CN104373821A - 基于声学主动激励的天然气管道安全监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声学主动激励的天然气管道安全监测装置，属于管道监测技术领域。该过程包括：在管道首端入口处放置声源向管道内发射声波，当沿管道轴向传播的声波遇到水合物或者管道泄漏时会产生反射信号；在管道入口附近放置麦克风采集反射波信号；麦克风输出进入信号调理模块，然后由多功能数据采集卡进行模数转换，最后进入计算机进行分析。通过计算发射声波信号与反射信号时间差即可对水合物或者管道泄漏进行定位，从而实现对天然气管道的实时监测。本发明的主要优点在于该方法简单易用、定位精度高、系统占用资源少、运行可靠。

Description

基于声学主动激励的天然气管道安全监测装置

技术领域

本发明涉及一种基于声学主动激励的天然气管道安全监测装置，属于管道监测技术领域。

背景技术

为满足国民经济和社会工业低碳化发展的要求，天然气产业得到了快速发展，天然气管道的建设、运营、维护和保障逐渐成为能源建设领域的重中之重。在天然气开采、加工和集输过程中，当满足一定的低温和高压条件时，天然气水合物会在天然气管道中形成并凝聚，轻则干扰正常生产，造成天然气管道运输能力下降，重则堵塞井筒、管道、阀门等设备造成停产，甚至可能引起输气管道爆裂，引发安全事故，导致严重的经济、社会和人员损失。另外，由腐蚀或者外界入侵引起的泄漏事件也会造成严重的经济损失及安全事故。

因此，如何及时发现天然气管道内的天然气水合物和泄漏事件，减少其对正常生产的影响并避免事故发生，是业界人士关注焦点。目前，国内外对于天然气管道内泄漏事件以及水合物监测技术研究处于起步阶段，国外一些学者已报道一些相关工作，但国内尚未见类似成果报道。

在输油管道上普遍采用的负压波泄漏检测技术，由于管道输送介质的不同，其依赖的由泄漏引起的压力跳变在天然气管道中变得相当不明显，同时负压力波在天然气管道中相比输油管道衰减得快，因此该技术并不适用于天然气管道，同时也无法监控水合物的生成。英国专利WO2012/156669阐述了一套离线天然气水合物早期预警系统，该系统通过采集油气井或传输管道中的样品，测量样品中的声速和电导率两个关键物理参数，并通过人工神经网络得到样品中抑制剂和盐的浓度，随后将上述浓度值输入到天然气水合物相界模型，从而判断出当前样品存在天然气水合物形成的风险。但该方法仅能做离线分析，无法实现全天候实时监控，存在着漏检的可能性，而且该方法对天然气管道泄漏无能为力。另一种方法利用压力波传播检测法来检测管道内的沉积物，即该方法利用快速阀门制造机械波，其在管道内传播，通过检测反射波来确定管道内是否存在沉积物，同时对其进行定位。但是该方法存在一定缺陷，其容易形成水击效应，可对管道及其支撑环节造成相当大的损害(Water hammer induced byfast-acting valves：Experimental studies at pilot plant pipework.Multiphase Science andTechnology，2008，20(3-4)，pp239-263.A.Dudlik，H.M.Prasser，A.Apostolidis，and A.Bergant)。

声波在管道中传播是一个很复杂的过程，理想情况下，平面波在管道内传播过程中的衰减可通过下式计算：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{cr}}[\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\ρ\ω}}}+(\mathrm{\γ}-1)\sqrt{\frac{k}{2\mathrm{\ρ\ω}{c}_p}}]---\left(1\right)$

其中α为衰减系数，ω为角频率，c为声速，r为管道半径，μ为剪切粘度，ρ为密度，γ为比热比，k为热导率，c_p为比热容。上式表示的是因气体粘度和热转移引起的损耗。除此之外，因平面波遇到声阻变化而引发的反射也会造成能量损耗，其反射系数R由下式确定：

