新时期，必将随着国民经济的持续快速发展而 大有作为。 1 2 管道泄漏检测方法概述 建立管道泄漏监测系统，及时准确报告泄漏事故的范围和程度，可以最大限 度地减少经济损失和环境污染及更大危险的发生。对一种泄漏检测方法优劣或一 个检漏系统性能的评价，应从以下几个方面加以考虑【3 ，够，6 1 。 ( 1 ) 灵敏性：检漏系统能检测出管道泄漏的大小范围，主要是多小的泄漏量 能够发出正确的报警提示； ( 2 ) 定位精度：发生泄漏时，系统对泄漏点位置确定的误差范围； ( 3 ) 检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏所需要的时间； ( 4 ) 有效性：是否能连续检测整条管道； ( 5 ) 准确性：能够准确地检测出泄漏，因操作失误或设备故障等因素发出误 报警的比率是否较低； ( 6 ) 适应能力：是指检漏方法能否对不同的管道环境，不同的输送介质及管 道特征发生变化时，仍然能否进行泄漏检测。 ( 7 ) 可维护性：可维护性是指系统运行时对操作者有多大要求，及当系统发 生故障时，能否简单快速地进行维修。 、 2 第一章绪论 ( 8 ) 性价比：性价比是指系统所能提供性能的比值与系统建设、运行及维护 的花费的比值。 管道泄漏检测方法的研究到目前为止已有几十年的历史，可是由于检测的复 杂性，如管道所处的环境( 如地上、管沟、埋地、海底) 的多样性，泄漏形式的多 样性( 渗漏、穿孔、断裂等) 以及管道输送介质的多样性，使得我们不可能通过 一种方法解决管道检测中所有的问题。在实际应用中，我们必须根据不同油品属 性以及造成泄漏的原因结合多种不同的检漏方法，才能达到较好的监测效果。以 下对国内外常见的基于瞬变流法的管道泄漏检测技术作简单介绍： 1 分段试压法 沿管道分段关闭截断阀门，观测关闭段的压力下降的变化，从而判断泄漏的 程度和位置。美国管道运输部制定的管道安全规则要求，对全部新建管道在首次 运行以前和对管道改线、更换管段后重新运行以前都要进行这种试验。由于检测 时需要管道分段停运影响了正常生产，而且不能及时准确定位泄漏点位置。长输 管道检测工作量较大，检测时间较长，因此这种方法无法用于实时监测管道运行 工况。 2 质量流量平衡法 流量平衡法是根据质量守恒定律，判断管道入口的流量和出口的流量，如果 入口流量大于出口流量，就可以判断出在管道中间某个位置发生了泄漏。这种方 法虽然简单，易于实现，但是检测精度受到进口和出口两端的流量计的精度限制， 最重要的原因是不能对泄漏点的位置进行定位。对于加热输送的管道，需要计算 沿程温降对流体密度和体积的影响，这种方法在实际的管道泄漏检测中对于复杂 的系统不适用。 3 应力波法 管线由于腐蚀、人为打孔等原因破裂时，管内高压流体由破裂处喷出，由于 与管壁的相互作用，产生一个高频的振动，以应力波的形式沿管壁传播。管壁的 阻尼作用使得只有一定频率的波才能传播较远距离，这与管道的振动模型有关， 应力波与管道的振动能传播较远的距离。由泄漏引起的管壁振动包括横振动、纵 振动和圆环振动，圆环振动与泄漏密切相关【7 】。安装在管道上的相应传感器检测 到应力波，经过处理后能确定是否有泄漏和对泄漏点定位。此种装置一般制成便 携式，由管线维护人员携带着沿管线检测，通过信号的强度可指示出噪声源。 早期的应力波法检漏仪为听漏仪，一般应于城市供水和煤气管网的泄漏检 第一章绪论 测。但随着城市噪声的显著增加，听声法已经逐渐被淘汰。微漏产生的信号微弱， 由于应力波衰减的影响，能够检测到的距离受到限制，若要对长距离的管道检漏， 则必须沿管道安装许多传感器。对于埋地输油管道，阻尼作用更加明显。该方法 不适于埋地输油管道的检测。 4 瞬态负压波法 当管道发生泄漏时，泄漏处由于物质损失造成压力突然下降，压降由泄漏处 向上、下游传播，称之为负压波。由于管壁的波导作用，负压波传播过程衰减较 小，可以传播相当远的距离，其传播速度与声波在流体中的传播速度相同。利用 负压波通过上、下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播速度，可以确定 泄漏位置。