CN103629534B - 一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法，针对负压波法存在的问题：1)单一压力信号受管道末端设备限制难以检测到压力拐点；2)小泄漏和缓泄情况下，压力信号拐点特征不明显。本发明的技术方案是将泄漏瞬变过程中的压力和流量信号组合为一个新的综合信号，对该综合信号的变化进行监测，根据是否出现异常判断是否发生泄漏，并通过识别该综合信号的拐点进行泄漏定位的计算。本发明所提出的方法相比负压波法，不再受管道两端设备的限制，尤其适用于管道末端为油罐等限压设备的工况，且由于综合信号的采用，有效突出了泄漏信号的拐点特征，也可适用于小泄漏和缓泄的检测和定位。

Description

一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法。

背景技术

输油管道是我国重要的油品运输方式，因此输油管道泄漏检测和定位一直是有史以来的一个技术问题。管道的泄漏检测和定位方法大致分成四类，第一类是基于人工巡检法，这类方法具有定位精度高和较低误报率的特点，但不能及时发现泄漏，检测只能间断的进行；第二类是基于超声、磁通、摄像等技术的管内检漏法，这类方法定位精度高且误报率低，但无法实现在线检测，由于探测球在管内随介质漂流，容易发生堵塞、停运等事故，并且探测球价格昂贵，运行成本较高；第三类是基于电缆或光纤的检漏法，电缆或光纤与管道平行敷设，介质泄漏时会引起电缆或光纤某些特征的变化，以此来实现对泄漏的检测和定位，这类方法非常灵敏，对于小泄漏和缓泄均有较好的效果，但价格和施工费都较高。第四类是基于管道压力、流量和温度等运行参数的外部检漏法，它能实现在线检测，且施工和维护都较为方便，是目前管道泄漏检测和定位研究的主攻方向之一。这类方法主要包括基于负压波的方法、基于管内声波的方法、基于瞬变流的方法和基于模型的方法等。这类方法中，由于负压波法无需复杂的管道建模，信号检测方便，因此在输油管道泄漏定位中应用最广，技术最为成熟。

在负压波法中，管道始端和末端分别装有压力变送器和流量计，当管道发生泄漏时，泄漏点处发生压力突降，该压力突降以声速向管道两端传播，称为压力波或负压波。由于泄漏点并不一定位于管道中间，管道两端的压力变送器检测到负压波的时间并不相同，根据两者的时间差可以确定泄漏点的位置，该方法应用的关键点在于始末两端的压力突降点的识别，即压力波拐点的识别。

现有的负压波法仅根据管道两端的压力变化进行泄漏定位，虽然管道上也检测流量信号，但仅作为泄漏报警的依据，不进行定位。而压力的变化与管道两端的设备有关，极端的情况如管道末端是油罐时，管道末端压力一直固定为油罐内的压力，泄漏引发的负压波根本无法显现出来。此外，对于小泄漏和缓泄，压力拐点不明显，也很难识别。

发明内容

针对目前负压波法的不足，发明一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法，可适用于管道两端为限压设备时的泄漏检测和定位，如管道末端为油罐的情形，还可适用于小泄漏和缓泄的检测和定位。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：包括以下步骤：

A、数据采集和综合信号计算

1)管道始末端的压力和流量经压力变送器和流量计转换为电信号，经数据采集器采集，将数据传到控制终端上进行显示处理；

2)分别采集某段管道的始末端压力变送器和流量计的输出值，送入控制终端，设始端压力为Ps，始端流量为Qs，末端压力为Pe，末端流量为Qe，将管道始端压力和流量信号按下列形式组合为综合信号Cs：

Cs=Ps-kQs

式中，k为系数，按下式计算：

$k=\frac{\mathrm{\ρas}}{3600\·A}$

式中ρ为流体密度，as为声音在介质中传播的速度，A为管道截面积。将管道末端压力和流量信号按下列形式组合为综合信号Ce：

Ce=Pe+kQe

其中k同前定义；

3)对管道正常工况下的Cs和Ce进行均值和标准差的计算，设和分别为正常工况下管道始末端综合信号的平均值，σ_Cs和σ_Ce为标准差。

B、泄漏监测和预警

1)当或时，可认为始端或末端信号出现异常，记下此刻时间，其中α为系数，可取2～3；并同时等待另一端综合信号出现异常。

2)若等待时间＞管长L/声速as，则认为是误报，继续监测Cs和Ce。若等待时间<管长L/声速as，则发出泄漏预警。

C、泄漏定位

1）从发出预警的时刻开始，取当前时刻以前的一段时长的Cs和Ce信号进行小波变换，时长应大于20倍的管长L/声速as。

2）对这段时长的信号进行小波变换，并记录始末端信号的小波变换的模极大值时间，按

$\mathrm{Lr}=\frac{L+\mathrm{as}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}}{2}$

