李越基于聲波的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

1、基于聲波的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用李 越作者簡介：李越，女，1984年4月生，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，現(xiàn)在大慶油田天然氣分公司工程技術(shù)大隊從事管網(wǎng)分析工作。通訊地址：黑龍江省大慶市乘風(fēng)莊天然氣分公司工程技術(shù)大隊。郵編：163416。E-mail：trqliyue。（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司 黑龍江大慶 163416）摘 要 隨著管網(wǎng)集輸系統(tǒng)的擴展以及城市的快速發(fā)展，近年來，礦區(qū)天然氣管道占壓、老化、腐蝕情況加劇，同時這些埋地鋪設(shè)的天然氣管網(wǎng)部分還穿越繁華鬧市區(qū)，存在一定程度的安全隱患。但目前只單純依靠人工沿管道巡檢和單線對標(biāo)的方式監(jiān)測管道泄漏，存在監(jiān)測不連續(xù)，泄漏事故發(fā)現(xiàn)

2、不及時，無法準(zhǔn)確定位，尋找盜栽閥成本高、效率低等問題。因此，有必要研究天然氣管道泄漏監(jiān)測技術(shù)，并應(yīng)用于生產(chǎn)實際，實現(xiàn)對天然氣管道泄漏的及時報警和定位。關(guān)鍵詞 聲波法 天然氣管道 泄漏監(jiān)測天然氣分公司在喇薩杏油田共有天然氣管道103條836公里，擔(dān)負(fù)著向油田生產(chǎn)單位、工業(yè)、居民、商服等用戶供氣的任務(wù)。近年來，隨著管道運行年限的增加，管道泄漏風(fēng)險逐年加大，一旦發(fā)生泄漏事故，將影響輸氣系統(tǒng)的正常運行，造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，甚至導(dǎo)致火災(zāi)風(fēng)險升高。但目前的管道泄漏監(jiān)測手段仍為人工巡線，存在監(jiān)測不連續(xù)、泄漏事故發(fā)現(xiàn)不及時、無法準(zhǔn)確定位、尋找泄漏點成本高、效率低等問題。此外，由于城市的快速發(fā)展擴張和天然氣

3、市場的不斷開發(fā)，穿越重要區(qū)域（人口密集區(qū)、商業(yè)繁華區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)等）的管段有所增加。同時，隨著大慶油田天然氣業(yè)務(wù)的發(fā)展和天然氣產(chǎn)量的提高，外輸氣量將進一步增加，這些情況都對管道的安全平穩(wěn)運行提出了更高的要求。針對上述問題及生產(chǎn)需求，研究基于聲波的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對天然氣管道的實時監(jiān)測，有效降低安全隱患，提高礦區(qū)天然氣管道的管理技術(shù)水平。一、聲波法泄漏信號監(jiān)測技術(shù)原理1、技術(shù)原理當(dāng)輸氣管道的某一點發(fā)生破裂，管內(nèi)氣體會從破裂點流出，導(dǎo)致管內(nèi)氣體流動參數(shù)發(fā)生變化，泄漏點處的氣體密度減小，壓力降低，泄漏點兩邊相鄰區(qū)域的氣體在壓差的作用下向泄漏點處補充，從而形成聲波在管道內(nèi)的傳播。安裝在管道

4、兩端的聲波傳感器監(jiān)聽并采集傳來的聲波信號，通過對聲波信號進行特征量提取，判斷管道是否發(fā)生泄漏。當(dāng)管道處于正常工況時，聲波傳感器采集的信號被作為背景噪聲，管道一旦發(fā)生泄漏，產(chǎn)生泄漏聲波信號和正常工況下的背景噪聲會一同傳到聲波傳感器，經(jīng)過泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的對比和鑒別，迅速做出泄漏判斷。下圖為聲波泄漏監(jiān)測的原理圖。圖1 聲波監(jiān)測原理圖聲波法泄漏監(jiān)測的關(guān)鍵是對采集的信號進行去噪處理，尋找到泄漏信號的特征量并將其提取，特征量是將信號進行某種算法得到的物理量，管道發(fā)生泄漏和沒有發(fā)生泄漏，特征量的值有明顯的區(qū)別。故可以將未發(fā)生泄漏時的特征量值作為閾值，和管線運行時得到的特征量值作比較，進行泄漏判斷。輸氣管道發(fā)生