为了提高泄漏检测的灵敏度，还可运用相关技术对管道两端传感器接 收的信号进行相关分析。 运用负压波算法分析时，经常运用相关分析法、时间序列分析法和小波变换 法。通过对信号进行算法处理，获得管道泄漏信号的拐点，从而根据上、下游不 同的突变点，计算出时间差，再根据瞬态负压波在管道中传播的波速，从而确定 管道的泄漏位置。此种方法具有较高的灵敏度和定位准确度，是目前国际上广泛 重视的管道泄漏检测和漏点定位方法。本文在这面作了大量的工作，在负压波检 测方面提出了新的方法。 t o s h i of u k u d a 提出了基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测方法【8 1 。 该方法通过自回归模型对管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析，用以检测 出管道的泄漏。此种方法建立起的回归模型不包含管道流体模型，对于仪表精度 要求不高。但这种方法的模型可能偏离实际管道，而且对管道动态变化敏感，抗 干扰性较差。 5 流量或压力突变法 这是管道检漏最直接的方式之一。在运行管道上的泄漏将引起上游流量的增 加，同时上游和下游的压力减小。泄漏引起的压降在泄漏点最大，向泄漏段的首、 尾端逐渐减小。当出入口流量或压力瞬间发生较大变化时，表明管道可能发生泄 漏。这种方法一般只用于稳态流的非压缩性流体，仅能探测到较大的泄漏，并且 不能确定泄漏位置。 x j z h a n g 提出旧1 了一种基于动态质量平衡的气体和液体管道的统计检漏 法。该方法不需要建立管道动态模型，根据管道出入口的流量和压力，连续计算 压力和流量之间变化的关系。当流体在管道内泄漏时，流量和压力之间的关系总 会变化。应用序列概率比试验( s p r t ) 方法和模式识别技术，可检测到这种变化。 4 第一章绪论 当泄漏确定之后，用最小二乘法进行泄漏定位。壳牌公司将此套系统安装于多条 气体和液体管道，并达到较为可靠的性能1 0 1 ”。这种统计检漏系统主要的优点是 原理简单，维护方便，适用性好。缺点是检漏精度受仪表精度影响大，定位精度 差。 6 实时模型法n 2 ，” 1 t 1 墨1 们 实时模型法认为流体输送管道是一个复杂的水力与热力系统，根据瞬交流的 水力模型和热力模型及沿程摩阻的达西公式建立起管道的实时模型，以测量的压 力、流量等参数作为边界条件，由模型估计管道内的压力、流量等参数值，估计 值与实测值比较，当偏差大于给定值时，即认为发生了泄漏。由于影响管道动态 仿真计算精度的因素众多，因此采用该方法进行检漏及定位的难度很大。 近年来随着计算机技术、现代控制理论的发展，实时模型法是国际上着力研 究的检测管道泄漏的方法。应用信息处理方法对管道故障建模分析是近年来的发 展热点，国内外的很多机构、学者都对这一问题进行研究、探讨，较具体的研究 现状将在下一节中提到。研究结果大都是在实验室的模拟管道上得出的，并未在 实际管道上进行验证，但是利用实时模型故障诊断法对管道泄漏检测和定位，是 一项具有良好发展前景的先进技术。此类方法普遍的缺点是要求管道模型准确， 运算量大，对仪表要求高。根据实际情况，可将系统设计成对每个管段进行静态 泄漏检测的系统或设计成具有动态泄漏检测能力的瞬态模拟系统。s c a d a 采集并 处理数据，控制管线实时模型的运行、报警的激励以及一些监控子程序的运行。 大多数现代的s c a d a 系统还包括了检验子程序，在正式计算以前确定数据的有效 性。除了这些基本功能外，有一些更先进的s c a d a 系统能够预测模型进行分析， 并根据不同操作情况采取相应策略，如自动起动和切断程序等。 s a a s h t o n e t a l t j 用非线性观测器假定沿管线进行额外的测量来产生残差， 这种假设从实际应用的角度有一定的劣势。z k o w a l s z u ke ta l l l 8 】建议通过采用解 偏微分方程的特征线方法与泄漏点的效用有关联的模型及沿管线采用a s h t o n 的 方法中提到的额外传感器的方法来提高模型的复杂程度。