CN107084313A - 矿浆管道泄漏定位报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿浆管道安全维护领域，具体的讲是矿浆管道泄漏定位报警系统及方法，其技术要点是：包括两个以上压力传感器、一号流量传感器、二号流量传感器、数据处理器和报警器，两个以上压力传感器沿矿浆管道流向与矿浆管道外壁连接，且相邻压力传感器间距相等，一号流量传感器设于矿浆管道起始端，二号流量传感器设于矿浆管道末端，数据处理器分别与压力传感器、一号流量传感器、二号流量传感器和报警器连接，将“负压波法”和“流量平衡法”二者相结合；解决了现有矿浆管道存在泄漏定位不准确的问题，负压波法在实际运用中无法准确确定上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差从而导致泄漏点位置判断错误的问题。

Description

矿浆管道泄漏定位报警系统及方法

技术领域

本发明涉及矿浆管道安全维护领域，具体的讲是矿浆管道泄漏定位报警系统及方法。

背景技术

矿浆管道在现代社会中的应用越来越广泛,但是随着管道运行时间的延长,由于各种外力原因，如地震、施工、山体滑坡导致的管道泄漏将造成资源的浪费和环境污染,建立管道泄漏定位方法,及时准确地报告事故管段的具体地理位置,可以最大限度地减少经济损失和环境污染。矿浆输送管道一旦发生泄漏事故,如果发现不及时将造成重大环境污染和危险事故等, 同时也因输送矿浆的泄漏，如果不及时采取相应措施，将会给企业带来重大的经济损失，因此及时、迅速发现管道泄漏并准确判定泄漏点成为管线安全平稳运行的当务之急。

矿浆管道是钢铁企业的生命线，自然破损或人为破坏等会造成管线穿孔或断裂，若不能及时发现及时处理，不仅影响生产，还会导致矿浆漏失、污染环境等一系列不良后果，经济损失可想而知。如果采用技术手段对管线进行有效的在线实时监测，及时准确地判断泄漏发生并确定泄漏位置，则能够将损失减小到最低程度。

管道泄漏监测的方法有很多种，其中属于“水力参数监测”范畴的有管道瞬变模型法也叫质量平衡法、负压波法也叫减压水击波法、管道流量平衡法等。另外还有“振动声波监测法”，“泄漏声波监测法”等，其中又以“负压波法”应用最成功。

其中“负压波法”通过监测“泄漏”引起的“压力下降”来判断有无泄漏发生并进行定位，某些站内操作引起的非泄漏“压力下降”必须屏蔽，否则会发生频繁的无意义报警。“流量平衡法”是靠管道两端的流量计实时监测比对进出流量，判断有无泄漏发生，而两种方法都有自身的局限性，所需要调用和采集的数据不同。

中国专利CN106015948A，公开了一种长输油管道泄漏点快速准确定位的方法及装置，通过现非线性系统在过程和量测误差是非高斯分布情况下长输油管道泄漏点的定位，提出的随机H∞滤波方法及装置能够解决网络环境所引起的随机数据丢失情形下长输油管道泄漏点定位。

其不足点在于，计算过于复杂且最终定位的泄漏点与实际泄漏点差距较大，定位精准度较低。

因此需要一种将“负压波法”和“流量平衡法”二者相结合，极大提高管道泄漏定位报警准确性的矿浆管道泄漏定位报警系统及方法。

发明内容

本发明针对现有矿浆管道存在泄漏定位不准确的问题，负压波法在实际运用中无法准确确定上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差从而导致泄漏点位置判断错误的问题，提供矿浆管道泄漏定位报警系统及方法。

本发明解决上述技术问题，采用的技术方案是，矿浆管道泄漏定位报警系统，包括两个以上压力传感器、一号流量传感器、二号流量传感器、数据处理器和报警器，两个以上压力传感器沿矿浆管道流向与矿浆管道外壁连接，且相邻压力传感器间距相等，一号流量传感器设于矿浆管道起始端，二号流量传感器设于矿浆管道末端，数据处理器分别与压力传感器、一号流量传感器、二号流量传感器和报警器连接。

