CN107830412A - 管道不完全堵塞位置检测系统和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管道不完全堵塞位置检测系统，包括压力波脉冲发射装置、压力传感器以及与该压力传感器相连的传感器数据采集系统；所述压力波脉冲发射装置产生压力波脉冲信号，以使该压力波脉冲信号在该管道中通过管道内的介质传输；所述压力传感器感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，并输出至传感器数据采集系统。本发明还提供一种管道不完全堵塞位置检测方法，利用小波变换分析所述传感器数据采集系统采集到的数据，并计算出管道不完全堵塞位置。管道不完全堵塞位置检测系统和检测方法，在管道发生不完全堵塞初期时能够有效检测出堵塞物的堵塞位置，及时采取措施，确保管道的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及管道堵塞检测领域，具体为一种管道不完全堵塞位置检测系统和检测方法。
背景技术
随着我国经济建设的高速发展，对天然气的需求越来越大，为了满足各地对天然气的需求，现在已建成多条全国性供气管道网络，管道运输是天然气输送的主要方式。但随着长时间输气管道的投产运行，由于管道腐蚀老化或人为破坏等因素，不可避免会造成管道事故。特别是在天然气长输管道，由于长期处于野外又缺乏日常检查及维护，很容易发生管道堵塞事故。另外，由于管道变形导致清管器运行时被卡住造成堵塞，在实际作业过程中经常发生。天然气长输管道发生堵塞将会导致整个运行系统的效率降低，并增加潜在的事故风险。如果能在管道发生堵塞的初期及时发现，提前采取清管措施，就可以避免引起严重的管道堵塞事故。
为了解决管道出现的堵塞问题，目前国内外探索出了一些有效的方法，大概分为：管道应变法、注油试压法、γ射线法、仪器探测法、瞬变分析法。管道应变法需要沿管道铺设光纤，对于已建成没有铺设光纤的管道不适用，对新建管道铺设光纤，前期投入和后期维护的费用都比较高，难以推广应用；注油试压法适用于管道发生完全堵塞的情况，不能解决不完全堵塞的情况；γ射线法检测仪器昂贵，且只适用于局部管段的精确探堵；利用瞬变分析法对管道进行探堵具有不确定性，但瞬变分析法的优势也很明显，如：可实现远程检测、使用设备少、检测效率高等。现在运用瞬变分析法对管道堵塞进行检测的研究还主要集中液体管道，对气体管道，特别是天然气长输管道的研究还比较少。而且现有技术中对管道完全堵塞的检测系统和检测方法较多，对管道不完全堵塞检测系统和检测方法较少。
因此，亟需一种实用、可靠的对天然气长输管道发生不完全堵塞位置进行检测的系统和方法以确保天然气长输管道的安全运行。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种管道不完全堵塞位置检测系统，管道不完全堵塞时能够有效检测出堵塞物的堵塞位置，在管道发生堵塞初期及时发现，确保管道的安全运行。
本发明的另一目的在于提供了一种管道不完堵塞位置检测方法，管道不完全堵塞时能够有效检测出堵塞物的堵塞位置，在管道发生堵塞初期及时发现，确保管道的安全运行。
本发明的技术方案如下：
一种管道不完全堵塞位置检测系统，其关键在于：包括压力波脉冲发射装置、压力传感器以及与该压力传感器相连的传感器数据采集系统；所述压力波脉冲发射装置和压力传感器沿管道长度方向依次设置在该管道的一端，并沿管道的长度方向相邻设置；所述压力波脉冲发射装置产生压力波脉冲信号，以使该压力波脉冲信号在该管道中通过管道内的介质传输；所述压力传感器感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，获取感测传输后压力波脉冲信号并输出至传感器数据采集系统；所述传感器数据采集系统采集所述压力传感器获取感测的压力波脉冲信号的数据。
进一步的，所述堵塞物位置是压力传感器与该堵塞物之间的距离。
进一步的，所述传感器数据采集系统是基于力控监控组态软件ForceControlV6.1平台的数据采集系统。