l i o u ( 1 9 9 6 ) 0 9 】提出了一 种基于在线识别流体的冲击响应的方法来探测响应的交化从而确定泄漏点的位 置，但只有仿真结果。v e r d e ( 2 0 0 1 ) 2 0 提出了一种定位管线上泄漏点位置的方法， 当输送管道的两端可以测量时，采用最小非线性度的观测器估算流量偏差，并用 泄漏点的一系列非线性方程计算泄漏位置，但只是在实验室中一段长1 5 0 米的管 线上作了试验。 5 第一章绪论 上面介绍了现在国内外的基于瞬变流的管道泄漏检测研究的方法，本文主要 是基于实时模型法和瞬态负压波的瞬变流的研究。其中实时模型法采用的方法是 在管道的首端加微动态信号，分析微动态信号在管道中响应的变化情况，从而确 定管道是否发生泄漏以及定位泄漏位置。瞬态负压波有很多种处理方法，本文主 要运用了提升小波对泄漏信号进行分析，从而减少了计算特征拐点的时间，提高 了速度。 1 3 本文的主要工作和研究意义 随着经济发展对石油需求的增大，管道作为国民经济中担任重要运输作用的 工具，维护管道的安全运行，防止管道生产事故的发生是管道工业生产和管理部 门一项很重要的工作。作为管道事故中的泄漏事故一旦发生，不仅造成大量物质 损失，泄漏的有毒化学物质还带来环境污染，更为严重的是有可能带来人身伤亡 事故。管道泄漏检测是多领域、跨学科的课题，涉及到管道流体力学、热力学、 传感技术、微弱信号检测、信号处理等多个学科。 在实际的管道泄漏中，发生的大多数泄漏是由偷盗的人利用专门的工具在管 道上进行打孔造成的。在这种情况下，管道泄漏信号是突变信号，可以通过负压 波的方法进行检测。本文使用的方法是基于提升小波的瞬态负压波法，分析泄漏 信号确定信号的拐点，详细的内容在本文的第3 章中作了介绍。另方面，管道 泄漏也可能由于其它原因造成的，例如：由于自然因素超过了管道的使用期限从 而造成泄漏。在这种情况下管道泄漏信号是缓慢变化的，使用瞬态负压波对管道 进行泄漏检测不能得到很好的效果，故本文提出了使用微动态信号的实时模型法 对管道进行泄漏检测。这种方法在一定条件下可以检测出不容易发现的小泄漏。 因此本文的研究具有重要的意义。 本文的研究主要分以下几个方面： 1 检索和查阅了国内外近年来基于瞬变流原理的原油管道泄漏检测方法， 特别是关于瞬变流的瞬态负压波和实时模型法等方面的文献和资料，对 现有的技术作了大量的研究和分析。 2 针对小泄漏信号的检测，研究了基于附加微动态信号的实时模型法。从 流体力学的能量守恒定律和动量守恒定律的公式，推导了长输管道的压 力和流量的数学模型，从运用微动态信号的方面考虑，推导出长输管道 的傅立叶级数解。从对管道泄漏检测的目的出发，提出了进行泄漏检测 和定位的整体过程。设计了控制波形信号的硬件电路和软件，通过控制 信号改变变频器的输出频率来控制电动机的转速，达到控制输油泵压力 6 第一章绪论 变化的目的，得到瞬变扬程的方案。对附加微动态信号在管道中的响应 进行了仿真，在一定条件下能够实现泄漏定位，但随着管道长度的增加， 衰减因数迅速增加，使这种方法的应用受到限制。 3 针对大泄漏信号的检测，介绍了瞬态负压波进行泄漏检测的基本原理。 分析了提升小波的基本原理及其优点，把提升小波的方法运用到负压波 泄漏检测中，给出了提升小波进行信号特征提取的信号流程图，并通过 实际数据的验证取得了满意的效果，速度提高了近似1 倍。 4 分析了长输管道实时泄漏监测系统的软件设计，采用虚拟仪器开发软件 l a b v i e w 编程实现了基于附加微动态信号的实时模型法和提升小波的瞬 态负压波的算法。 7 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 当长距离输送管道发生大的泄漏时，其流量、压力等参数会产生明显的变化， 此时应用瞬态负压波进行泄漏检测是十分有效的，可以快速准确地判断并定位泄 漏。但随着管道寿命的增加，管输介质对管壁的腐蚀以及焊缝缺陷等因素会导致 小泄漏的发生，此类泄漏其泄漏总量较小，管道参数的变化不明显或者这种变化 非常缓慢，基于大泄漏时的管道检测方法无法将其检测出来，如果仅是降低判断 泄漏的阂值来检测小泄漏，必然导致误报警率增加。