进一步的，两个以上压力传感器、一号流量传感器、二号流量传感器和报警器通过无线方式与数据处理器连接。

本发明解决上述技术问题，还提供了矿浆管道泄漏定位报警方法，包括以下步骤：

第一步，采集统计正常输送时，矿浆管道的管压和矿浆流速；

第二步，矿浆管道发生泄漏，沿矿浆管道中矿浆流向，泄漏点距离最近的两个压力传感器分别为位于泄漏点上游的上游压力传感器和位于泄漏点下游的下游压力传感器，测定矿浆压力波在矿浆管道中压力波传播速度a；

第三步，确定上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差Δt；

第四步，通过矿浆压力波在矿浆管道中压力波传播速度a、上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差Δt和上游压力传感器与下游压力传感器间距L，确定泄漏点与上游压力传感器的距离X。

进一步的，第一步中，通过一号流量传感器、二号流量传感器和压力传感器采集统计矿浆管道正常输送时，压力传感器压力读数、一号流量传感器流速和二号流量传感器流速。

进一步的，第二步中，矿浆管道中压力波传播速度a由以下公式计算得：

其中，a为矿浆管道中压力波传播速度，单位为m/s；K为矿浆的体积弹性系数，单位为 Pa；ρ为矿浆的平均密度，单位为Kg/m³；E为矿浆管道的弹性，单位为Pa；D为管道的直径，单位为m；e为管壁厚度，单位为m；C₁为管道约束条件修正系数。

进一步的，第三步中，采集上游压力传感器在矿浆管道泄漏期间压力随着时间变化的信号图，通过db小波对信号图进行重构，确定上游压力传感器产生压力变化时间t₁，采集下游压力传感器在矿浆管道泄漏期间压力随着时间变化的信号图，通过db小波对信号图进行重构，确定下游压力传感器产生压力变化时间t₂，通过|t₁-t₂|得出上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差Δt。

进一步的，第三步中，先将上游压力传感器在矿浆管道泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行低频重构，再将上游压力传感器在矿浆管道泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行高频分解，对比低频重构和高频分解图，得出管道发生泄漏后上游压力传感器采集到泄漏点压力波，导致压力变化时间t₁。

进一步的，第三步中，先将下游压力传感器在矿浆管道泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行低频重构，再将下游压力传感器在矿浆管道泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行高频分解，对比低频重构和高频分解图，得出管道发生泄漏后下游压力传感器采集到泄漏点压力波，导致压力变化时间t₂。

可选的，第三步中，低频重构为将压力随着时间变化的信号图在低频段进行5个层次重构，高频分解为将压力随着时间变化的信号图在高频段进行7个层次重构。

进一步的，第四步中，泄漏点与上游压力传感器的距离X由以下公式计算得：

其中a为矿浆压力波在矿浆管道中压力波传播速度、Δt为上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差，L为上游压力传感器与下游压力传感器间距，X为泄漏点与上游压力传感器的距离。

这样设计的目的在于，通过一号流量传感器、二号流量传感器和压力传感器采集统计正常输送时的，矿浆管道的管压与矿浆流速，获得初始的管压数据与矿浆流速数据，当发生泄漏时，泄漏点压力突然降低所产生的负压力波将沿管道向两端传播，瞬时传播速度是介质粘度、密度、管道管径、弹性模量的函数。当该负压波传递到管道中时，引起泄漏点上游压力传感器和泄漏点下游压力传感器压力降低以及流量变化。

通过数据传输将压力和流量信号实时传输到数据处理器中，实现动态监测。泄漏位置不同，两个站响应的时间差也不同，根据管道长度、压力传播速度等，并通过查阅相应管道工况参数及被输介质的理化性质和温度衰减等引起压力波的传递速度及衰减速度变化进行必要的补偿和修正，即可计算出相应泄漏位置。

在计算泄漏位置时，需要对上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差Δt进行确认，由于现场各种工况的干扰，如电磁干扰、震动、启停泵、开关阀门等因素的影响，实际采集的负压波信号附着大量干扰波信号，干扰波信号必须进行处理，从而获取压力波时间拐点，精确的得到时间差。

