李越基于聲波的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

1、基于聲波的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用李 越作者簡(jiǎn)介：李越，女，1984年4月生，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，現(xiàn)在大慶油田天然氣分公司工程技術(shù)大隊(duì)從事管網(wǎng)分析工作。通訊地址：黑龍江省大慶市乘風(fēng)莊天然氣分公司工程技術(shù)大隊(duì)。郵編：163416。E-mail：trqliyue。（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司 黑龍江大慶 163416）摘 要 隨著管網(wǎng)集輸系統(tǒng)的擴(kuò)展以及城市的快速發(fā)展，近年來，礦區(qū)天然氣管道占?jí)?、老化、腐蝕情況加劇，同時(shí)這些埋地鋪設(shè)的天然氣管網(wǎng)部分還穿越繁華鬧市區(qū)，存在一定程度的安全隱患。但目前只單純依靠人工沿管道巡檢和單線對(duì)標(biāo)的方式監(jiān)測(cè)管道泄漏，存在監(jiān)測(cè)不連續(xù)，泄漏事故發(fā)現(xiàn)

2、不及時(shí)，無法準(zhǔn)確定位，尋找盜栽閥成本高、效率低等問題。因此，有必要研究天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道泄漏的及時(shí)報(bào)警和定位。關(guān)鍵詞 聲波法 天然氣管道 泄漏監(jiān)測(cè)天然氣分公司在喇薩杏油田共有天然氣管道103條836公里，擔(dān)負(fù)著向油田生產(chǎn)單位、工業(yè)、居民、商服等用戶供氣的任務(wù)。近年來，隨著管道運(yùn)行年限的增加，管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)逐年加大，一旦發(fā)生泄漏事故，將影響輸氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，甚至導(dǎo)致火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)升高。但目前的管道泄漏監(jiān)測(cè)手段仍為人工巡線，存在監(jiān)測(cè)不連續(xù)、泄漏事故發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、無法準(zhǔn)確定位、尋找泄漏點(diǎn)成本高、效率低等問題。此外，由于城市的快速發(fā)展擴(kuò)張和天然氣

3、市場(chǎng)的不斷開發(fā)，穿越重要區(qū)域（人口密集區(qū)、商業(yè)繁華區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)等）的管段有所增加。同時(shí)，隨著大慶油田天然氣業(yè)務(wù)的發(fā)展和天然氣產(chǎn)量的提高，外輸氣量將進(jìn)一步增加，這些情況都對(duì)管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行提出了更高的要求。針對(duì)上述問題及生產(chǎn)需求，研究基于聲波的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效降低安全隱患，提高礦區(qū)天然氣管道的管理技術(shù)水平。一、聲波法泄漏信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理1、技術(shù)原理當(dāng)輸氣管道的某一點(diǎn)發(fā)生破裂，管內(nèi)氣體會(huì)從破裂點(diǎn)流出，導(dǎo)致管內(nèi)氣體流動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化，泄漏點(diǎn)處的氣體密度減小，壓力降低，泄漏點(diǎn)兩邊相鄰區(qū)域的氣體在壓差的作用下向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充，從而形成聲波在管道內(nèi)的傳播。安裝在管道

4、兩端的聲波傳感器監(jiān)聽并采集傳來的聲波信號(hào)，通過對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行特征量提取，判斷管道是否發(fā)生泄漏。當(dāng)管道處于正常工況時(shí)，聲波傳感器采集的信號(hào)被作為背景噪聲，管道一旦發(fā)生泄漏，產(chǎn)生泄漏聲波信號(hào)和正常工況下的背景噪聲會(huì)一同傳到聲波傳感器，經(jīng)過泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比和鑒別，迅速做出泄漏判斷。下圖為聲波泄漏監(jiān)測(cè)的原理圖。圖1 聲波監(jiān)測(cè)原理圖聲波法泄漏監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪處理，尋找到泄漏信號(hào)的特征量并將其提取，特征量是將信號(hào)進(jìn)行某種算法得到的物理量，管道發(fā)生泄漏和沒有發(fā)生泄漏，特征量的值有明顯的區(qū)別。故可以將未發(fā)生泄漏時(shí)的特征量值作為閾值，和管線運(yùn)行時(shí)得到的特征量值作比較，進(jìn)行泄漏判斷。輸氣管道發(fā)生