一种管道不完全堵塞位置检测方法，其关键在于，包括如下步骤：
步骤一、产生原始压力波脉冲信号，并使该信号在该管道中通过管道内的介质传输，该压力波脉冲信号始发向远离该压力波脉冲发射装置的方向传输，在管道不完全堵塞位置处形成压力扰动；
步骤二、所述压力传感器感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，感测获取传输后的压力波脉冲信号并输出至传感器数据采集系统，通过基于力控监控组态软件ForceControlV6.1平台的数据采集系统采集不同时刻压力传感器获取的压力波脉冲信号数据；
步骤三、利用小波变换分析法分析步骤二中采集到的传输后的压力波脉冲信号的数据，分析并计算出堵塞物的位置。
进一步的，所述堵塞物的位置是压力传感器与该堵塞物之间的距离。
进一步的，步骤三中利用小波变换分析法分析步骤二中采集到的传输后压力波脉冲信号的数据，分析并计算出堵塞物的位置，具体过程如下：
A)将采集到的压力波脉冲信号数据绘制成图；
B)利用小波变换对采集到的压力波脉冲信号去噪；
C)利用小波变换对去噪后的压力波脉冲信号检测奇异点；
D)通过该奇异点提取出压力传感器处压力突变的时间，计算出堵塞物位置。
与现有技术本发明的技术效果：
本发明提供了管道不完堵塞位置检测系统和检测方法，管道不完全堵塞时能够有效检测出堵塞物的堵塞位置，在管道发生堵塞的初期及时发现，提前采取清管措施，避免引起严重的管道堵塞事故，确保天然气长输管道的安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述的管道不完堵塞位置检测系统结构示意图；
图2为实施例中发明人设计的管道不完堵塞位置检测系统试验原理简图；
图3为实施例中发明人设计的管道不完堵塞位置检测系统试验的具体装置结构示意图；
图4为图3试验装置的控制框架图；
图5为传感器数据采集系统采集图3中压力变送器感测到的压力波脉冲信号数据示意图；
图6为图5中的压力波脉冲信号经过去噪后的压力波脉冲信号数据示意图；
图7为图6中去噪后的压力波脉冲信号经过小波变换后的分解信号示意图。
具体实施方式
本发明的构思是：基于管道中气体流动的连续性方程和运动方程，应用流体力学的方法建立天然气管道瞬间流动模型，对管道的瞬态特性进行研究，得到天然气长输管道中压力扰动的传播规律。对天然气长输管道不完全堵塞进行研究，得到不完全堵塞位置。分析管道内瞬态压力波动与管道不完全堵塞位置的关系，得到探索管道发生不完全堵塞位置的标定方法。
如图1所示的一种管道不完全堵塞位置检测系统，包括压力波脉冲发射装置100、压力传感器200以及与该压力传感器200相连的传感器数据采集系统300；所述压力波脉冲发射装置和压力传感器沿管道长度方向依次设置在该管道的一端，并沿管道的长度方向相邻设置；所述压力波脉冲发射装置100产生压力波脉冲信号，以使该压力波脉冲信号在该管道中通过管道内的介质传输；所述压力传感器200感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，获取感测传输后的压力波脉冲信号并输出至传感器数据采集系统300；所述传感器数据采集系统300采集所述压力传感器200获取感测压力波脉冲信号的数据。
进一步的，所述堵塞物400的位置是压力传感器200与该堵塞物400之间的距离L1。
进一步的，所述传感器数据采集系统是基于力控监控组态软件ForceControlV6.1平台的数据采集系统。
一种管道不完全堵塞位置检测方法，其关键在于，包括如下步骤：
步骤一、产生原始压力波脉冲信号，并使该信号在该管道中通过管道内的介质传输，该压力波脉冲信号始发向远离该压力波脉冲发射装置的方向传输，在管道不完全堵塞位置处形成压力扰动；
步骤二、所述压力传感器感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，感测获取传输后的压力波脉冲信号并输出至传感器数据采集系统，通过基于力控监控组态软件ForceControlV6.1平台的数据采集系统采集不同时刻压力传感器获取的压力波脉冲信号数据；