$R=\frac{{(z_1-z_2)}^2}{{(z_1+z_2)}^2}---\left(2\right)$

其中z₁和z₂分别表示两个传播介质的声阻。可见声阻变化越大，则反射系数越大，意味着反射波能量越大。

当天然气管道中存在水合物或者产生泄漏时，管道内声阻抗在相应位置会发生突变，因此向管道内发射声波信号会在水合物聚集或者泄漏位置处产生反射波，通过反射波返回的时间即可对水合物以及泄漏事件进行检测和定位。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声学主动激励的天然气管道水合物及泄漏在线实时监测装置，该方法具有定位精度高和运行可靠的特点。

本发明的技术方案为：基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于包括以下过程：计算机(1)或者信号发生器产生的激励信号经声源驱动模块(4)输出，驱动放置于管道首端入口处的声源(5)发出声波信号，管道内的声波将从首端沿管道传播，一旦遇到水合物(8)或泄漏点(7)，一部分能量将以反射波的形式返回首端，固定在管道入口附近的麦克风(6)用于记录反射波信号，麦克风输出将进入信号调理模块(3)，后进入多功能数据采集卡(2)的模/数转换部分，最后进入计算机进行处理。系统根据实际需要向管道内发出声波，计算机对反射波信号进行相应的分析和计算，根据反射波传播时间即可确定水合物或泄漏点的位置，从而实现对天然气管道的实时监控。

其中声源发出的声波信号为脉冲信号且由激励决定。脉冲声波信号的脉冲宽度、频率以及能量均可控。声源的激励信号可以由计算机内的上位机程序驱动多功能数据采集卡的数/模转换部分产生，也可以由信号发生器产生。

信号调理模块包括信号放大和滤波器对反射波信号进行放大和滤波处理。

多功能数据采集卡根据声波信号特征不同可以设定为触发采样模式或连续采样模式，采样频率由上位机程序控制。

计算机对反射波信号的分析处理，包括微弱检测信号处理方法，反射信号特征提取方法以及模式识别方法。其中，微弱信号处理方法包括采用小波分析、经验模态分解、匹配滤波器和零相位滤波等先进信号处理方法将背景噪声剔除，提高检测信号信噪比，突出真实的反射声信号；反射信号特征提取方法包括小波分析、经验模态分解、混沌分析和复杂网络等方法；反射信号模式识别方法包括人工神经网络和支持向量机等方法。

系统定位方法可以通过直接计算脉冲声信号发射与反射脉冲声波返回首端的时间差对水合物或者管道泄漏位置进行定位。

本发明的第一个优点在于利用主动声源激励探测反射波信号，可以实现长距离分布式监测；第二个优点是可以实现管道内水合物沉积以及管道泄漏事件的在线实时监测；第三个优点是利用声波反射原理，定位准确性高；第四个优点是系统体积小，安全可靠，安装方便。

附图说明

图1为管道内声波传播示意图。

图2为不同水合物尺寸情况下声场分布仿真结果。

图3为本发明的系统组成图。监测系统包括：1为计算机、2为多功能数据采集卡、3为信号调理模块、4为声源驱动模块、5为声源、6为麦克风、7为泄漏点。

图4为本发明的水合物堵塞检测信号时间-电压示意图。

图5为本发明的泄漏事件检测信号时间-电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

根据图1所示，脉冲声波信号E在管道内沿着管道传播，当遇到水合物沉积导致的管道内径变化时，声信号经历的管道内声阻抗会发生突变，声阻抗的阶跃变化会引起入射声信号的一部分能量发生反射，形成反射波R，剩余能量T继续沿着管道向前传播。

图2显示了当管道内存在水合物凝聚，水合物占管径截面不同比例(分别为10％、40％和70％)情况下，管道内瞬时声场分布情况(均为局部放大图，单位为归一化压力单位)的仿真结果。其中，管道内天然气静态压力为10MPa，温度为275.15K，上述条件下管道内声速约377m/s，激励信号为声脉冲。在仿真过程中管道内75m处放置水合物，其中水合物厚度为20cm。从图3可看出，声信号传播到水合物处时，在天然气和水合物交界处发生明显反射现象。

实验研究表明，当管道发生泄漏时也会引起声阻抗的变化以及声波的反射。实际上，当管道发生泄漏时，沿着管道分布的静态压强在泄漏点处会发生扰动，正是该压强变化引起声波的反射。