5、泄漏，泄漏聲波從泄漏點向管道兩端傳播，根據(jù)聲波傳播到管道首末站的時間差和聲波在管道中的傳播速即可確定泄漏點的位置。2、聲波信號的去噪處理根據(jù)試驗中采集的聲波信號波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道未發(fā)生泄漏時，聲波信號屬于平穩(wěn)隨機信號；當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，聲波信號產(chǎn)生一個明顯的上升沿，之后回歸泄漏前的狀態(tài)，可認(rèn)為屬于非平穩(wěn)隨機信號。實際應(yīng)用中，信號的去噪方法主要有基于傅里葉變換的去噪方法和基于小波變換的去噪方法兩種，傅里葉去噪后，信號突變位置處的水平段波形與原信號波形相差較大，且信號的邊緣處理結(jié)果不好，產(chǎn)生了極值，而經(jīng)過小波去噪后，信號突變處的水平段尚能看出，信號邊緣處理結(jié)果較好，因此采用小波去噪對采集到的泄漏

6、聲波信號進行去噪處理。原始信號和小波降噪后信號波形如下圖所示。圖2 原始信號和小波降噪后信號波形3、信號特征值提取聲波信號的特征量提取包括時域的特征量的提取和頻域的特征量的提取兩個方面。1）時域信號特征提取聲波信號的時域分析主要是對聲波波形進行分析，聲波信號幅值的變化反映的是管道內(nèi)這一時刻的壓力與上一時刻的壓力之差的變化。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏點處的壓力有一個快速的下降，與前一時刻的壓力產(chǎn)生較大的壓力差，在聲波波形圖上顯示出一個較大的下降沿。下圖為管道未發(fā)生泄漏時首站聲波信號，及放空閥模擬泄漏時的聲波信號。 圖3 未發(fā)生泄漏時首站聲波信號及放空閥模擬泄漏時的聲波信號從上圖可以看出，聲波信號的幅

7、值完全可以作為泄漏判斷的特征量，將管線未發(fā)生泄漏時的信號幅值的最大值作為閾值，判斷其他時刻采集的聲波信號，若信號幅值大于閾值則認(rèn)定發(fā)生泄漏，否則認(rèn)定未發(fā)生泄漏。為提高天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度，除了幅值之外，聲波信號的均值、均方根值等也可以作為泄漏判斷的特征量。2）頻域信號特征提取由于泄漏聲波信號在傳播過程中發(fā)生了衰減，并且管道中有劇烈的混合波動，有時當(dāng)小泄漏發(fā)生時，從時域波形中可能會看不出有泄漏發(fā)生，但是由于泄漏信號中的低頻部分可以遠(yuǎn)距離傳輸，且泄漏具有一定的頻域特征，因此對泄漏信號進行傅里葉頻譜分析可以監(jiān)測到泄漏發(fā)生。下圖為小量泄漏聲波信號進行FFT變換后的頻譜圖。從提取出得頻譜特征中

8、可以明顯看出泄漏發(fā)生。圖4 小量泄漏聲波信號FFT變換后的頻譜圖3）不同工況的泄漏判斷對聲波信號的時域和頻域特征進行分析，分別提取時域和頻域上的特征量，即可判斷管道是否發(fā)生泄漏。泄漏判斷的規(guī)則：當(dāng)計算的特征量值大于設(shè)定好的閾值時，認(rèn)定發(fā)生泄漏，否則認(rèn)定未發(fā)生泄漏。閾值的選取方法：當(dāng)試驗工況穩(wěn)定時，采集測試管道起終點的聲波信號，計算聲波信號的特征量值，將這些特征量值作為閾值。4、定位算法定位算法原理圖如下：圖5 定位算法原理示意圖 圖中當(dāng)管道上P點發(fā)生泄漏時，泄漏產(chǎn)生的聲波由泄漏點開始向管道兩側(cè)傳播，但由于P點到兩傳感器的距離不同，所以泄漏引發(fā)的同一波形到兩傳感器的時間就有一個延遲Td，因此，如

9、果知道了A、B兩傳感器間的距離D以及泄漏點產(chǎn)生的振動信號在管道中傳播的速度，就可以根據(jù)公式來計算泄漏點P到傳感器A的距離。二、現(xiàn)場試驗及監(jiān)測技術(shù)調(diào)整優(yōu)化選取規(guī)格為325×7-3.13Km的管道進行現(xiàn)場試驗，在管道首站和末站分別安裝聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、GPS授時模塊及上位機軟件。聲波傳感器對管道工況運行狀態(tài)下背景噪聲及發(fā)生泄漏時的突發(fā)聲波信號進行實時監(jiān)測；DSP采集聲波傳感器上傳信號，進行濾波、去噪及特征提取等前期信號處理；GPS授時模塊負(fù)責(zé)首末兩站時間同步；經(jīng)DSP處理的聲波信號上傳上位機軟件用于實時報警與定位。1、管線運行狀況采集試驗主要用于分析管線的運行工況及背景噪音。