5、泄漏，泄漏聲波從泄漏點(diǎn)向管道兩端傳播，根據(jù)聲波傳播到管道首末站的時(shí)間差和聲波在管道中的傳播速即可確定泄漏點(diǎn)的位置。2、聲波信號(hào)的去噪處理根據(jù)試驗(yàn)中采集的聲波信號(hào)波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道未發(fā)生泄漏時(shí)，聲波信號(hào)屬于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)；當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，聲波信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)明顯的上升沿，之后回歸泄漏前的狀態(tài)，可認(rèn)為屬于非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)的去噪方法主要有基于傅里葉變換的去噪方法和基于小波變換的去噪方法兩種，傅里葉去噪后，信號(hào)突變位置處的水平段波形與原信號(hào)波形相差較大，且信號(hào)的邊緣處理結(jié)果不好，產(chǎn)生了極值，而經(jīng)過小波去噪后，信號(hào)突變處的水平段尚能看出，信號(hào)邊緣處理結(jié)果較好，因此采用小波去噪對(duì)采集到的泄漏

6、聲波信號(hào)進(jìn)行去噪處理。原始信號(hào)和小波降噪后信號(hào)波形如下圖所示。圖2 原始信號(hào)和小波降噪后信號(hào)波形3、信號(hào)特征值提取聲波信號(hào)的特征量提取包括時(shí)域的特征量的提取和頻域的特征量的提取兩個(gè)方面。1）時(shí)域信號(hào)特征提取聲波信號(hào)的時(shí)域分析主要是對(duì)聲波波形進(jìn)行分析，聲波信號(hào)幅值的變化反映的是管道內(nèi)這一時(shí)刻的壓力與上一時(shí)刻的壓力之差的變化。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處的壓力有一個(gè)快速的下降，與前一時(shí)刻的壓力產(chǎn)生較大的壓力差，在聲波波形圖上顯示出一個(gè)較大的下降沿。下圖為管道未發(fā)生泄漏時(shí)首站聲波信號(hào)，及放空閥模擬泄漏時(shí)的聲波信號(hào)。 圖3 未發(fā)生泄漏時(shí)首站聲波信號(hào)及放空閥模擬泄漏時(shí)的聲波信號(hào)從上圖可以看出，聲波信號(hào)的幅

7、值完全可以作為泄漏判斷的特征量，將管線未發(fā)生泄漏時(shí)的信號(hào)幅值的最大值作為閾值，判斷其他時(shí)刻采集的聲波信號(hào)，若信號(hào)幅值大于閾值則認(rèn)定發(fā)生泄漏，否則認(rèn)定未發(fā)生泄漏。為提高天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，除了幅值之外，聲波信號(hào)的均值、均方根值等也可以作為泄漏判斷的特征量。2）頻域信號(hào)特征提取由于泄漏聲波信號(hào)在傳播過程中發(fā)生了衰減，并且管道中有劇烈的混合波動(dòng)，有時(shí)當(dāng)小泄漏發(fā)生時(shí)，從時(shí)域波形中可能會(huì)看不出有泄漏發(fā)生，但是由于泄漏信號(hào)中的低頻部分可以遠(yuǎn)距離傳輸，且泄漏具有一定的頻域特征，因此對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行傅里葉頻譜分析可以監(jiān)測(cè)到泄漏發(fā)生。下圖為小量泄漏聲波信號(hào)進(jìn)行FFT變換后的頻譜圖。從提取出得頻譜特征中