步骤三、利用小波变换分析法分析步骤二中采集到的传输后的压力波脉冲信号的数据，分析并计算出堵塞物的位置。
进一步的，所述堵塞物的位置是压力传感器与该堵塞物之间的距离。
进一步的，步骤三中利用小波变换分析法分析步骤二中采集到的传输后压力波脉冲信号的数据，分析并计算出堵塞物的位置，具体过程如下：
A)将采集到的压力波脉冲信号数据绘制成图；
B)利用小波变换对采集到的压力波脉冲信号去噪；
C)利用小波变换对去噪后的压力波脉冲信号检测奇异点；
D)通过该奇异点提取出压力传感器处压力突变的时间，计算出堵塞物位置。
具体地，发明人基于瞬态压力分析法设计了管道不完全堵塞位置检测试验，对设计的不完全堵塞模块进行了堵塞检测，并进行了试验分析，测定了试验中管道不完全堵塞位置。下面结合附图对该试验作进一步详细说明。
如图2所示的试验装置原理简图，从压缩机1出来的气体首先进入储气罐2，使储气罐2达到一定的压力，利用储气罐2和后面管线的压力差来产生瞬态压力波动；然后通过快速开、关储气罐后端的球阀3来向管线后端施加压力波脉冲；之后经过自力式压力调节阀4，自力式压力调节阀确保管线压力不超过安全压力；之后经过电动调节阀5；之后经过涡街式流量计7；之后经过压力传感器8，压力传感器对该点压力波动进行检测；之后通过堵塞单元9，压力波脉冲遇到堵塞单元时，由于堵塞单元的作用会产生反向的正压波和负压波；气体最后通过放空装置10直接放空。
本试验利用储气罐和管线的压力差形成瞬态压力波动，通过快速开、关储气罐后端球阀来实现。试验通过将制作的堵塞模块加入堵塞单元中来模拟天然气长输管道发生不完全堵塞的情况。堵塞模块是根据试验管道内径制作的填充模块，在填充模块上打标准孔来模拟管道不完全堵塞。瞬态压力波动发生时，通过管道上特定点的压力传感器检测压力信号，来测量不完全堵塞位置。
具体地：
(一)试验装置参数如下：
压缩机为博来特公司的40HP螺杆式空气压缩机，额定功率30kw，排气压力1.3MPa，排气量为3.2m3/h，通风量>7000m3/h。
储气罐采用上海申江压力容器有限公司生产的C1.0/8储气罐，设计压力为1.37Mpa，工作压力为1.3Mpa，试验压力为1.72Mpa，设计温度为110摄氏度，容积为1m3。
球阀为法兰连接，公称通径DN50，公称压力1.6MPa。
自力式压力调节阀，最大压力差为1.6MPa，工作气体温度小于等于80摄氏度，公称压力1.6MPa。
电动调节阀，控制精度：基本误差正负百分之一，回差小于等于百分之1，死区小于等于百分之1。
压力传感器，公称通径为DN50，精度等级为0.1％FS，压力量程为100kPa～0～100MPa。
涡街式流量计，公称通径为DN50，测量范围为：35～380m3/h，频率输出范围为94～100Hz。
试验管道管长为160m，公称通径为DN50。
具体实验装置如图3所示，图3中：11—压缩机 12—截止阀 13—第一球阀 14—排污阀 15—储气罐 16—放空阀 17—安全阀 18—压力表19—压力变送器 20—第二球阀21—电动调节阀 22—过滤器1 23—自力式压力调节阀 24—第三球阀 25—过滤器2 26—涡街式流量计 27—第四球阀 28—温度计 29—压力表 30—不完全堵塞模块。
上述设备中的压缩机、各类阀门、流量计、温度计、压力变送器、压力表均通过PLC控制器与工控机相连，所述压力表和压力变送器还通过PCI芯片与工控机相连，如图4所示。
(二)具体试验步骤如下：
①将管网入口处的球阀和末端的球阀关闭，然后给气体管网模拟系统接通电源。
②工控机上打开气体管网数据采集系统，输入账号密码，点击“登陆”按钮，进入气体管网数据采集截面。
③操作系统前，输入泵压阈值1.3MPa，然后操作启动压缩机，使储气罐的压力达到1MPa。
④将管道入口处的球阀打开一个较小的开度，将气体放入管道中，使压力变送器P1处的压力达到0.18MPa，然后关闭球阀。