因此针对小泄漏的检测必须 寻找新的方法。 实时模型法是瞬变流方法中的一种，本文采用的实时模型法是在管道首端附 加微动态信号进行泄漏检测，是新发展起来的一种检测技术。本文对这种方法进 行了深入的分析和研究。在一定条件下，这种方法对小泄漏的检测十分有效。 2 1 实时模型法理论推导及泄漏检测分析 基于微动态信号的实时模型法首先根据在管道内流体的能量守恒定律和动 量守恒定律推导出长输管道的模型；然后从管道首端附加微动态信号的角度推出 了管道模型的傅立叶级数解的形式；最后从运用实时模型法进行管道泄漏检测的 目的出发，根据傅立叶解的形式提出了泄漏分析，泄漏判断和泄漏定位的方法， 并给出了使用附加微动态信号的整体过程。图2 一l 为实时模型法理论推导及泄漏 分析的结构框图。 j 长输管道运用微动态信 k 泄漏检测 l 模型的建立 ， 号的分析推导 r 分析及定位 图2 - 1 实时模型法理论推导及泄漏分析的结构框图 2 1 1 长输管道模型的建立 原油输送管道内液体的流动状态可分为稳定和不稳定两大类，稳定流动是管 道流动的基本状态，不稳定流动是由于稳定流动受到破坏而引起，例如开阀和关 8 第二章基于实时模犁法管道泄漏检测研究 阀、启泵和停泵、调节阀和安全阀动作、动力故障等各种原因引起管内压力波动， 同时这种压力波动会沿管道向上、下游传播，引起整个管道内流体的瞬变流动。 工程上的不稳定流引起管道超压、噪声、抽空和振动比起由稳定流分析所得的结 果要严重得多，水流的不稳定现象称为水击( w a t e r h a m m e r ) 。 突发性的泄漏也是一种管道的流动瞬变现象，泄漏发生时，也会产生沿管道 向上、下游传播的水击波，并且能在管道系统的边界点处( 如泵出口、阀门、下 游储罐以及泄漏孔处等) 发生反射，得以继续传播，由于沿程摩阻和管线充装作 用，水击波传播过程中会不断衰减。管道从发生瞬变过渡到新稳态的过程就是水 击波传播、反射、叠加、衰减的过程，所以从理论上深入研究不同情况下水击波 的传播过程及给管线压力、流量带来的变化，有助于理解瞬变压力波的规律，对 于泄漏的判断和识别也有指导意义【2 l 】。 原油输送管道的流动瞬变分析模型建立在以下假设的基础上：1 ) 流动是一 维的；2 ) 流动具有非定常性；3 ) 流体是不可压缩的；4 ) 流动是具有粘性的。 根据能量守恒定律得出在管道中没有泄漏时的流体方程： 击( 厶) ) 【+ 杀( p a v ) 将p q l ( 2 - 1 ) 其中x = 距管道首端的距离；t = 时间；p = 流体密度；a = 管道的横截面积；v ： 流体速度；q l = 流体的泄漏速度。把方程( 2 一1 ) 式除以x ，再使x 趋于零得 出： 丢( p a ) + 丢( p a v ) 一p q l 5 ( x - x l ) ( 2 - 2 ) 5 ( x x l ) 的函数定义为，如果x = x l ，6 ( x - - x l ) - - - - 0 0 ，其它6 ( x x l ) = 0 ；则 ( 2 - 3 ) 其中，= 距泄漏点处的微小距离。考虑到水的压力和管道的弹力，方程( 2 - 2 ) 可以简化为： 等+ 呈罢+ 刍票+ 丢q 6 c z 一屯，= 。 c 2 卅 9 = 出 l x x6 h r j 卜 炽 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 其中，h = 压头；q = 流体流量；a - - 流体波速；g = 重力加速度。当在管道中存在泄 漏时根据动量守恒定律得： 塑+上望+导望+三矛20 xg a0 tg a 0 x一掣= 。 ( 2 _ 5 ) 2 2 p 鲥2鲥2 、 7 其中，f = 摩擦因数和d = 管道半径。在方程( 2 - 5 ) 中的最后一项是由管道泄 漏时流体的不连续性造成的。在附加微动态信号的事件中，一般认为在方程( 2 - 5 ) 中的稳定摩擦因数是恒定不变的。 管道排出泄漏量的大小与泄漏孔和管道泄漏处的压差有关，故泄漏量可表示 为： q = c 4 止面 ( 2 - 6 ) 其中m - l = 吼一气= 泄漏孔处的压力差：也= 泄漏孔处管内压头；z l = 泄漏孔处 管外压头；g = 孔口流速，一般为0 9 8 0 9 9 ；4 = 泄漏孔的横截面积。