8、可以明顯看出泄漏發(fā)生。圖4 小量泄漏聲波信號(hào)FFT變換后的頻譜圖3）不同工況的泄漏判斷對(duì)聲波信號(hào)的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行分析，分別提取時(shí)域和頻域上的特征量，即可判斷管道是否發(fā)生泄漏。泄漏判斷的規(guī)則：當(dāng)計(jì)算的特征量值大于設(shè)定好的閾值時(shí)，認(rèn)定發(fā)生泄漏，否則認(rèn)定未發(fā)生泄漏。閾值的選取方法：當(dāng)試驗(yàn)工況穩(wěn)定時(shí)，采集測(cè)試管道起終點(diǎn)的聲波信號(hào)，計(jì)算聲波信號(hào)的特征量值，將這些特征量值作為閾值。4、定位算法定位算法原理圖如下：圖5 定位算法原理示意圖 圖中當(dāng)管道上P點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏產(chǎn)生的聲波由泄漏點(diǎn)開始向管道兩側(cè)傳播，但由于P點(diǎn)到兩傳感器的距離不同，所以泄漏引發(fā)的同一波形到兩傳感器的時(shí)間就有一個(gè)延遲Td，因此，如

9、果知道了A、B兩傳感器間的距離D以及泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在管道中傳播的速度，就可以根據(jù)公式來計(jì)算泄漏點(diǎn)P到傳感器A的距離。二、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)技術(shù)調(diào)整優(yōu)化選取規(guī)格為325×7-3.13Km的管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在管道首站和末站分別安裝聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、GPS授時(shí)模塊及上位機(jī)軟件。聲波傳感器對(duì)管道工況運(yùn)行狀態(tài)下背景噪聲及發(fā)生泄漏時(shí)的突發(fā)聲波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；DSP采集聲波傳感器上傳信號(hào)，進(jìn)行濾波、去噪及特征提取等前期信號(hào)處理；GPS授時(shí)模塊負(fù)責(zé)首末兩站時(shí)間同步；經(jīng)DSP處理的聲波信號(hào)上傳上位機(jī)軟件用于實(shí)時(shí)報(bào)警與定位。1、管線運(yùn)行狀況采集試驗(yàn)主要用于分析管線的運(yùn)行工況及背景噪音。

10、1）試驗(yàn)過程將泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，監(jiān)測(cè)管線工況運(yùn)行下的背景噪音曲線，詳見下圖。試驗(yàn)過程中管線的運(yùn)行壓力為0.74Mpa，測(cè)試溫度15.8攝氏度。圖6 紅壓至丁字口管線工況運(yùn)行下的背景噪音曲線2）試驗(yàn)結(jié)論從圖中可以發(fā)現(xiàn)背景噪音幅值很大，峰值達(dá)到2V左右，背景噪音信號(hào)的能量集中在200Hz和800Hz左右。在這種背景噪音下，放空時(shí)根本采集不到泄漏。3）監(jiān)測(cè)技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化在這種情況下調(diào)整了聲波傳感器的硬件電路，改用電容型聲波傳感器，控制采集頻率在一個(gè)比較低的頻率范圍內(nèi)，并加入低通及帶通濾波器，將背景噪音能量集中的頻段濾掉。2、泄漏數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)主要用于采集管線泄漏信號(hào)，通過末端的放空試驗(yàn)分析管線

11、泄漏時(shí)聲波信號(hào)時(shí)頻特征。1）試驗(yàn)過程將泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，在末站通過DN150的放空閥進(jìn)行放空試驗(yàn)，在首站采集管線運(yùn)行工況。試驗(yàn)過程中管線的運(yùn)行壓力為0.69Mpa，通過將DN150的放空閥完全打開，進(jìn)行放空試驗(yàn)，每次放空持續(xù)30秒左右。下圖為進(jìn)行放空試驗(yàn)時(shí)采集到的聲波信號(hào)。圖7 放空試驗(yàn)時(shí)的聲波信號(hào)圖2）試驗(yàn)結(jié)論從信號(hào)波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥完全打開時(shí)，在時(shí)域波形圖中可以監(jiān)測(cè)到泄漏發(fā)生，但是通過時(shí)域波形可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的背景噪音依然很大，峰值在1V左右，并且通過時(shí)頻變換可以發(fā)現(xiàn)泄漏信號(hào)的能量集中在100Hz以下，進(jìn)行少量放空時(shí)，根本監(jiān)測(cè)不到泄漏信號(hào)。3）監(jiān)測(cè)技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化在這種情況下對(duì)上

