基于负压波的输气管道泄漏检测与定位方法_图文

1、第34卷增刊2中南工业大学学报(自然科学版2003年7月基于负压波的输气管道泄漏检测与定位方法 李炜,陈希平。毛海杰,潘纬(甘肃工业大学电信工程学院,甘肃兰州 730050摘要:将负压波法应用于天然气输气管道的泄漏检测与定位中,分析了影响负压波传播速度的因素,修正了定位公 式,并利用小波技术捕捉了压力突降点,从而提高了检测与定位的灵敏度与精度.关键词:泄漏检测与定位;负压波;小波变换;管道中图分类号:TP27长输管道作为一种经济、有效、环保的运输手 段,在石油、天然气等能源运输中发挥着独特的优 势.随着西气东输工程的日益建成,管道运输将在我 国国民经济中发挥越来越重要的作用.据统计,世界 上已

2、建成的管道达230多万km,在我国,1994年末 油气管道主干线达17378km1.由于长输管道距离 长,沿途多为荒漠、沼泽、戈壁或河流,人工巡检困 难;同时由于不可避免的老化、腐蚀及其他的自然、 人为损坏等多种原因,管道的泄漏时有发生,给人民 生活和生产都造成了巨大的经济损失,同时也污染 了环境.因此,管道的维护管理、泄漏的检测、保证管 道的安全运行已成为重要的研究课题,引起了全世 界各国的高度重视2.目前,有关管道泄漏检测与定位的方法很多,如 基于模型的方法、基于信号处理的方法及基于知识 的方法31等.基于模型的方法需建立管线的数学模 型,模型建立不准确时将严重影响检测与定位的精 度;基于

3、知识的方法正处于初步探索阶段,很多问题 有待于进一步解决.在20世纪90年代末期新建和 目前正在建设的油气传输线中,SCADA系统对各 类信号采集和传输均做了较为充分的基础工作,因 而基于信号处理的方法显示出良好的应用前景.在 基于信号处理的方法中,负压波法以其原理简单、检 测速度快等优点,日益受到人们的重视.然而在检测 精度与定位要求日益提高的情况下,该方法在实际 管线中的应用还存在一些不足.为此,本文作者研究 了该方法在天然气输气管道泄漏检测与定位的应用 中存在的问题,分析了影响负压波传播速度的因素, 并利用小波技术捕捉了压力突降点,提高了检测与 定位的精度. 1常规负压波法检测与定位原理

4、及存 在的问题当管道发生泄漏时,在泄漏处会引起压力突降, 形成一个负压波,该波以一定波速自泄漏点向管道 两端传播,安装在两端的压力传感器根据检测到的 压力变化即可判断是否发生泄漏,并根据接收到该 波的时间差及波在介质中的传播速度就可进行定 位.常规的定位公式为:x一学 (1其中:L为管道长度,m;X为泄漏点距首站的距 离,m;73为管输介质中压力波的传播速度,m/s;At 为上、下游传感器接收压力波的时间差,S.该方法大都基于负压波在管道介质中的传播速 度口为定值(一般认为是声波在介质中的传播速度 这一前提下作出的,而实际上u与介质的密度、压 力、比热容和管道的材质等均有关,并非常数.因此,

5、利用上式进行定位必然会带来较大的定位误差.同 时,由于不可避免地存在工业现场的电磁干扰、泵的 震动等因素,采集到的压力信号附有大量的噪声,这 使得精确采集压力突降点很困难.决定定位精度的 另一因素是上、下游传感器接收压力波的时间差出 的精度问题.因此,如何去除这些噪声的干扰,精确 捕捉到压力波的突降点是本文要解决的主要问题. 2负压波定位方法的改进2.1压力波速的改进负压波在天然气管道中的传播速度传统上认为收稿日期:20030321基金项目:甘肃工业大学校基金资助项目;甘肃工业大学优秀青年基金资助项目2003年7月 李炜,等:基于负压波的输气管道泄漏检测与定位方法 119是声波在介质中的传播速

6、度,它表现为一定值6.实 际上由于系统状态、工况等情况随时在发生变化,因 此,采用这一方法进行定位必然会带来很大的定位 误差.根据能量守恒原理,可得到压力波传播速度的 表达式嘲:厂丁一 砑 (2 其中:u为压力波波速,m/s,a。为气体压缩系数, Pa,P为气体密度,kg/m3;D为管道内径,mm;E 为管道弹性模量,Pa;e为管壁厚度,m.n 通常,对于E很大或e很大的刚性管壁,LLOtpe般为10_甚至更小的数量级,天然气传输管道恰好 具有此特性,故在满足精度要求情况下此公式又可 简化为:,:/上“a。P (3 由此可见,压力波的传播速度主要与流体密度 和压缩系数相关.众所周知,气体的密度