为了方 便计算，根据下列原则，将方程( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 中的参数简化为无量纲参 数： 肌争。妒申2 虽6 f 啡缸( 2 - 7 ， 其中h ，= 管道首端压头；l = 管道长度；q 。= 流体稳定流速。把方程( 2 - 7 ) 代入 将方程( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 中的参数简化为无量纲参数，方程( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 得： 百o h + = v o 百q * o h + 堕i o h + 堕盟厕厕( ：o + 口 l 扩o a 1 4 1 珈( ) 。 1 、x - x d l 。(2-8)0to x g a l lo x _ g a _ h , i o h + 娶+ 堡q 娶+ 盟( q ) 2 q 口o x o t 口。o x 2 d a 口、。7 一导华q 厨( x 吲：o ) 口 g 。 、 “、7 由于圪口远远小于1 ，所以可以忽略方程( 2 8 ) 中的第2 ，3 项以及方程( 2 9 ) 中的最后一项。因此方程( 2 8 ) 和( 2 - 9 ) 可以简化为 1 0 第二章基于实时模犁法管道泄漏检测研究 等+ 专万o q + m 厕( h 犯= 。( 2 - 1 0 ) f a 1 l 。* + 娶+ r q 一：o 舐a ( 2 1 1 ) 其中r二盟，肘=一caal丽2a2ada a 卜爱。方瓢m 和，被用来描述管道的2 幽口 7 。 特征1 2 2 , 2 3 1 。 2 1 2 运用微动态信号的分析推导 日和q 为稳定状态和微动态变化信号的总和，即： h + = 厶酝+ 办，q = 珐+ g 。 ( 2 - 1 2 ) 其中，办+ = 无量纲的微动态压头；域= 无量纲的稳定压头；g = 无量纲微动态 流量：或= 无量纲稳定流量。当仅保留有限项，方程( 2 1 0 ) 中的根号下的表达 式可以简化为 瓜= 厢= 瓜再= 厅瓜+ 壶协坳 其中峨= 研- z ；= 泄漏时的无量纲压差；z = 泄漏处管道内部无量纲压头；z z = 泄漏处管道外部无量纲压头；吒2 泄漏处管道内部稳定的无量纲压头。方程 ( 2 - 1 3 ) 的线性误差是 。厩一( 厄+ 表 白2 面f 一 把方程( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 代入到方程( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，并且忽略唧和( g ) 2 得出 等+ 专等+ m 2 面h 6 ( x - x l o t 肛。1 f 敏 2 0 龃：j 7。1 f 熹+ 等枷g = o ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 化简方程( 2 1 4 ) 可得 豢土薯：一石oh一m害；8(x-xl)l(2-16)fa 。改a 2 、； 对方程( 2 1 4 ) 求t 的偏导减去对方程( 2 1 5 ) 求x 的偏导，与方程( 2 1 6 ) 联 立后可得： 豢= 豢郴鬻，等一2 胧鬻弘- 乃 方程( 2 1 7 ) 可化简成 罟= 等+ 【2 r + f l 6 f 学枷f l 6 ( x 。h ( 2 - 1 8 ) 其中，f l = m 2 t 函：是泄漏因数。因为h 乙= ( 也- z l ) i h i ，如果z l - - o ，泄 漏因数为 五=：盟t 竺( 2 - 1 9 ) a 0 2 9 hk 其中心= 泄漏孔处管道内的稳定压头。 在管道中初始化微动态信号，并满足下列条件： f ( ) 【) ：= h + ( x 1 , o ) 和g ( 】【) = = - ! 掣 ( 2 ，2 。) 