CN103775832A - 基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置 - Google Patents

Abstract

基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，属于长距离输油管道运行维护领域，本发明为解决现有检测输油管道漏失定量和定位的装置存在使用成本高，且耗时，易受周围环境影响的问题。本发明包括处理器、存储器、数据采集卡和M个压力传感器；在输油管道上均匀设置M个压力传感器，每个压力传感器的压力信号输出端均与数据采集卡的压力信号输入端相连；数据采集卡的压力信号输出端与处理器的压力信号输入端相连；处理器的数据传输端与存储器的数据传输端相连；处理器对采集的压力信号进行实时处理，采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否漏失。

Description

基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置

技术领域

本发明涉及基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，属于长距离输油管道运行维护领域。

背景技术

输油管道在国民经济和军事任务中占重要的地位。随着我国管道运输里程的迅速增加，运输能力得到了大幅度的提高。然而管道的施工质量、超年限的运行、老化、腐蚀以及盗油事件等严重的影响了油气田的正常作业，这不仅给国民经济和军事任务造成严重的影响，而且还污染了周边的环境。目前油田现场所应用的输油管道泄漏检测技术只能检测到较大的泄漏事故，而对较小的泄漏不能精确的检测及定位。

常用的检漏技术按时间可分为早期检漏法和现代检漏法。早期石油天然气管道的泄漏检测主要采用人工分段巡视法。缺点是报警的灵敏度低，且在一些恶劣环境下的泄漏检测难度更大。现代的检漏方法主要分为三大类：

1.基于物质平衡的方法。基于物质平衡的方法即流量平衡法。输油管道正常运行时，管道的入口端和出口端的流量几乎不变，但是产生泄漏后，入口端和出口端必然产生流量差。因为流体介质的性质变化和管道本身存在弹性等因素影响，出入口端的流量变化必然村子一个缓冲过程，所以检测不精确且无法确定泄漏点的位置。

2.基于信号处理的方法。我国的一些科技人员自八十年代起开始在应力波法，负压波法等方面开始了深入研究。在《石油学报》中的《原有管道漏点定位技术明一文章中得到了负压波理论的两种定位方法：(1)基于一种快微分算法的瞬态负压波定位方法，(2)极性相关漏点定位方法，认为两种方法配合使用，相互参照能够提高泄漏点定位的准确性。然而负压波法不仅存在信号检测微弱而且检测的方式被动，对于向的泄漏检测不灵敏。目前通过应用SCADA系统和所配备的PLC系统对在线管道数据进行采集，分析得到漏失信息，但这两个系统相互独立，造成硬件设备的重复投资，也给后期施工和系统维护增添了难度。

3.基于模型的方法。模型检测方法即建立输油管道的实时模型，对管道流量和压力进行在线估算，然后与实测的管道流量和压力值进行对比，判断是否漏失。基于瞬变流实时模型是近年来国际上发展起来的泄漏检测方法，此方法是对管道输送介质的各种动态变化进行实时数值模拟，建立数学模型，再根据实际值和测量值差值检测泄漏，但此方法适用于大泄漏对于小的泄漏检测不灵敏。

此外，目前还有比较流行的(1)基于管道热力综合模型的压力梯度法，该方法需要流量信号，而且需要建立较复杂的数学模型，计算量大。(2)光纤泄漏检测法。此方法必须靠近泄漏位置检测，虽能检测小泄漏但成本过高，被污染的电缆必须及时的更换，因此还存在维修和为胡的工作量大等缺点。

综上，现有检测输油管道漏失定量和定位的装置存在使用成本高，且耗时，易受周围环境影响的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有检测输油管道漏失定量和定位的装置存在使用成本高，且耗时，易受周围环境影响的问题，提供了一种基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置。

本发明所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，它包括处理器、存储器、数据采集卡和M个压力传感器；

在输油管道上均匀设置M个压力传感器，每个压力传感器的压力信号输出端均与数据采集卡的压力信号输入端相连；

数据采集卡的压力信号输出端与处理器的压力信号输入端相连；

处理器的数据传输端与存储器的数据传输端相连；

处理器对采集的压力信号进行实时处理，采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否漏失。

本发明的优点：

1.本发明通过实时监测并采集输油管道的运行数据，并对其运行情况进行实时判断，判断时间短，不受周围环境影响，可以实现输油管道漏失情况的在线监测。对于管线的漏失情况，能够及时做出反应，将漏失的损失降低至最小。

2.本发明通过在系统中激发不会对系统本身产生任何危害的低强度瞬变流动，同时选定系统中的测压点，通过实时监测，获得这些测压点在瞬变过程中的压力响应值，从而辨识系统的管道漏失特性，具有报警精度高和定位准确的特点，与其他方式相比降低了误报率。