10、1）試驗過程將泄漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，監(jiān)測管線工況運行下的背景噪音曲線，詳見下圖。試驗過程中管線的運行壓力為0.74Mpa，測試溫度15.8攝氏度。圖6 紅壓至丁字口管線工況運行下的背景噪音曲線2）試驗結(jié)論從圖中可以發(fā)現(xiàn)背景噪音幅值很大，峰值達(dá)到2V左右，背景噪音信號的能量集中在200Hz和800Hz左右。在這種背景噪音下，放空時根本采集不到泄漏。3）監(jiān)測技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化在這種情況下調(diào)整了聲波傳感器的硬件電路，改用電容型聲波傳感器，控制采集頻率在一個比較低的頻率范圍內(nèi)，并加入低通及帶通濾波器，將背景噪音能量集中的頻段濾掉。2、泄漏數(shù)據(jù)采集試驗主要用于采集管線泄漏信號，通過末端的放空試驗分析管線

11、泄漏時聲波信號時頻特征。1）試驗過程將泄漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，在末站通過DN150的放空閥進行放空試驗，在首站采集管線運行工況。試驗過程中管線的運行壓力為0.69Mpa，通過將DN150的放空閥完全打開，進行放空試驗，每次放空持續(xù)30秒左右。下圖為進行放空試驗時采集到的聲波信號。圖7 放空試驗時的聲波信號圖2）試驗結(jié)論從信號波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥完全打開時，在時域波形圖中可以監(jiān)測到泄漏發(fā)生，但是通過時域波形可以發(fā)現(xiàn)，此時的背景噪音依然很大，峰值在1V左右，并且通過時頻變換可以發(fā)現(xiàn)泄漏信號的能量集中在100Hz以下，進行少量放空時，根本監(jiān)測不到泄漏信號。3）監(jiān)測技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化在這種情況下對上

12、位機軟件進行改進，加入小波去噪算法濾除背景噪音；對泄漏信號進行時域、頻域的特征量提取，找到發(fā)生泄漏時時域和頻域的特征，每次對特征值進行分析就可監(jiān)測到泄漏發(fā)生；加入希爾伯特-黃變換對泄漏產(chǎn)生時信號能量進行分析，找出泄漏特征。3、改進型傳感器泄漏數(shù)據(jù)采集試驗用改進的聲波傳感器做聲波信號采集試驗，主要用于采集管線工況運行情況下背景噪音信號、管線放空時泄漏信號，通過末端的放空試驗分析改進型傳感器在管線出現(xiàn)泄漏時所采集聲波信號的時頻特征能否達(dá)到泄漏監(jiān)測靈敏度要求。1）試驗過程將泄漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，在末站通過DN150的放空閥進行放空試驗，在首站采集管線運行工況。試驗過程中管線的運行壓力為0.81Mp

13、a，通過將DN150的放空閥按照各個量程打開，進行放空試驗，每次放空持續(xù)30秒左右。下圖為進行各個量程放空試驗時采集到的聲波信號。（1）DN150放空閥開2扣圖8 放空試驗時的聲波信號圖（2）DN150放空閥開1扣圖9 放空試驗時的聲波信號圖2）試驗結(jié)論從信號波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥打開兩扣的時候，泄漏量相當(dāng)于瞬時流量的3.33%(用放空的橫截面積與管線的橫截面積相比，放空閥滿量程開放需15扣)，此時在時域波形圖中可以監(jiān)測到泄漏發(fā)生；當(dāng)放空閥打開一扣的時候，泄漏量相當(dāng)于瞬時流量的1.67%，此時在時域波形圖中已經(jīng)不能監(jiān)測到泄漏發(fā)生。因此可以發(fā)現(xiàn)僅憑借對傳感器進行硬件的改進，靈敏度太低。3）監(jiān)測

14、技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化在這種情況下應(yīng)該對上位機進行改進，在上位機中加入各種去噪算法及特征提取算法，通過軟件改進監(jiān)測靈敏度。4、改進算法數(shù)據(jù)采集試驗對算法改進后的上位機軟件進行現(xiàn)場驗證，用改進的聲波傳感器去紅壓至丁字口管線做聲波信號采集試驗，主要用于監(jiān)測算法改進后監(jiān)測靈敏度是否達(dá)到監(jiān)測要求。1）試驗過程將泄漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后，在末站通過DN150的放空閥進行放空試驗，試驗過程中管線的運行壓力為0.81Mpa，測試溫度-3攝氏度，通過將DN150的放空閥按照各個量程打開，進行放空試驗，每次放空持續(xù)30秒左右。下圖為通過放空閥開放半扣采集到的聲波原始信號及加入濾波算法之后的信號。圖10 放空閥開放半扣采