其中，f ( x ) 和g ( x ) 是在范围0 x 1 的连续函数。根据管道模型推导得出的方 程( 2 - 1 8 ) 的解，以傅立叶级数的形式展开得： h ( x ) ：兰 e - ( r + 础x a 。c o s 4 ( n n r ) 2 一 - 4 r r l - ( r + r l ) 2 t 。( 2 - 2 1 ) +bsin4(nn)2-4rrl-(r+r,r)2tsin(n刀工) 1 2 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 其中，如2 了c a a l 丽a ( 疗万x d ( 拧= 1 ，2 ，3 ) 吒2 第n 项的泄漏衰减因数， 砭= 距离管道首端泄漏处的无量纲位置。由于r l 和r 的正常值比单位1 小很多， 因此方程( 2 - 2 1 ) 可近似等价于 h ( x + ，t ) = e 一肌，挝a 。c o s ( n z t ) + b 。s i n ( n n - t ) s i n ( n l r x ) ) ( 2 2 2 ) n = l 其中，傅立叶系数a 。和b 。分别是 a 。= 2 f 厂( z ) s i n ( n 嬲) 出 鼠= 去胁灿( 耐彬+ 警 0 = l ，2 ，3 ) ( 打= l ，2 ，3 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 在方程( 2 2 2 ) 中，摩擦衰减系数尺( = 丘骁2 a d a ) 是恒定不变的， f o u r i e r 分 项是摩擦指数衰减的，该衰减对所有分项是等同的，从求和项中可以取出e 确。 对比之下，方程( 2 2 1 ) 中的泄衰减因数与n 有关，对每个分项是不同的， 故方程( 2 2 2 ) 中的求和符号中不能从求和项中提出来。通过以上的分析，得知 f o u r i e r 分项的泄漏衰减的确是以指数形式衰减1 2 4 2 5 1 。 2 1 3 泄漏检测分析及定位 方程( 2 2 2 ) 的解指示了在任何点测量管道内的微动态信号都是一系列的谐 波函数分项之和，谐波函数分项以指数衰减的速度是r + 月。，。如果不稳定摩擦影 响可以忽略，摩擦衰减因数r 可以通过现场管道的特征求出来。通过测量管道的 微动态信号，可以从谐波函数的分项中求出衰减速度r + r 再从r + r ，中减 去天得到泄漏衰减因数砖，。 在单位时间里沿着管道测量不同点的微动态信号压力，可以得到空间域数 据。在管道某一个位置可以很容易获得微动态信号随时问变化的数据，即得到时 间域数据。因此，在实际的管道上测量压力数据时，可以获得两种类型的数据一 一空间域和时间域的数据，可以利用这2 种数据估算衰减因数尺+ r ，。由于时间 域数据容易获得，且安装的压力变送器的数量少，成本低，所以采用时问域数据 估算衰减因数。 在方程( 2 2 1 ) 中影响泄漏衰减系数见。的因素包括泄漏大小e 彳，泄漏位 置工：和谐波函数分项n 。系统可利用心：定位泄漏位置。 泄漏检测和定位的整体过程如下： 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 ( 1 ) 在管道中引入有规则的微动态信号，管道在输送液体时必须保证输送 端的压力在一定范围内，防止压力过大损坏管道或压力过小变送器检测不到，所 以引入的微动态信号的幅值不能太大影响管道输送的正常工作，或过小影响压力 变送器的测量分析。 ( 2 ) 利用压力变送器测量管道的上的压力数据，可以取1 令点也可以取多 个点，取多个点可以降低随机误差等一些偶然因素，增加了泄漏定位的准确性。 ( 3 ) 将采集到的压力数据可划分为不同的周期数据，但至少需要2 个的独 立周期数据，才能满足后面的数据分析，否则这种方法的应用将受到限制，不能 进行泄漏定位。 ( 4 ) 运用傅立叶变换如离散傅立叶变换或快速傅立叶变换，分离采集到的 微动态信号的谐波函数分项，计算每个分项的大小。n 次谐波函数和t 次周期的 幅值可表示为 最= 轳x 咿 ( 2 2 5 ) 鼽e = ! 