计算泄漏点位置，式中L为管道始末端的距离，Lr为泄漏点到管道始端的距离，△t为始端综合信号小波变换的模极大值时间与末端综合信号小波变换模极大值时间之差。

3)每隔一段时间对数据进行更新，再进行小波变换，计算泄漏点位置，重复多次。将多次计算的泄漏点位置进行平均即为最后定位结果，小波变换建议采用高斯二阶小波。

4）若泄漏点位置在管道长度范围内，则正式发出泄漏报警，并给出泄漏点位置。若泄漏点位置超出管道长度范围，则解除泄漏预警，重新监测Cs和Ce。

本发明的基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法的有益效果：

1）本发明技术将泄漏瞬变过程中的压力和流量信号综合考虑，能够避免单一压力信号受设备影响的缺陷，尤其适用于管道末端为油罐等限压设备时的泄漏定位。

2)采用综合信号可以增加信号变化的幅值，突出拐点特征，因此也可适用于小泄漏和缓泄的检测。

3)原基于负压波法的泄漏检测系统和方法无需做较大改动，所有对压力波拐点识别的方法可完全用于对综合信号的拐点的识别，定位计算方法也完全相同。

附图说明

图1为本发明泄漏检测系统的结构示意图；

图2为一末端为油罐的管道始末端压力输出曲线的示意图；

图3为该管道始末端综合信号输出曲线的示意图；

图4为该管道始端压力和综合信号的小波变换结果的示意图；

图5为该管道末端压力和综合信号的小波变换结果的示意图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1至图5所示，一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法，该基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法所采用的硬件结构包括压力变送器1、流量计2、数据采集器3和控制终端4。流量计最好采用质量流量计。

具体包括以下步骤：

A、数据采集和综合信号计算

1)管道始末端的压力和流量经压力变送器1和流量计2转换为电信号，经数据采集器3采集，将数据传到控制终端4上进行显示处理；

2)分别采集某段管道的始末端压力变送器1和流量计2的输出值，送入控制终端4，设始端压力为Ps，始端流量为Qs，末端压力为Pe，末端流量为Qe，将管道始端压力和流量信号按下列形式组合为综合信号Cs：

Cs=Ps-kQs

式中，k为系数，按下式计算：

$k=\frac{\mathrm{\&rho;as}}{3600\&CenterDot;A}$

其中ρ为流体密度，as为声音在介质中传播的速度，A为管道截面积，然后将管道末端压力和流量信号按下列形式组合为综合信号Ce：

Ce=Pe+kQe

其中k同前定义；

3)对管道正常工况下的Cs和Ce进行均值和标准差的计算，设和分别为正常工况下管道始末端综合信号的平均值，σ_Cs和σ_Ce为标准差。

B、泄漏监测和预警

1)当或时，可认为始端或末端信号出现异常，记下此刻时间，其中α为系数，可取2～3；并同时等待另一端综合信号出现异常。

2)若等待时间＞管长L/声速as，则认为是误报，继续监测Cs和Ce。若等待时间<管长L/声速as，则发出泄漏预警。

C、泄漏定位

1)从发出预警的时刻开始，取当前时刻以前的一段时长的Cs和Ce信号进行小波变换，时长应大于20倍的管长L/声速as。

2)对这段时长的信号进行小波变换，并记录始末端信号的小波变换的模极大值时间，按

$\mathrm{Lr}=\frac{L+\mathrm{as}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}}{2}$