3.本发明所采用的监测和采集设备均系管道测量中的常规设备，无需增加额外的硬件设备，因而降低了管道泄漏检测的造价，经济上合理，已建和在建的管道均可适用。

附图说明

图1是本发明所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置的结构示意图；

图2是x-t平面上的特征线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，它包括处理器1、存储器2、数据采集卡3和M个压力传感器4；

在输油管道上均匀设置M个压力传感器4，每个压力传感器4的压力信号输出端均与数据采集卡3的压力信号输入端相连；

数据采集卡3的压力信号输出端与处理器1的压力信号输入端相连；

处理器1的数据传输端与存储器2的数据传输端相连；

处理器1对采集的压力信号进行实时处理，采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否漏失。

压力传感器4采用了中美合资麦克传感器有限公司的MPM480型压阻式变送器来实现。

工作过程主要包含三部分工作内容：1.在管道确定无漏失的情况下，采集管道数据，作为管道的基本状况数据库，然后，产生某一特定的瞬变激励(如轻微关闭管道中某一个阀门)，采集发生基础瞬变流状况下的管道数据，作为管道稳定运行状态时的基础波形图；2.管道运行时，建立泄漏发生时的瞬变流压力波形。输油管道中的瞬变工况通常由阀门快速启闭、停泵水锤及管道破裂等事件引起，而在反问题分析中以节点泄漏为自发瞬变激励，在输油管道中设置多个压力监测点，在泄漏发生时的瞬变过程中定时采样，从而得到某一特定时间段内的压力波形，并与前一次采集的基础波形图进行分析和比对，如果波形无变化则无漏失，如果有异常变化则确定为发生了漏失；3.当管道发生漏失时，采集的管道数据，作为发生漏失时的压力波形图，存入模块，与基础波形图进行对比，通过集成的分析模块，得到发生异常的位置和漏失量大小，即确定为漏失。进行漏失检测的分析，从而得到漏失量和漏失位置。通过对发生漏失时瞬变过程压力值进行分析，，通过假设每个监测点产生不同漏失量时，进行瞬变流分析，与监测点得到的压力值进行对比，以最小的泄漏瞬变压力值与基础瞬变压力值之间的差为目标，从而确定漏点位置和漏失系数。这个过程就是反问题分析过程，采用特定算法，通过对解空间不断迭代，以达到寻优的目的。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括显示器6，处理器1的显示信号输出端与显示器6的显示信号输入端相连。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，它还包括M个控制阀5，每个压力传感器4配备一个控制阀5，控制阀5用于控制该压力传感器4是否发送数据。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，处理器1对采集的压力信号进行实时处理，采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否漏失的过程包括以下步骤：

步骤一、由初始稳定状态管道运行数据获得待测输油管道的基础压力波形；

步骤二、周期性监测待测输油管道的压力情况，获取待测输油管道上M个压力监测点的k个周期的压力测量值

i为待检测压力点的序号，i=1，2，...，M，M为待测压力点的数量；

m为周期，m=0，1，...，k，共k个周期；

步骤三、漏失点初始化：i=1；漏失系数初始化：s=s₁，且漏失系数数组为s=(s₁，s₂…，s_N)漏失系数数组的因子取值范围为0.1～0.9；

步骤四、获取第i个压力测试点一组管瞬变流压力值

$H_i\left(s\right)=(H_{P-i}^1,H_{P-i}^2,...,H_{P-i}^j,...,H_{P-i}^k)$

j=1，2，...，k，

第j个周期的管瞬变流压力值

按如下公式获取：

$H_{P-i}^j\frac{1}{2}(C_{P-i}^j+C_{M-i}^j),$

其中： $C_{P-i}^j=H_L+B\·v_L-R(1-p)v_L\left|v_L\right|+v_L\mathrm{\Δ}t\sin \mathrm{\θ}$

H_L为当前压力监测点P点的前一点L处的压力；参见图2所示。

a为瞬变流压力波传播速度，g为重力加速度；

v_L为P点前一点L处的速度；

f为管道摩阻系数，Δt为时间步长，D为管道直径；

p为线性化常数；

sinθ为管道方向与水平方向成角的正弦值；

$C_{M-i}^j=H_R-B\·v_R+R(1-p)v_R\left|v_R\right|+v_R\mathrm{\Δ}t\sin \mathrm{\θ}$

其中：H_R为当前压力监测点P点的后一点R处的压力；

v_R为P点的后一点R处的速度；

步骤五、根据反问题分析模型获取s=(s₁，s₂…，s_N)时第i个压力监测点的N个值，并存储E_i(s)=min{E_i(s)，s=(s₁，s₂…，s_N)}；

步骤六、判断是否满足条件i≥M，判断结果为否，则令i=i+1，并返回执行步骤四；判断结果为是，则M个压力监测点的数据反问题分析模型处理完成，获取集合{E_i(s)，i=1，2,...，M}；