图3所示为基于主动声源激励的天然气管道安全监测系统的组成框图，该监测系统包括：计算机1、多功能数据采集卡2、信号调理模块3、声源驱动模块4、声源5以及麦克风6。

声波由放置于管道首端入口处的声源5所发出，该声源的激励信号由信号发生器或者计算机1内的软件系统生成，然后输出至多功能数据采集卡2的数/模转换部分并由声源驱动模块4输出来驱动声源以发出声波信号。管道内的声波将从首端沿管道传播，一旦遇到水合物8或者泄漏点7，一部分能量将以反射波的形式向首端返回，固定在管道入口附近的麦克风用于记录反射波信号，从而根据反射波传播时间来确定水合物或泄漏点的位置。麦克风输出将进入信号调理模块3进行放大和滤波处理，然后进入多功能数据采集卡的模数转换部分进行采样，最后进入计算机进行分析。系统通过不断的根据实际需要向管道内发出声波，计算机对回波进行相应的分析和计算，即可实现对天然气管道的实时监控。

为了验证系统检测有效性，在实际天然气管道上按图3所示搭建系统进行模拟水合物堵塞及泄漏试验。声源信号为一个周期的脉冲声信号，信号频率为100Hz。试验管道管径为DN80，在距首端声源约85m位置处用法兰连接，距首端100m处焊接一阀门。将不同尺寸的冰放置于法兰位置以模拟水合物堵塞事件，通过外接阀门可以模拟不同孔径的泄漏事件。

图4所示为模拟水合物堵塞分别占管径10％、30％以及50％时系统检测信号，横坐标为时间，纵坐标为麦克风输出电压信号。图中，第一个声脉冲信号为声源发射信号，第二个脉冲为水合物引起的反射波信号，第三个脉冲信号为二次反射信号，根据第一个反射声波信号与发射声波信号的时间差以及声波在管道中的传播速度可以得到水合物位置为85m，与实际情况相吻合。

图5所示为模拟泄漏事件系统检测信号。其中，图5(a)所示为模拟泄漏孔径5mm检测结果，图5(b)所示为模拟泄漏孔径10mm时检测结果。根据反射波信号与发射声波信号的时间差可以得到泄漏位置为100m，与实际情况相吻合。从图4和图5可以看出，水合物堵塞和泄漏事件信号特征有明显不同，因此通过模式识别算法可以加以区分。

Claims (9)

1.一种基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于包括以下过程：1)在管道首端入口处放置声源向管道内发射声波，当沿管道轴向传播的声波遇到水合物或者管道泄漏时会产生反射信号，通过采集反射信号可根据其传播时间对水合物或者泄漏位置进行定位，2)在管道入口附近放置麦克风采集入射声波遇到水合物或者管道泄漏时产生的反射波信号，3)麦克风输出进入信号调理模块，然后由多功能数据采集卡进行模数转换，最后进入计算机进行分析，4)通过不断地向管道内发射声波，计算机对反射波进行相应的分析和计算，即可实现对天然气管道的实时监测。

2.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于所述声源发出的声波为脉冲声信号，通过计算脉冲声信号发射与反射波返回首端的时间差对水合物或者管道泄漏位置进行准确定位。

3.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于所述声源的激励信号由计算机内的软件系统生成并输出至多功能数据采集卡的模数转换部分后经声源驱动模块输出，也可由信号发生器产生后经声源驱动模块输出驱动声源以发出所需声波信号。

4.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于声源脉冲激励信号的脉冲宽度、频率可控，声波信号的频率、能量可调。

5.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于所述信号调理模块包括信号放大和滤波器对反射波信号进行放大和滤波处理。

6.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于多功能数据采集卡可以设定为触发模式，采样触发信号为脉冲激励信号，也可以设定为连续采样模式，采样频率由计算机软件控制。

7.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于计算机对反射波信号的分析处理包括采用小波降噪方法；采用经验模态分解方法；采用匹配滤波器方法；采用零相位滤波方法将背景噪声剔除，提高检测信号信噪比。

8.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于计算机对反射波信号的特征提取，采用小波分析方法；采用经验模态分解方法；采用混沌分析方法；采用复杂网络方法。

9.根据权利要求1所述的基于声学主动激励的天然气管道安全监测方法，其特征在于计算机对反射波信号的模式识别，采用人工神经网络方法；采用支持向量机方法。