计算泄漏点位置，式中L为管道始末端的距离，Lr为泄漏点到管道始端的距离，△t为始端综合信号小波变换的模极大值时间与末端综合信号小波变换模极大值时间之差。

3)每隔一段时间对数据进行更新，再进行小波变换，计算泄漏点位置，重复多次。将多次计算的泄漏点位置进行平均即为最后定位结果，小波变换建议采用高斯二阶小波。

4)若泄漏点位置在管道长度范围内，则正式发出泄漏报警，并给出泄漏点位置。若泄漏点位置超出管道长度范围，则解除泄漏预警，重新监测Cs和Ce。

结合附图说明，由数据采集器3采集到的压力和流量数据(5-20个/s)实时地送到控制终端4(计算机)，图2是由数据采集器3采集到的某管道实际发生泄漏时管道两端压力变送器输出曲线，该管道的末端是油罐，由图2可以很明显地看到始端压力信号的波形存在突变的拐点，而末端压力信号的拐点不明显。对采集到的压力和流量数据按式Cs=Ps-kQs和Ce=Pe+kQe进行组合，得到综合信号。图3就是始末端综合信号的波形，可以明显看到末端综合信号波形的突变拐点，始端综合信号的波形与始端压力波形是类似的。图4是对始端压力和综合信号分别进行小波变换的结果，可以看出各尺度上小波变换的结果基本相同，尺度2、3、4、5变换的模极大值时间点的平均值均为615.4s。图5是末端压力和综合信号的小波变换结果，可以看出末端压力的小波变换没有明显的极大值，而末端综合信号的小波变换模极大值明显，几个尺度的模极大值的平均值为619.6s，按公式计算得到泄漏点的位置为3.6km，实际泄漏点在3km左历，其中Lr为泄漏点与管道始端的距离，L为管道总长。

本发明的基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法的有益效果：

1)本发明技术将泄漏瞬变过程中的压力和流量信号综合考虑，能够避免单一压力信号受设备影响的缺陷，尤其适用于管道末端为油罐等限压设备时的泄漏定位。

2)采用综合信号可以增加信号变化的幅值，突出拐点特征，因此也可适用于小泄漏和缓泄的检测。

3)原基于负压波法的泄漏检测系统和方法无需做较大改动，所有对压力拐点识别的方法完全可用于对综合信号的拐点的识别，定位计算方法也完全相同。

上述实施例，只是本发明的一个实例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡与本发明权利要求所述内容相同或等同的技术方案，均应包括在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于综合信号的输油管道泄漏检测和定位方法的工作方法，其特征在于：其检测和定位方法的工作方法包括以下步骤：

A、数据采集和综合信号计算

1)管道始末端的压力和流量经压力变送器和流量计转换为电信号，经数据采集器采集，将数据传到控制终端上进行显示处理；

2)分别采集某段管道的始末端压力变送器和流量计的输出值，送入控制终端，设始端压力为Ps，始端流量为Qs，末端压力为Pe，末端流量为Qe，将管道始端压力和流量信号按下列形式组合为综合信号Cs：

Cs＝Ps-kQs

式中，k为系数，按下式计算：

$k=\frac{\mathrm{\&rho;}as}{3600\&CenterDot;A}$

其中ρ为流体密度，as为声音在介质中传播的速度，A为管道截面积；将管道末端压力和流量信号按下列形式组合为综合信号Ce：

Ce＝Pe+kQe

其中k同前定义；

3)对管道正常工况下的Cs和Ce进行均值和标准差的计算，设和分别为正常工况下管道始末端综合信号的平均值，σ_Cs和σ_Ce为标准差；

B、泄漏监测和预警

1)当或时，可认为始端或末端信号出现异常，记下此刻时间，其中α为系数，可取2～3；并同时等待另一端综合信号出现异常；

2)若等待时间>管长L/声速as，则认为是误报，继续监测Cs和Ce；若等待时间<管长L/声速as，则发出泄漏预警；

C、泄漏定位

1)从发出预警的时刻开始，取当前时刻以前的一段时长的Cs和Ce信号进行小波变换，时长应大于20倍的管长L/声速as；

2)对这段时长的信号进行小波变换，并记录始末端信号的小波变换的模极大值时间，按

$Lr=\frac{L+as\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t}{2}$

计算泄漏点位置，式中L为管道始末端的距离，Lr为泄漏点到管道始端的距离，Δt为始端综合信号小波变换的模极大值时间与末端综合信号小波变换模极大值时间之差；

3)每隔一段时间对数据进行更新，再进行小波变换，计算泄漏点位置，重复多次；将多次计算的泄漏点位置进行平均即为最后定位结果；小波变换采用高斯二阶小波；

4)若泄漏点位置在管道长度范围内，则正式发出泄漏报警，并给出泄漏点位置；若泄漏点位置超出管道长度范围，则解除泄漏预警，重新监测Cs和Ce。