将上游压力传感器与下游压力传感器持续采集的压力信号制成信号图，采用连续db小波变换的时间--尺度特性可以有效地检测信号的奇异性。信号在其突变点处通常是奇异的，利用小波变换的极值点可以检测出信号的边沿。小波变换还可以抑制噪声波形，在强噪声背景下还原出信号的原始波形。将小波变换的这一原理用于动态系统的故障检测，可以提高故障检测的灵敏度和克服噪声能力。

当数据处理器判断出矿浆管道发生泄漏后，通过控制报警器实现报警功能，提醒作业人员对泄漏点进行修复。

本发明的有益效果至少包括以下之一；

1、“负压波法”和“流量平衡法”二者相结合，极大提高管道泄漏定位报警准确性。

2、通过网络、3G/4G、电台等无线方式把压力和流量信号实时传输到处理器中，即可实现动态监测，减少传输用线。

3、通过对压力随着时间变化的信号图进行低频重构和高频分解，大幅提高判断出上游压力传感器与下游压力传感器采集到泄漏点压力波，导致压力变化时间，从而更为准确的计算出上游压力传感器与下游压力传感器接收压力波的时间差Δt。

附图说明

图1为矿浆管道泄漏定位报警系统及矿浆管道结构示意图；

图2为上游压力传感器采集到压力随时间变化信号图；

图3为图2采用db小波进行低频5个层次重构的信号图；

图4为图2采用db小波进行高频7个层次分解的信号图；

图中标记为：1为矿浆管道、2为泄漏点、3为上游压力传感器、4为下游压力传感器、5 为一号流量传感器、6为二号流量传感器、7为数据处理器、8为报警器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点能够更加清晰明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明保护内容。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“中央”、“周向”、“上”、“内侧”、“外侧”、“另一端”、“中部”、“顶部”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，矿浆管道泄漏定位报警系统及矿浆管道结构示意图，矿浆管道泄漏定位报警系统包括两个以上压力传感器、一号流量传感器5、二号流量传感器6、数据处理器7和报警器8，两个以上压力传感器沿矿浆管道1流向与矿浆管道1外壁连接，且相邻压力传感器间距相等，一号流量传感器5设于矿浆管道1起始端，二号流量传感器6设于矿浆管道1末端，数据处理器7分别与压力传感器、一号流量传感器5、二号流量传感器6和报警器8连接。

使用时，一号流量传感器、二号流量传感器和压力传感器采集统计正常输送时的，矿浆管道的管压与矿浆流速，获得初始的管压数据与矿浆流速数据，当发生泄漏时，泄漏点压力突然降低所产生的负压力波将沿管道向两端传播，瞬时传播速度是介质粘度、密度、管道管径、弹性模量的函数。当该负压波传递到管道中时，引起泄漏点上游压力传感器和泄漏点下游压力传感器压力降低以及流量变化。

通过数据传输将压力和流量信号实时传输到数据处理器中，实现动态监测。泄漏位置不同，两个站响应的时间差也不同，根据管道长度、压力传播速度等，并通过查阅相应管道工况参数及被输介质的理化性质和温度衰减等引起压力波的传递速度及衰减速度变化进行必要的补偿和修正，即可计算出相应泄漏位置。

实施例2

基于实施例1，两个以上压力传感器、一号流量传感器5、二号流量传感器6和报警器8 通过无线方式与数据处理器7连接。

实施例3

矿浆管道泄漏定位报警方法，包括以下步骤：

通过一号流量传感器5、二号流量传感器6和压力传感器统计矿浆管道1正常输送时，压力传感器压力读数、一号流量传感器5流速和二号流量传感器6流速。

矿浆管道1中压力波传播速度a由以下公式计算得：

其中，a为矿浆管道1中压力波传播速度，单位为m/s；K为矿浆的体积弹性系数，单位为Pa；ρ为矿浆的平均密度，单位为Kg/m³；E为矿浆管道1的弹性，单位为Pa；D为管道的直径，单位为m；e为管壁厚度，单位为m；C₁为管道约束条件修正系数。