12、位機(jī)軟件進(jìn)行改進(jìn)，加入小波去噪算法濾除背景噪音；對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域的特征量提取，找到發(fā)生泄漏時(shí)時(shí)域和頻域的特征，每次對(duì)特征值進(jìn)行分析就可監(jiān)測(cè)到泄漏發(fā)生；加入希爾伯特-黃變換對(duì)泄漏產(chǎn)生時(shí)信號(hào)能量進(jìn)行分析，找出泄漏特征。3、改進(jìn)型傳感器泄漏數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)用改進(jìn)的聲波傳感器做聲波信號(hào)采集試驗(yàn)，主要用于采集管線工況運(yùn)行情況下背景噪音信號(hào)、管線放空時(shí)泄漏信號(hào)，通過末端的放空試驗(yàn)分析改進(jìn)型傳感器在管線出現(xiàn)泄漏時(shí)所采集聲波信號(hào)的時(shí)頻特征能否達(dá)到泄漏監(jiān)測(cè)靈敏度要求。1）試驗(yàn)過程將泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，在末站通過DN150的放空閥進(jìn)行放空試驗(yàn)，在首站采集管線運(yùn)行工況。試驗(yàn)過程中管線的運(yùn)行壓力為0.81Mp

13、a，通過將DN150的放空閥按照各個(gè)量程打開，進(jìn)行放空試驗(yàn)，每次放空持續(xù)30秒左右。下圖為進(jìn)行各個(gè)量程放空試驗(yàn)時(shí)采集到的聲波信號(hào)。（1）DN150放空閥開2扣圖8 放空試驗(yàn)時(shí)的聲波信號(hào)圖（2）DN150放空閥開1扣圖9 放空試驗(yàn)時(shí)的聲波信號(hào)圖2）試驗(yàn)結(jié)論從信號(hào)波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥打開兩扣的時(shí)候，泄漏量相當(dāng)于瞬時(shí)流量的3.33%(用放空的橫截面積與管線的橫截面積相比，放空閥滿量程開放需15扣)，此時(shí)在時(shí)域波形圖中可以監(jiān)測(cè)到泄漏發(fā)生；當(dāng)放空閥打開一扣的時(shí)候，泄漏量相當(dāng)于瞬時(shí)流量的1.67%，此時(shí)在時(shí)域波形圖中已經(jīng)不能監(jiān)測(cè)到泄漏發(fā)生。因此可以發(fā)現(xiàn)僅憑借對(duì)傳感器進(jìn)行硬件的改進(jìn)，靈敏度太低。3）監(jiān)測(cè)

14、技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化在這種情況下應(yīng)該對(duì)上位機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，在上位機(jī)中加入各種去噪算法及特征提取算法，通過軟件改進(jìn)監(jiān)測(cè)靈敏度。4、改進(jìn)算法數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)對(duì)算法改進(jìn)后的上位機(jī)軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，用改進(jìn)的聲波傳感器去紅壓至丁字口管線做聲波信號(hào)采集試驗(yàn)，主要用于監(jiān)測(cè)算法改進(jìn)后監(jiān)測(cè)靈敏度是否達(dá)到監(jiān)測(cè)要求。1）試驗(yàn)過程將泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，在末站通過DN150的放空閥進(jìn)行放空試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中管線的運(yùn)行壓力為0.81Mpa，測(cè)試溫度-3攝氏度，通過將DN150的放空閥按照各個(gè)量程打開，進(jìn)行放空試驗(yàn)，每次放空持續(xù)30秒左右。下圖為通過放空閥開放半扣采集到的聲波原始信號(hào)及加入濾波算法之后的信號(hào)。圖10 放空閥開放半扣采

15、集到的聲波原始信號(hào)及加入濾波算法之后的信號(hào)2）試驗(yàn)結(jié)論從信號(hào)波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥打開半扣的時(shí)候，泄漏量相當(dāng)于瞬時(shí)流量的0.83%，此時(shí)在時(shí)域波形圖中已經(jīng)可以監(jiān)測(cè)到泄漏發(fā)生；且這個(gè)量程以上的所有放空試驗(yàn)都能監(jiān)測(cè)到泄漏信號(hào)，報(bào)警率達(dá)到100%。3）監(jiān)測(cè)技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化通過上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)靈敏度、報(bào)警率、誤報(bào)率的技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到要求，下面要做的工作就是要通過多次放空試驗(yàn)確定聲波在介質(zhì)中的傳播速度及精確定位的問題。5、定位試驗(yàn)用于確定聲波在介質(zhì)中的傳播速度、對(duì)定位功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。1）試驗(yàn)過程（1）聲波傳播速度確定在末站進(jìn)行放空試驗(yàn)，在首末站兩個(gè)客戶端采集泄漏聲波信號(hào)，通過測(cè)試放空試驗(yàn)中泄漏

