摘? 要： 闡述了依據(jù)負(fù)壓波法,，應(yīng)用相關(guān)分析法進(jìn)行管道泄漏檢測的原理,，給出了漏點(diǎn)定位的算法,。實(shí)現(xiàn)了對管道泄漏位置的定位，大大提高了泄漏報(bào)警的準(zhǔn)確性和定位的精確性,。
關(guān)鍵詞： 泄漏檢測,； 相關(guān)分析； 負(fù)壓波法,； 時(shí)延估計(jì)
?
近年來,，輸油管道泄漏事故不斷發(fā)生，給國家的經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失,，人員傷害及環(huán)境污染,。建立管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告事故的范圍和程度,，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染,，這就要求輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本特性[1]：泄漏監(jiān)測的靈敏性，實(shí)時(shí)性,，定位的準(zhǔn)確性,。
早期石油天然氣管道的泄漏檢測主要是直接觀察法，由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員攜帶檢測儀器設(shè)備或經(jīng)過訓(xùn)練的動物分段對管道進(jìn)行泄漏檢測和定位,。通過看,、聞、聽或其他方式來判斷是否有泄漏發(fā)生,。這類方法具有定位精確度高和較低的誤報(bào)率的特點(diǎn),，但不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，檢測只能間斷地進(jìn)行,。
本文提出了應(yīng)用相關(guān)分析理論結(jié)合負(fù)壓波法對管道泄漏進(jìn)行檢測并定位的方法,。該方法不需要詳細(xì)了解管道內(nèi)部流體性狀,，不需要建立管道正常和故障狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型,，也無需人為從壓力變化曲線圖上去確定兩個(gè)端點(diǎn)的壓力變化突變點(diǎn)，避免了人為誤差,，大大地提高了系統(tǒng)的定位精度,。該檢測方法不僅可以用于石油管道的泄漏檢漏,，也可以用于自來水管道的泄漏檢測，具有很好的推廣價(jià)值,。
1 負(fù)壓波泄漏檢測與定位原理
管道發(fā)生泄漏時(shí),，在泄漏處因流體的損失而引起局部流體密度減小，導(dǎo)致瞬時(shí)壓力降低,，出現(xiàn)速度差,。瞬時(shí)的壓降作用在流體介質(zhì)，形成一個(gè)負(fù)壓波,。負(fù)壓波以聲速向管道上下游傳播,，利用設(shè)置在管道兩端的壓力傳感器檢測壓力波信號，根據(jù)信號變化程度和變化的時(shí)間差,，采用信號相關(guān)處理方法進(jìn)行泄漏判定和泄漏定位,。
負(fù)壓波定位原理圖如圖1所示。假設(shè)管道長度L,、壓力波傳遞速度v,、油品的流速a。
?
由于壓力波的傳播速度一般在1000 m/s以上,，而油品的流速a=1.5～3 m/s 所以a可忽略不計(jì),。得到常規(guī)的負(fù)壓波法定位公式為:
由式(1)可以得出：根據(jù)負(fù)壓波的傳播速度和兩端壓力傳感器捕捉到這種負(fù)壓波的時(shí)間差就可以進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位。本文采用相關(guān)分析方法確定時(shí)間差,。
2 泄漏定位的相關(guān)算法
2.1 相關(guān)函數(shù)的概念
對于兩個(gè)不同的函數(shù)f1(t)和f2(t), 其相關(guān)函數(shù)記為：
式中,，τ為延時(shí)時(shí)間(或位移)。相關(guān)函數(shù)反映了兩個(gè)不同函數(shù)的相似程度,，因此可以描述兩個(gè)信號之間有無關(guān)系或者其相似程度,，被廣泛應(yīng)用在分析機(jī)械振動與聲學(xué)測量等工程領(lǐng)域。相關(guān)函數(shù)分析方法不僅是一種噪聲過濾方法,，濾除信號中的不相關(guān)成分,，提高信噪比，提取弱信號,，還可用來進(jìn)行系統(tǒng)識別和故障診斷,。在管道泄漏檢測方面就是利用了其時(shí)延估計(jì)的特點(diǎn)。
2.2 相關(guān)分析法檢測管道泄漏原理[2]
??? 在管道的首端(X點(diǎn))和末端(Y點(diǎn))通過傳感器檢測到的信號,，設(shè)其樣本函數(shù)分別為:
?
??? 當(dāng)沒有泄漏時(shí),相關(guān)函數(shù)的值將維持在穩(wěn)定值附近,；當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),相關(guān)函數(shù)將Rxy(?子)將發(fā)生較大的變化,當(dāng)變化量達(dá)到一定數(shù)值(閾值)時(shí)，則認(rèn)為管道發(fā)生泄漏,。當(dāng)相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)達(dá)到峰值時(shí),，所對應(yīng)的值正好與所對應(yīng)的壓力波傳播到兩個(gè)端點(diǎn)的時(shí)間差相一致。由于相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)取極大值的必要條件為Rxy(τ)在τ0處的導(dǎo)數(shù)等于零，由此可求出τ0,，并確定Δt=τ0,。在L和v已知的前提下利用公式(1)即可計(jì)算出X的值，從而確定泄漏點(diǎn)的位置,。
3 管道泄漏檢測系統(tǒng)組成
3.1 管道泄漏檢測系統(tǒng)簡介
管道實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示,。
?