15、集到的聲波原始信號及加入濾波算法之后的信號2）試驗結(jié)論從信號波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥打開半扣的時候，泄漏量相當(dāng)于瞬時流量的0.83%，此時在時域波形圖中已經(jīng)可以監(jiān)測到泄漏發(fā)生；且這個量程以上的所有放空試驗都能監(jiān)測到泄漏信號，報警率達(dá)到100%。3）監(jiān)測技術(shù)的調(diào)整及優(yōu)化通過上述試驗可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測靈敏度、報警率、誤報率的技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到要求，下面要做的工作就是要通過多次放空試驗確定聲波在介質(zhì)中的傳播速度及精確定位的問題。5、定位試驗用于確定聲波在介質(zhì)中的傳播速度、對定位功能進行現(xiàn)場驗證。1）試驗過程（1）聲波傳播速度確定在末站進行放空試驗，在首末站兩個客戶端采集泄漏聲波信號，通過測試放空試驗中泄漏

16、聲波信號到達(dá)首站、末站的時間、時間差，已知測試管段長度為3.13Km，確定聲波在此管線中的傳播速度。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，聲波信號在介質(zhì)中的平均傳播時延為8.623秒，平均傳播速度為363.0506米/秒。用此作為標(biāo)準(zhǔn)的傳播速度進行定位算法驗證。（2）定位功能驗證在末站通過將DN150放空閥打開半扣進行放空試驗，此時的泄漏量為瞬時流量的0.83%左右，基于聲波法的天然氣管道泄漏檢測界面如下圖所示。由圖中可以發(fā)現(xiàn)紅壓計量間及丁字口計量間兩個站的指示燈都變?yōu)榧t色，說明兩個站都監(jiān)測到了本次泄漏，并且在上側(cè)的文本框顯示了泄漏發(fā)生的位置為“泄漏點到紅壓站得距離為：3083米”，在其后所示的兩個文本框中分別顯示了紅

17、壓站和丁字口站接收到泄漏信號的時間，時間可以精確到ms級別。圖11 聲波法天然氣管道泄漏檢測界面通過16組定位試驗所得到的報警時間、定位距離、定位誤差見下表。表1 報警時間、定位距離、定位誤差表序號首站接收時間時間差（S）定位距離（m）定位誤差（m）113.51.44.8928.4493067.41562.58548213.51.49.9678.5513104.44625.55432313.56.26.0418.7163164.34934.34903414.02.21.9688.453067.77862.22243514.07.33.0048.7883190.48960.48867614.12

18、.42.8798.7743185.40655.40596714.16.50.6918.4643072.8657.13972814.20.21.9868.7733185.04355.04291914.24.43.8978.7253167.61637.616481014.27.30.0428.673147.64917.64871114.29.44.0468.4923083.02646.97431214.32.24.1038.5283096.09633.904481314.36.35.0438.693154.9124.909711414.41.21.6298.4723075.76554.235321

19、514.45.49.7358.7713184.31754.316811614.50.43.9268.6873153.82123.82056平均值44.13842）試驗結(jié)論從多次試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放空閥打開半扣時（泄漏量相當(dāng)于瞬時流量的0.83%），通過首末兩站對所接收數(shù)據(jù)的特征提取可以發(fā)現(xiàn)有了很明顯的跳變，表明在此泄漏量下，基于聲波法的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確報警。報警時延主要是由泄漏聲波信號在管道中的傳播時延造成，網(wǎng)絡(luò)時延不是關(guān)鍵因素。通過試驗測得聲波在此工況下天然氣管道的傳播速度為363.0506m/s，管線距離為3.13Km，因此聲波信號的傳播時延為8.6秒左右，考慮到網(wǎng)絡(luò)及其它因素的干擾在此管線也可以將反應(yīng)時間控制在30s以內(nèi)。通過上表中定位距離及定位誤差的多組結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于聲波法的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)定位誤差最大值為62.585m，最小誤差為17.649m，平均誤差為44.138m。三、結(jié)論1、通過對天然氣管網(wǎng)進行泄漏監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確定位漏點，及時采取緊急應(yīng)