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分析壓力變送器檢測原油管道泄漏的重要性
原油管道運(yùn)輸在世界經(jīng)濟(jì)中起到重要的作用,但是由于管道老化、泥石流、打孔盜油等諸多原因,輸油管道經(jīng)常發(fā)生泄漏。不管是從社會和經(jīng)濟(jì)的角度還是從環(huán)保和能源的角度來看,管道泄漏的監(jiān)測和定位都是非常必要的。
管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)涌現(xiàn)出許多方法,大體上可以分成基于硬件的方法和基于軟件的方法兩類?；谟布臋z測方法主要有:直接觀察法、泄漏檢測電纜法、示蹤劑檢測法和光纖泄漏檢測法,其中基于光纖傳感器的管道泄漏檢測方法越來越受到人們的重視?；谲浖墓艿佬孤z測方法主要有:負(fù)壓波法、壓力梯度法、實(shí)時(shí)模型法、質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計(jì)決策法、應(yīng)力波法和聲發(fā)射法,其中,由于負(fù)壓波法只需要在管道兩端安裝壓力變送器,具有儀表施工量小、成本低、安裝、維護(hù)方便的特點(diǎn),因此得到了廣泛應(yīng)用。
但是,目前各種管道泄漏檢測技術(shù)都沒能很好地解決泄漏檢測響應(yīng)速度、系統(tǒng)魯棒性和可靠性、泄漏檢測靈敏度、定位精度和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系,其關(guān)鍵問題是沒能很好地解決泄漏檢測靈敏度和減少泄漏誤報(bào)之間的矛盾。究其原因是泄漏檢測和定位技術(shù)缺乏自適應(yīng)性,而且泄漏檢測系統(tǒng)的性能很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集儀表 的精度和分辨能力,從而可靠性和魯棒性差。
但是,在目前的泄漏檢測和定位方法中,尚沒有一種方法既能保留負(fù)壓波法所采用的壓力變送器那樣施工量小、成本低、安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),又具有泄漏檢測靈敏度高、泄漏點(diǎn)定位精確,同時(shí)具有自適應(yīng)檢測能力的管道泄漏檢測與定位方法。
只有在保留泄漏檢測儀表施工量小、成本低、安裝、維護(hù)方便的前提下,在提高檢測儀表的靈敏度的基礎(chǔ)上,解決了泄漏檢測和定位的自適應(yīng)性問題,才能進(jìn)一步解決管道泄漏檢測靈敏度和降低誤報(bào)率之間的矛盾,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定、魯棒和靈敏。
基于壓電式動態(tài)壓力變送器信號特征的管道泄漏檢測
1、基于壓電式動態(tài)壓力變送器的泄漏信號特征
對實(shí)測信號分析表明,基于壓電式動態(tài)壓力變送器的長輸管道泄漏檢測,其泄漏信號的特征主要體現(xiàn)在動態(tài)壓力信號中特定頻率點(diǎn)的功率譜、信號能量及信號幅值3個(gè)特征量。因?yàn)楣β首V和信號能量兩個(gè)特征量完全可以由動態(tài)壓力信號分析獲得,所以系統(tǒng)僅需要采集動態(tài)壓力信號,無需沿管線逐個(gè)安裝測量和通信模塊,不會造成成本的提高。
這里所指的信號功率譜,是指特定頻率點(diǎn)的功率譜。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),特定頻率點(diǎn)(0.3904Hz)的信號功率譜會出現(xiàn)異常增大。信號能量是基于壓電傳感器的特性提出來的。當(dāng)壓電傳感器沒有受到外界擾動時(shí),其輸出信號為零,一旦有外界力的作用,其信號會發(fā)生正負(fù)相間的上下波動。對實(shí)測信號分析表明,基于壓電傳感器的管道動態(tài)壓力信號的分布大致服從均值為零、方差為o2的高斯分布。
由于動態(tài)壓力信號可以分為正負(fù)相間的上下波動的一個(gè)個(gè)區(qū)間,定義信號幅值為負(fù)的區(qū)間信號能量之和為負(fù),定義信號幅值為正的區(qū)間信號能量之和為正,順序能量比率圖就是反映當(dāng)前區(qū)間能量與一段時(shí)間以來信號能量之和的比例,它是一個(gè)相對量。由這些圖可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生泄漏前后,特定頻率點(diǎn)的功率譜對比、信號波形對比及順序能量比率對比非常明顯。圖中信號能量采用的是單位信號平均量,即單個(gè)采樣點(diǎn)的平均信號能量。由于不同的Shou、末站壓力條件下,不同位置的泄漏信號傳遞到泄漏監(jiān)測儀的信號形狀差異很大,用單位信號能量能夠比較全面地反映泄信號的各個(gè)特征,它們比用波峰、波谷等參數(shù)進(jìn)行模式識別方法更簡單、實(shí)用、方便。