采集上游压力传感器3在矿浆管道1泄漏期间压力随着时间变化的信号图，通过db小波对信号图进行重构，确定上游压力传感器3产生压力变化时间t₁，采集下游压力传感器4在矿浆管道1泄漏期间压力随着时间变化的信号图，通过db小波对信号图进行重构，确定下游压力传感器4产生压力变化时间t₂，通过|t₁-t₂|得出上游压力传感器3与下游压力传感器4 接收压力波的时间差Δt。

先将上游压力传感器3在矿浆管道1泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行低频重构，再将上游压力传感器3在矿浆管道1泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过 db小波进行高频分解，对比低频重构和高频分解图，得出管道发生泄漏后上游压力传感器3 采集到泄漏点2压力波，导致压力变化时间t₁。

先将下游压力传感器4在矿浆管道1泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行低频重构，再将下游压力传感器4在矿浆管道1泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过 db小波进行高频分解，对比低频重构和高频分解图，得出管道发生泄漏后下游压力传感器4 采集到泄漏点2压力波，导致压力变化时间t₂。

泄漏点2与上游压力传感器3的距离X由以下公式计算得：

其中a为矿浆压力波在矿浆管道1中压力波传播速度、Δt为上游压力传感器3与下游压力传感器4接收压力波的时间差，L为上游压力传感器3与下游压力传感器4间距，X为泄漏点2与上游压力传感器3的距离。

从而计算出泄漏点2距离上游压力传感器3的距离。

实施例4

如图2至4所示，国内某矿浆管道于2015年实施矿浆管道泄漏应急演练，该矿浆管道内径D为224.5mm，矿浆密度ρ为2121kg/m3，管道材质弹性模量E为2.07*10^11pa,管道壁厚e为10mm,上游传感器与下游传感器距离L为47公里，泄漏点设定在距管道上游泵站 35.2公里处，以上方法理论计算泄漏点，经实验测得输送矿浆的体积弹性模量为27*10^7pa。

通过理论计算测得负压波速约为992m/s，将上游压力传感器采集到压力随时间变化信号图导出制得图3，当管道发生泄漏时，压力信号由于受到现场的各种干扰，使其完全淹没在噪声之中，很难看出压力信号波形的原始走势，更难以确定时间拐点的具体位置，进而确定不出压力信号波形突降的时刻，无法进行泄漏点定位。

利用小波分析的方法对压力信号进行消噪、重构以及细节信息的还原来确定拐点的具体位置。采用db小波对图2进行低频段5个层次的重构得到图3，可以看出信号在分解到第5 层,即a5已经较为明显的还原出了压力信号波形的原始走势，并在第3100ms采样点左右出现了压力降，意味着管道发生泄漏。但低频段重构出的近似信号很容易丢失信号原有的细节信息，因此还需对信号进行高频段的重构来更加精确的提取出信号的细节信息。

采用db小波对图2进行高频段7个层次的分解得到图4，图4中d1—d7反映了信号在高频段的细节特征,当压力信号波形被分解到第7层,即d7时,可以明显看出压力信号在第3200ms,采样处发生了尖峰突变,再结合图3中a1—a5的低频重构信号，确定出压力信号在第3200ms,采样点处产生压力降，即管道发生泄漏。后将第3200ms,采样点处所对应的具体时间记为t₁,即可得到首端压力传感器接收到泄漏信息的具体时间,同理根据末端压力传感器的压力信号波形分析计算出t₂,即可得到时间差Δt。

最终得出时间差Δt为23.16秒，利用矿浆管道泄漏定位公式理论计算得到泄漏点距上游压力传感器距离为34.97公里，理论计算值与实施演练时矿浆泄漏点位置偏差0.23公里。极大提高管道泄漏定位报警准确性。

Claims (10)

1.矿浆管道泄漏定位报警系统，其特征在于：包括两个以上压力传感器、一号流量传感器(5)、二号流量传感器(6)、数据处理器(7)和报警器(8)，两个以上所述压力传感器沿矿浆管道(1)流向与矿浆管道(1)外壁连接，且相邻压力传感器间距相等，所述一号流量传感器(5)设于矿浆管道(1)起始端，所述二号流量传感器(6)设于矿浆管道(1)末端，所述数据处理器(7)分别与压力传感器、一号流量传感器(5)、二号流量传感器(6)和报警器(8)连接。