7、受其压力和 温度影响很大,同时气体的压缩系数也与这2个物 理量有很大关系.随着输气工艺的发展,天然气的长 输管道输送正朝着大口径、高压力的方向发展;同 时,由于管道距离长,温度的变化也很明显嘲,因此, 对压力波速的研究必须考虑压力、温度对流体密度、 压缩系数的影响,从而提高其精度.天然气压缩因子Z可由下列经验公式得出6|: 1由式(4和(5可知,a。是随丁和P的变化而变化 的.由气体状态方程可直接得天然气密度为:Pp(T,P一赢 (6 其中:R为气体常数,与通用气体常数品订的关系为: R=R面M. (7 其中:M为摩尔气体的质量,g/mol;其数值等于气体 的相对分子质量,一般地,对于天然气,

8、M= 17.1g/mol,故R=8.3143/t7.10.486J/gK. 故压力波波速口进而可写为:1u(T,P一=二=兰=二=. (8 /口,(T,P0(T,P2.2压力突降点的捕捉只有准确地捕捉到泄漏引发的压力突降特征 点,才能精确地获得压力波传播到上、下游传感器的 时间差,从而提高定位精度.而由于不可避免地存在 工业现场的电磁干扰、泵的震动等因素,使得采集到 的压力信号附有大量的噪声,因此,如何从噪声中准 确地提取信号的特征点是定位的关键.对此,采用具 有良好的时频局域特性的小波变换技术7.小波变换由于在时域和频域内同时具有良好的 局部化性质,可聚焦到对象的任何细节,因而被称为 数学分

9、析的“显微镜”.利用连续小波变换的时间一 尺度特性,可以有效地检测信号的奇异性.其原理是 引用数学上表征函数局部特征的李氏指数(Lipschi tz指数作为一种度量,当信号在奇异点附近的Lip schitz指数口>o时,其连续小波变换的模极大值随 尺度增大而增大;当a<0时,则随尺度的增大而减 小.与噪声对应的Lipschitz指数远小于0,而与信号 边沿对应的Lipschitz指数大于或等于0,因此,利用 小波变换可以区分噪声和信号边沿,有效地检测出 强噪声背景下的信号边沿(缓变或突变.采用Daubechies(dbl小波作为基本小波函数, 对一组发生泄漏时所得到的波形进行多尺度

10、分析, 仿真结果如图l所示.由图1可以看出,随尺度的增加,在d4层的小 波变换结果很明显地将原始信号的奇异点显示出 来;若再对其进行局部放大,则可清楚地看到信号突 变点的时域定位在一个非常小的范围之内,d 900.用同样的方法即可确定下游传感器接收压力波 的时间t。,从而得出出.2.3定位公式的改进由于系统的所有数据都由计算机进行采集和处 理,故式(1又可写为:X:L+v_X_AdX t, (9 Z其中:z;为采样时间,d为奇异点的位置差.考虑管 内气体流速对压力波速的影响,修正定位公式如下: X一丝二尘盟车盟些(10 厶口其中:“为气体流速,m/s,计算时可采用管线的平均 流速.120 中南

11、工业大学学报(自然科学版 第34卷增刊2lOt O一1010岢52心025寸055寸053仿真验证s=d6+dpd寸d寸a2+dl圈l 用dbl小波对态瞬压力波信号的特征边沿进行多尺度分析表1沿线各点的温度、压力及流速参数a.若直接按声波的波速仇一350m/s进行定 位,则其位置在X=98.68km处,相对误差为 2.OO%.b.若考虑压力和温度的影响,采用上述改进算 法,利用平均波速口一去s础=389.98m/s获得 的定位位置在X一100.65km处,定位误差为 0.05%(其中5;为修正系数,可根据实际工况对速 度口,进行修正,以尽可能地接近压力波的真实速 度.4结论研究了负压波法在天然

12、气输气管道泄漏检测与 定位中的应用,指出了常规负压波的缺陷;分析了在 输气管道中影响负压波传播速度的因素,并修正了 定位公式;同时,利用小波技术捕捉了压力突降点, 提高了检测与定位的精度;仿真实验取得了良好的 效果,从而证明了改进方法的有效性.参考文献:张仁忠,等.系统思想在管道运输泄漏监测、精确定位中的应 用J.系统工程理论与实践,1999,12(11:123127.张布悦,王贵增,等.输油管线泄漏检测与定位技术综述J. 上海海运学院学报,2001,22(3:13-16.李玉柱,苑明顺.流体力学M.北京:高等教育出版社, 1992.冯耀荣.未来十年我国油气管道用钢管发展中的几个课题J. 叫圈

13、嗍嗍嘲2003年7月 李炜,等:基于负压波的输气管道泄漏检测与定位方法焊管,2002,25(4.6姚光镇.输气管道设计与管理M.北京:石油大学出版社, 1991. 7潘 纬,李炜,基于小波变换的输气管道泄漏检测方法研究 口.计算机工程与应用,2002,(9:396398.Leak detection and location of the gas pipeline basedon negative pressure waveLI Wei,CHEN Xiping,MAO Haijie,PAN Wei(College of Electrical and Information Engineering,Gansu University of Technology,Lanzhou 730050,ChinaAbstract:The use of negative pressure wave method in gas pipeline is investigated,and the factors affecting the velocity of pressure wave are analysed.A modified location formula is presented.Wavelet transla tion is also used to get the f