⑤打开力态组控软件，点击“数据”按钮，进入数据采集界面，点击“数据采集”按钮，开始采集数据。快速开启管网入口处的球阀，再迅速关闭。当P1的压力稳定后，点击“停止采集”按钮，停止采集数据，然后保存数据。
⑥试验完毕后，打开管网末端的球阀对管网进行卸压。然后关闭空气压缩机，退出气体管网模拟系统。最后关闭气体管网模拟系统电源。
(三)试验数据分析
通过数据采集系统得到压力变送器的压力信号，如表1所示。
表1压力波脉冲信号数据
对原始压力波脉冲信号进行作图处理，如图5所示。图5中，第一个压力突起为突然打开球阀产生的流量脉冲引起压力变送器P1处压力的突变；第二个压力突起为不完全堵塞物前端产生的正压波引起的P1处压力的突变；第二个压力突起后的压力突降是由不完全堵塞物后端产生的负压波引起的。随后由于阻力作用，压力波在传播的过程中其增减值将随时间的延续而减弱，并由于管道末端阀门关闭，整体管道形成憋压，最终整条管道压力维持在0.23MPa左右。
利用小波变换分析法对图5所示的压力信号进行分析并计算出管道不完全堵塞位置。具体过程如下：
(1)小波变换信号分析原理如下：
小波变换是基于傅里叶变换的一种特殊变化，它在傅里叶变换的基础上加入小波函数，从而对傅里叶变化的作用进行了延伸，不但可以得到信号的频率特性，还可以得到信号的时域特性。我们通过检测天然气管道特征点处压力的瞬变对不完全堵塞的特征进行识别，正是需要对监测到的压力信号进行压力突变时间的提取，计算出管道不完全堵塞的位置。小波分析具有对信号的时间域进行细化的能力，正好能够满足对压力信号突变点进行识别的目的。而且小波分析还能对信号进行去噪，有利于对信号的趋势进行分析。
如果函数ψ(x)满足以下容许条件
则称可以将ψ(x)作为小波函数，并将小波函数做如下积分变化
此变换为f(x)以ψ(x)为基函数的连续小波变换(CWT)，a为尺度因子，表示频率相关的伸缩，b为时间平移因子。
如果是连续的，容易得到
小波变化就是将平方可积的函数在小波序列上进行投影，由于连续小波变换的小波序列的伸缩因子和平移因子是连续的，所以该投影是连续叠加的。小波变换拥有双重分辨率的功能，通过选择合适的伸缩因子和平移因子，可以构造出需要的小波序列，从而达到对原始信号在某个频率域或时间域进行局部分析的目的。
为了解决连续小波变化在处理数值信号时由于计算连续积分带来的不便，可将伸缩因子和平移因子进行离散处理，便得到了离散小波变化。
取：
对应的离散小波变换为：
(2)利用小波对变换信号去噪：
在利用小波变换对压力信号进行突变点检测之前，需要对信号先进行去噪处理。因为通过压力传感器采集到的压力信号中，可能含有一些其他无关的信号。如果不对这些噪声进行过滤，那么在对压力信号进行小波变化分析时，这些噪声有可能会被当作是有效的压力突变，从而误导试验分析结果。因此，对原始的压力信号进行去噪是非常有必要的。
小波变换进行信号滤波的原理，是设{Vj}j∈Z是L2(R)的一个多分辨率分析，Wj是Vj在Vj+1中的正交补空间。令Pj和Qj分别式L2(R)到Vj到Wj上的正交投影。设有信号f(t)∈L2(R)，经仪器测得的含有噪声的信号Pjf∈Vj,则有
用小波变换对信号进行分解的过程，就是依次把信号中的各种频率成分从高向低逐步分离为不同的频带的过程。对B样条尺度函数和小波函数ψ而言，其频带分别近似为[-π,π]和[-2π,-π]∪[π,2π]，因此Qjf的频带范围近似为[-2j+1π,-2jπ]∪[2jπ,2j+1π]。如果我们要虑掉的噪声的频率位于Qjf频率范围，则只需在信号重构过程中将Qjf设为零。
利用小波变换对原始信号去噪的过程如下：
①信号的小波分解。首先确定信号分解的类型，然后构造出需要的小波函数进行分解计算。
②小波分解高频系数的阈值量化。对不同的分解尺度的高频系数选择对应的阈值，然后进行软阈值量化处理分析，阈值的选择关系到去噪的质量；对各个分解尺度下的高频系数选择一个阈值进行软阈值量化处理。
③小波重构。根据分解得到的频率系数进行小波重构。应用Matlab的一维小波专用工具，对试验得到的压力信号进行去噪处理。