竺竺叫厢，e 是第一肭的n 次谐 其中，岛= 弋鬲五f 一叫豫嬲n 犀+ 域，e 是第一周期的n 次谐 波分量的幅值；r ：= 采集数据的开始时间；t 。= 归一化后的周期，它的定义为 t = , ( l 口) ，t 为微动态信号在管道内传播的自然周期。 ( 5 ) 对不同的分量n ，可以求出e 的傅立叶变换的幅值。在方程( 2 - 2 5 ) 的形式中通过幅度谱分析，可以解指数函数估算出衰减系数r + 疋o 其中e 为 初始化的幅值和尺+ 足，为衰减因数。 ( 6 ) 通过分析不同项的衰减因数确定是否发生泄漏，以及定位泄漏位置。 2 1 3 1 泄漏发生的判断 当管道没有泄漏时，方程( 2 - 2 2 ) 中的c a 。= 0 ，所以r 。= 0 ；每一项幅 值的衰减因数是一样的，仅与摩擦衰减因数r 有关。可以通过以下2 种方法表明 泄漏是否存在：( 1 ) 在步骤5 中分解的谐波函数分项的衰减因数r + r 柑是不同的， 即不同的分项衰减凶数各不相同。( 2 ) 对于每一项的衰减因数都大于稳定摩擦衰 减因数r 。出现上述中的任何一种情况，都表明发生了泄漏。 泄漏衰减幅值的大小与泄漏位置以及方程( 2 - 2 2 ) 中的正弦函数n 有关。不 同的分项对于泄漏有不同的反应，从而依据这个事实进行泄漏定位。 1 4 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 2 1 3 2 泄漏的定位 对采集得到的微动态压力信号进行傅立叶变换，求出每组谐波函数不同分项 的幅值衰减因数，进而估算出泄漏位置。假定n = n 。和n = n ：，此时的泄漏衰减 因数是 r d l l 。币c d a 菰l a s i l l 2 ( ，z i 碗) 和r n z l = 币c d a 露a s i l l 2 ( 刀z 碱) ( 2 - 2 6 ) 这两项之比是 ( 2 - 2 7 ) 此公式为泄漏定位的基础公式。 根据采集到的微动态信号，通过分析每个周期彰的幅值大小估算谐波函数 分项的衰减因数r + r ，。而摩擦衰减因数r 可以通过管道的特征求出来，从 天+ 疋，中减去灭得到泄漏衰减因数足，再根据方程( 2 - 2 7 ) 中的解能求出泄漏 位置五。 由于正弦函数具有相似性，在2 个谐波函数分项和泄漏位置之间的关系不是 唯一的。对于高次谐波函数分项的幅值衰减因数比值，1 个衰减因数比值可以求 出很多种泄漏位置，因此需要多个谐波函数分项进行泄漏检测的分析和研究。 2 2 微动态信号装置的设计 经过以上的分析可知，运用附加微动态信号的实时模型法，首先必须在管道 的首端加上微动态信号。图2 - 2 给出微动态信号装置在管道上的位置示意图。图 2 3 给出了设计微动态信号装置的过程框图，从输油泵开始，经过电动机、变频 器到波形控制信号。 盟确堑 堕目 = 垒 第二章基于实时模型法管道泄漏检测研究 长输管道 图2 ，2 微动态信号装置在长输管道上的示意图 选择输油泵选择电动机变频器控制 k k 波形描腊 r 的调速方式频率的选择 ， 的调节方式 图2 3 微动态信号装置设计框图 2 2 1 输油泵的调节方式选择 在长输管线上，输油泵的工作任务就是不断地向管路中输入一定量的，具 有一定压力的油品，即给油流供应一定的压力能。泵的工作特性即指在各种情况 下，泵站所输出的流量q 和压头h 之间的相互关系。 泵站的压力能来自站上所装备的泵机组，故泵站的工作特性就是各泵机组的 工作特性综合。泵机组的工作特性不仅取决于泵的类型和规格，还与驱动泵的匹 配电机的规格密切相关。泵的转速，排量和扬程，决定于电动机的转速，扭转和 功率。我国长输管线上应用较多的输油泵是d k s 7 5 0 - 5 5 0 ，其工作叶轮直径为4 1 0 毫米，泵轴转速为2 9 8 0 转分。如要调整输油泵的工作特性，可通过下面方法来 调节f 2 6 】： ( 1 ) 通过改变叶轮直径来改变泵的流量，扬程和功率。如“”表示叶轮直 径车小后泵的各项系数，当叶轮直径d 不同时，泵机组的排量q ，扬程h 和功率 n 问的变化关系存在如下规律。对于低转速的泵，叶轮外径稍有减小，其出口宽