2.根据权利要求1所述的矿浆管道泄漏定位报警系统，其特征在于：两个以上所述压力传感器、一号流量传感器(5)、二号流量传感器(6)和报警器(8)通过无线方式与数据处理器(7)连接。

3.矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，采集统计正常输送时，矿浆管道(1)的管压和矿浆流速；

第二步，矿浆管道(1)发生泄漏，沿矿浆管道(1)中矿浆流向，泄漏点(2)距离最近的两个压力传感器分别为位于泄漏点(2)上游的上游压力传感器(3)和位于泄漏点(2)下游的下游压力传感器(4)，测定矿浆压力波在矿浆管道(1)中压力波传播速度a；

第三步，确定上游压力传感器(3)与下游压力传感器(4)接收压力波的时间差Δt；

第四步，通过矿浆压力波在矿浆管道(1)中压力波传播速度a、上游压力传感器(3)与下游压力传感器(4)接收压力波的时间差Δt和上游压力传感器(3)与下游压力传感器(4)间距L，确定泄漏点(2)与上游压力传感器(3)的距离X。

4.根据权利要求3所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第一步中，通过一号流量传感器(5)、二号流量传感器(6)和压力传感器统计矿浆管道(1)正常输送时，压力传感器压力读数、一号流量传感器(5)流速和二号流量传感器(6)流速。

5.根据权利要求3所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第二步中，矿浆管道(1)中压力波传播速度a由以下公式计算得：

其中，a为矿浆管道(1)中压力波传播速度，单位为m/s；K为矿浆的体积弹性系数，单位为Pa；ρ为矿浆的平均密度，单位为Kg/m³；E为矿浆管道(1)的弹性，单位为Pa；D为管道的直径，单位为m；e为管壁厚度，单位为m；C₁为管道约束条件修正系数。

6.根据权利要求3所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第三步中，采集上游压力传感器(3)在矿浆管道(1)泄漏期间压力随着时间变化的信号图，通过db小波对信号图进行重构，确定上游压力传感器(3)产生压力变化时间t₁，采集下游压力传感器(4)在矿浆管道(1)泄漏期间压力随着时间变化的信号图，通过db小波对信号图进行重构，确定下游压力传感器(4)产生压力变化时间t₂，通过|t₁-t₂|得出上游压力传感器(3)与下游压力传感器(4)接收压力波的时间差Δt。

7.根据权利要求6所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第三步中，先将上游压力传感器(3)在矿浆管道(1)泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行低频重构，再将上游压力传感器(3)在矿浆管道(1)泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行高频分解，对比低频重构和高频分解图，得出管道发生泄漏后上游压力传感器(3)采集到泄漏点(2)压力波，导致压力变化时间t₁。

8.根据权利要求7所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第三步中，先将下游压力传感器(4)在矿浆管道(1)泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行低频重构，再将下游压力传感器(4)在矿浆管道(1)泄漏期间压力随着时间变化的信号图通过db小波进行高频分解，对比低频重构和高频分解图，得出管道发生泄漏后下游压力传感器(4)采集到泄漏点(2)压力波，导致压力变化时间t₂。

9.根据权利要求8所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第三步中，低频重构为将压力随着时间变化的信号图在低频段进行5个层次重构，高频分解为将压力随着时间变化的信号图在高频段进行7个层次重构。

10.根据权利要求3所述的矿浆管道泄漏定位报警方法，其特征在于：所述第四步中，泄漏点(2)与上游压力传感器(3)的距离X由以下公式计算得：

其中a为矿浆压力波在矿浆管道(1)中压力波传播速度、Δt为上游压力传感器(3)与下游压力传感器(4)接收压力波的时间差，L为上游压力传感器(3)与下游压力传感器(4)间距，X为泄漏点(2)与上游压力传感器(3)的距离。