应用Matlab一维小波专用工具对采集的到原始压力信号进行去噪处理，得到去噪后的压力信号，如图6所示。
(3)利用小波变换检测奇异点
在对原信号进行去噪后，应用Matlab一维小波专用工具对去噪后的压力信号进行小波变换，得到分解信号，如图7所示。开始对原信号进行小波分析检测奇异点。在小波分析中，信号的奇异点有两种：一种是在某一时刻信号幅值发生不连续性的突变，这是第一类间断点；另一种是某一时刻信号幅值的一阶导数发生不连续性的突变，这是第二类间断点。
通过瞬态压力分析法对管道不完全堵塞位置进行检测，本质上就是通过对管线施加压力波脉冲后分析特征点处压力的波动，得到由于堵塞形成的压力扰动，提取出特征点(压力变送器P1点)的压力突变时间，从而计算出堵塞位置。所以第一类间断点检测正是我们所需要的。压力信号在经过小波变换后，在间断点处小波系数的绝对值比较大。根据这一特点可以确定压力波动间断点的时间位置。
(4)计算管道不完全堵塞位置
应用Matlab软件的一维连续小波专用工具，对去噪后的压力信号进行连续小波变换，提取压力突变点的时间。结合气体的音速可以求出不完全堵塞点距压力变速器P1点的距离。
通过图7可以识别出奇异点，分别是采样点36和42。采样点36和42之间的时间间隔为0.8s。结合气体的音速可以求出不完全堵塞点距P1点的距离L1为141.2m，相对误差为5.87％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种管道不完全堵塞位置检测系统，其特征在于：包括压力波脉冲发射装置、压力传感器以及与该压力传感器相连的传感器数据采集系统；所述压力波脉冲发射装置和压力传感器沿管道长度方向依次设置在该管道的一端，并沿管道的长度方向相邻设置；所述压力波脉冲发射装置产生压力波脉冲信号，以使该压力波脉冲信号在该管道中通过管道内的介质传输；所述压力传感器感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，获取感测压力波传输后的脉冲信号并输出至传感器数据采集系统；所述传感器数据采集系统采集所述压力传感器获取感测的压力波脉冲信号的数据。
2.根据权利要求1所述的管道不完全堵塞位置检测系统，其特征在于：所述堵塞物位置是压力传感器与该堵塞物之间的距离。
3.根据权利要求1所述的管道不完全堵塞位置检测系统，其特征在于：所述传感器数据采集系统是基于力控监控组态软件ForceControlV6.1平台的数据采集系统。
4.一种管道不完全堵塞位置检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、产生原始压力波脉冲信号，并使该信号在该管道中通过管道内的介质传输，该压力波脉冲信号始发向远离该压力波脉冲发射装置的方向传输，在管道不完全堵塞位置处形成压力扰动；
步骤二、所述压力传感器感测该管道中通过该管道内的介质传输后的压力波脉冲信号，感测获取传输后的压力波脉冲信号并输出至传感器数据采集系统，通过基于力控监控组态软件ForceControlV6.1平台的数据采集系统采集不同时刻压力传感器获取的压力波脉冲信号数据；
步骤三、利用小波变换分析法分析步骤二中采集到的传输后的压力波脉冲信号的数据，分析并计算出堵塞物的位置。
5.根据权利要求4所述的管道不完全堵塞位置检测方法，其特征在于：所述堵塞物的位置是压力传感器与该堵塞物之间的距离。
6.根据权利要求5所述的管道不完全堵塞位置检测方法，其特征在于：步骤三中利用小波变换分析法分析步骤二中采集到的传输后压力波脉冲信号的数据，分析并计算出堵塞物的位置，具体过程如下：
A)将采集到的压力波脉冲信号数据绘制成图；
B)利用小波变换对采集到的压力波脉冲信号去噪；
C)利用小波变换对去噪后的压力波脉冲信号检测奇异点；
D)通过该奇异点提取出压力传感器处压力突变的时间，并计算出堵塞物位置。
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