16、聲波信號(hào)到達(dá)首站、末站的時(shí)間、時(shí)間差，已知測(cè)試管段長(zhǎng)度為3.13Km，確定聲波在此管線中的傳播速度。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲波信號(hào)在介質(zhì)中的平均傳播時(shí)延為8.623秒，平均傳播速度為363.0506米/秒。用此作為標(biāo)準(zhǔn)的傳播速度進(jìn)行定位算法驗(yàn)證。（2）定位功能驗(yàn)證在末站通過將DN150放空閥打開半扣進(jìn)行放空試驗(yàn)，此時(shí)的泄漏量為瞬時(shí)流量的0.83%左右，基于聲波法的天然氣管道泄漏檢測(cè)界面如下圖所示。由圖中可以發(fā)現(xiàn)紅壓計(jì)量間及丁字口計(jì)量間兩個(gè)站的指示燈都變?yōu)榧t色，說明兩個(gè)站都監(jiān)測(cè)到了本次泄漏，并且在上側(cè)的文本框顯示了泄漏發(fā)生的位置為“泄漏點(diǎn)到紅壓站得距離為：3083米”，在其后所示的兩個(gè)文本框中分別顯示了紅

17、壓站和丁字口站接收到泄漏信號(hào)的時(shí)間，時(shí)間可以精確到ms級(jí)別。圖11 聲波法天然氣管道泄漏檢測(cè)界面通過16組定位試驗(yàn)所得到的報(bào)警時(shí)間、定位距離、定位誤差見下表。表1 報(bào)警時(shí)間、定位距離、定位誤差表序號(hào)首站接收時(shí)間時(shí)間差（S）定位距離（m）定位誤差（m）113.51.44.8928.4493067.41562.58548213.51.49.9678.5513104.44625.55432313.56.26.0418.7163164.34934.34903414.02.21.9688.453067.77862.22243514.07.33.0048.7883190.48960.48867614.12

18、.42.8798.7743185.40655.40596714.16.50.6918.4643072.8657.13972814.20.21.9868.7733185.04355.04291914.24.43.8978.7253167.61637.616481014.27.30.0428.673147.64917.64871114.29.44.0468.4923083.02646.97431214.32.24.1038.5283096.09633.904481314.36.35.0438.693154.9124.909711414.41.21.6298.4723075.76554.235321

19、514.45.49.7358.7713184.31754.316811614.50.43.9268.6873153.82123.82056平均值44.13842）試驗(yàn)結(jié)論從多次試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥打開半扣時(shí)（泄漏量相當(dāng)于瞬時(shí)流量的0.83%），通過首末兩站對(duì)所接收數(shù)據(jù)的特征提取可以發(fā)現(xiàn)有了很明顯的跳變，表明在此泄漏量下，基于聲波法的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確報(bào)警。報(bào)警時(shí)延主要是由泄漏聲波信號(hào)在管道中的傳播時(shí)延造成，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不是關(guān)鍵因素。通過試驗(yàn)測(cè)得聲波在此工況下天然氣管道的傳播速度為363.0506m/s，管線距離為3.13Km，因此聲波信號(hào)的傳播時(shí)延為8.6秒左右，考慮到網(wǎng)絡(luò)及其它因素的干擾在此管線也可以將反應(yīng)時(shí)間控制在30s以內(nèi)。通過上表中定位距離及定位誤差的多組結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于聲波法的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位誤差最大值為62.585m，最小誤差為17.649m，平均誤差為44.138m。三、結(jié)論1、通過對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)，能夠準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)，及時(shí)采取緊急應(yīng)