步骤七、若集合{E_i(s)，i=1，2,...，M}中的M个值都为0，则判定待监测的输油管道无漏失点；

否则，对集合{E_i(s)，i=1，2,...，M}中各个数值进行判断，得到集合中的最小值，即min{E_i(s)}，该最小值对应的压力监测点被判定为管道漏失点。

瞬变流反问题分析指在系统中激发不会对系统本身产生任何危害的低强度瞬变流动，同时选定系统中的测压点，通过实时监测，获得这些测压点在瞬变过程中的压力响应值，从而辨识系统的水力元件特性，如阀门工况、管道粗糙度和管道漏失等，而所有水力元件特性均反映在输油管道系统模型中。因此，基于瞬变反问题分析的输油管道漏失检测装置，实质上就是进行输油管道参数识别过程。当输油管道内有微小泄漏发生时，很难从流量的改变上发现泄漏的发生，但是，泄露点相当于产生了瞬变流的激励，这时从泄露点开始，就会产生压力波，分别向上游和下游传递，如果能检测到压力波动的变化，并与数据库中的假设漏水点集合和漏失系数集合进行比较，那么就很容易的确定漏失的位置以及漏失的大小。

Claims (5)

1.基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，其特征在于，它包括处理器(1)、存储器(2)、数据采集卡(3)和M个压力传感器(4)；

在输油管道上均匀设置M个压力传感器(4)，每个压力传感器(4)的压力信号输出端均与数据采集卡(3)的压力信号输入端相连；

数据采集卡(3)的压力信号输出端与处理器(1)的压力信号输入端相连；

处理器(1)的数据传输端与存储器(2)的数据传输端相连；

处理器(1)对采集的压力信号进行实时处理，采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否漏失。

2.根据权利要求1所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，其特征在于，它还包括显示器(6)，处理器(1)的显示信号输出端与显示器(6)的显示信号输入端相连。

3.根据权利要求1所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，其特征在于，它还包括M个控制阀(5)，每个压力传感器(4)配备一个控制阀(5)，控制阀(5)用于控制该压力传感器(4)是否发送数据。

4.根据权利要求1所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，其特征在于，压力传感器(4)采用了中美合资麦克传感器有限公司的MPM480型压阻式变送器来实现。

5.根据权利要求2所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置，其特征在于，处理器(1)对采集的压力信号进行实时处理，采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否漏失的过程包括以下步骤：

步骤一、由初始稳定状态管道运行数据获得待测输油管道的基础压力波形；

步骤二、周期性监测待测输油管道的压力情况，获取待测输油管道上M个压力监测点的k个周期的压力测量值

i为待检测压力点的序号，i=1，2,...，M，M为待测压力点的数量；

m为周期，m=0，1，...，k，共k个周期；

步骤三、漏失点初始化：i=1；漏失系数初始化：s=s₁，且漏失系数数组为s=(s₁，s₂....，s_N)漏失系数数组的因子取值范围为0.1～0.9；

步骤四、获取第i个压力测试点一组管瞬变流压力值

j=1，2，...，k，

第j个周期的管瞬变流压力值

按如下公式获取：

$H_{P-i}^j\frac{1}{2}(C_{P-i}^j+C_{M-i}^j),$

其中： $C_{P-i}^j=H_L+B\·v_L-R(1-p)v_L\left|v_L\right|+v_L\mathrm{\Δ}t\sin \mathrm{\θ}$

H_L为当前压力监测点P点的前一点L处的压力；

a为瞬变流压力波传播速度，g为重力加速度；

v_L为P点前一点L处的速度；

f为管道摩阻系数，Δt为时间步长，D为管道直径；

p为线性化常数；

sinθ为管道方向与水平方向成角的正弦值；

$C_{M-i}^j=H_R-B\·v_R+R(1-p)v_R\left|v_R\right|+v_R\mathrm{\Δ}t\sin \mathrm{\θ}$

其中：H_R为当前压力监测点P点的后一点R处的压力；

v_R为P点的后一点R处的速度；

步骤五、根据反问题分析模型

获取s=(s₁，s₂…，s_N)时第i个压力监测点的N个值，并存储E_i(s)=min{E_i(s)，s=(s₁，s₂…，s_N)}；

步骤六、判断是否满足条件i≥M，判断结果为否，则令i=i+1，并返回执行步骤四；判断结果为是，则M个压力监测点的数据反问题分析模型处理完成，获取集合{E_i(s)，i=1，2,...，M}；

步骤七、若集合{E_i(s)，i=1，2,...，M}中的M个值都为0，则判定待监测的输油管道无漏失点；

否则，对集合{E_i(s)，i=1，2,...，M}中各个数值进行判断，得到集合中的最小值，即min{E_i(s)}，该最小值对应的压力监测点被判定为管道漏失点。

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