本系統(tǒng)建立在SCADA系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，其總體結(jié)構(gòu)由上位機(jī)與下位機(jī)構(gòu)成,。
下位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),。上位機(jī)作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心通過公用電話網(wǎng)輪流接通下位機(jī)MODEM后，向下位機(jī)定時(shí)發(fā)送傳輸命令,，并接收下位機(jī)數(shù)據(jù),。上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，重點(diǎn)對采集的信號進(jìn)行相關(guān)算法的編程,，并經(jīng)終端顯示,，給出泄漏處的位置。
為了保證管道首末兩端數(shù)據(jù)采集時(shí)間的同步,、數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性,、提高泄漏檢測的定位精度，本系統(tǒng)采用GPS技術(shù)實(shí)時(shí)校正首末端計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間,。
3.2 管道泄漏檢測系統(tǒng)中的相關(guān)算法
在實(shí)際應(yīng)用中,，泄漏點(diǎn)的壓力信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號是離散時(shí)間序列。計(jì)算數(shù)字信號的相關(guān)函數(shù)一般不直接應(yīng)用公式(6),而是利用互功率譜密度法,。其計(jì)算原理圖如圖3所示,。
對兩個(gè)輸入信號x(n)、y(n)作傅氏變換得到x(k),、y(k),兩頻譜相乘得互功率譜密度函數(shù),，由于相關(guān)函數(shù)的傅氏變換就是功率譜密度，因此對互功率譜密度作反變換就得到兩個(gè)時(shí)域信號的互相關(guān)函數(shù)值,，這種方法大大減少了計(jì)算量,。
3.3 管道泄漏檢測系統(tǒng)中相關(guān)分析方法的關(guān)鍵技術(shù)
(1) 閾值的選取[4]
閾值的選取直接影響到系統(tǒng)的檢測精度。閾值較大時(shí)系統(tǒng)靈敏度較低,，但可靠性較高,，即誤報(bào)警數(shù)較少；閾值較小時(shí)系統(tǒng)靈敏度較高,，但誤報(bào)警數(shù)增多,。實(shí)際操作中的閾值必須通過大量實(shí)際數(shù)據(jù)的計(jì)算、比較后選出,。這些數(shù)據(jù)包括正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù),、工況變化時(shí)的數(shù)據(jù)和泄漏時(shí)的數(shù)據(jù),。總的原則是使指標(biāo)閾值大于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的指標(biāo)函數(shù)值且低于絕大多數(shù)情況下泄漏試驗(yàn)中所達(dá)到的值,。
(2) 采樣時(shí)間T的選取
T是一個(gè)非常重要的參數(shù),，直接影響到相關(guān)分析法檢測和定位的靈敏性和可靠性,。由參考文獻(xiàn)[5]可知,，泄漏變換的時(shí)間約為200 s,考慮到緩慢泄漏時(shí)的情況，采樣時(shí)間可取400 s,。
(3) 采樣信號的去噪處理
由于工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾,、輸油泵的振動等因素，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲,。在相關(guān)處理運(yùn)算時(shí),，為了運(yùn)算簡便，通常認(rèn)為泄漏信號與噪聲信號各自獨(dú)立,，噪聲NX(t)和NY(t)也不相關(guān),。實(shí)際上，噪聲可能來自獨(dú)立的噪聲源(即兩者獨(dú)立不相關(guān)),，也可能來自公共噪聲源(相關(guān)噪聲),。當(dāng)存在公共噪聲且強(qiáng)度較大時(shí)，泄漏信號將會被噪聲信號淹沒,。因此計(jì)算機(jī)在對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算之前,，必須對這些信號進(jìn)行濾波處理。
3.4 相關(guān)泄漏檢測應(yīng)用的局限性
在實(shí)際測試中,，小泄漏產(chǎn)生的噪音將強(qiáng)于大泄漏產(chǎn)生的噪音,，如果在同一區(qū)域同時(shí)存在大、小兩種泄漏,，大泄漏產(chǎn)生的信號將被淹沒,。另外，有些干擾噪音如減壓閥發(fā)出的聲音信號與泄漏信號非常接近,，這種聲音信號及另外的一些背景噪音都可能完全掩蓋掉泄漏產(chǎn)生的信號,。
為了克服以上存在的不足，可以運(yùn)用多種先進(jìn),、有效的信號處理方法改善其性能,。如：使用自適應(yīng)濾波方法，利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果,，自動地調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù),，以適應(yīng)信號和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，有效地從噪聲中估算出信號成分,，同時(shí)移去與信號不相關(guān)的噪聲,，且在設(shè)計(jì)時(shí)只需要很少或根本不需要任何關(guān)于信號和噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)知識。
在管道泄漏眾多的檢測方法中，基于相關(guān)分析的負(fù)壓波管道泄漏檢測方法只需對管道兩端的壓力信號進(jìn)行檢測,，不需構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,，具有實(shí)現(xiàn)簡單、檢測精度高等特點(diǎn),。但它要求泄漏是快速的,、突發(fā)性的。如果管道泄漏的速度很慢,、沒有明顯的負(fù)壓波出現(xiàn),，則此方法失效。
參考文獻(xiàn)
[1] ?周志坤.自來水管道泄漏相關(guān)檢測定位系統(tǒng)研究.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,25(4).
[2] ?喻彬,，孫士平.基于相關(guān)檢測的漏點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì).國外電子測量技術(shù),2006,25(10).
[3] ?吳曉琴.相關(guān)分析在泄漏檢測技術(shù)中的應(yīng)用.儀器儀表用戶,2004(2).
[4] ?徐潔.管道相關(guān)檢測儀性能優(yōu)化方法的研究. 管道技術(shù)與設(shè)備,2003(6)：37-38.
[5] ?韓建. 相關(guān)分析法在輸油管道泄漏檢測和定位中的應(yīng)用研究. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2007(1).