2、基于壓電式動態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測
基于壓電式動態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測,采用順序能量比率結(jié)合信號功率譜的3o檢驗(yàn)法進(jìn)行。其具體策略是:根據(jù)泄漏檢測分辨率要求設(shè)定一個(gè)順序能量比率的閾值(符號為負(fù),表示信號幅值為負(fù)的下跳信號),一旦某個(gè)區(qū)間的順序能量比率超過這個(gè)閾值,并且其功率譜和單位信號能量都符合3o檢驗(yàn)準(zhǔn)則,則可以判斷管道發(fā)生了泄漏。泄漏位置(泄漏信號到達(dá)上、下游的時(shí)間差△t)的確定采用相關(guān)方法來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)上述方法對同一位置的7個(gè)管道泄漏模擬信號進(jìn)行了泄漏檢測、定位分析,結(jié)果如表1所示(表中是相對于同一GPS時(shí)間的時(shí)間偏移量)。管道運(yùn)行工況為:Shou站工作壓力為1.8MPa,末站為0.2MPa。一個(gè)10mm直徑的孔用于泄漏模擬,動態(tài)壓力變送器的采樣周期為10ms。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以算出時(shí)間差的平均值為38.79s,其中Zui大的泄漏信號傳播時(shí)間差值為0.240s,即Zui大定位誤差約為120m。
原油管道運(yùn)輸在世界經(jīng)濟(jì)中起到重要的作用,但是由于管道老化、泥石流、打孔盜油等諸多原因,輸油管道經(jīng)常發(fā)生泄漏。不管是從社會和經(jīng)濟(jì)的角度還是從環(huán)保和能源的角度來看,管道泄漏的監(jiān)測和定位都是非常必要的。
管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)涌現(xiàn)出許多方法,大體上可以分成基于硬件的方法和基于軟件的方法兩類?；谟布臋z測方法主要有:直接觀察法、泄漏檢測電纜法、示蹤劑檢測法和光纖泄漏檢測法,其中基于光纖傳感器的管道泄漏檢測方法越來越受到人們的重視?；谲浖墓艿佬孤z測方法主要有:負(fù)壓波法、壓力梯度法、實(shí)時(shí)模型法、質(zhì)量平衡法、統(tǒng)計(jì)決策法、應(yīng)力波法和聲發(fā)射法,其中,由于負(fù)壓波法只需要在管道兩端安裝壓力變送器,具有儀表施工量小、成本低、安裝、維護(hù)方便的特點(diǎn),因此得到了廣泛應(yīng)用。
但是,目前各種管道泄漏檢測技術(shù)都沒能很好地解決泄漏檢測響應(yīng)速度、系統(tǒng)魯棒性和可靠性、泄漏檢測靈敏度、定位精度和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系,其關(guān)鍵問題是沒能很好地解決泄漏檢測靈敏度和減少泄漏誤報(bào)之間的矛盾。究其原因是泄漏檢測和定位技術(shù)缺乏自適應(yīng)性,而且泄漏檢測系統(tǒng)的性能很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集儀表 的精度和分辨能力,從而可靠性和魯棒性差。
但是,在目前的泄漏檢測和定位方法中,尚沒有一種方法既能保留負(fù)壓波法所采用的壓力變送器那樣施工量小、成本低、安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),又具有泄漏檢測靈敏度高、泄漏點(diǎn)定位精確,同時(shí)具有自適應(yīng)檢測能力的管道泄漏檢測與定位方法。
只有在保留泄漏檢測儀表施工量小、成本低、安裝、維護(hù)方便的前提下,在提高檢測儀表的靈敏度的基礎(chǔ)上,解決了泄漏檢測和定位的自適應(yīng)性問題,才能進(jìn)一步解決管道泄漏檢測靈敏度和降低誤報(bào)率之間的矛盾,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定、魯棒和靈敏。
基于壓電式動態(tài)壓力變送器信號特征的管道泄漏檢測
1、基于壓電式動態(tài)壓力變送器的泄漏信號特征
對實(shí)測信號分析表明,基于壓電式動態(tài)壓力變送器的長輸管道泄漏檢測,其泄漏信號的特征主要體現(xiàn)在動態(tài)壓力信號中特定頻率點(diǎn)的功率譜、信號能量及信號幅值3個(gè)特征量。因?yàn)楣β首V和信號能量兩個(gè)特征量完全可以由動態(tài)壓力信號分析獲得,所以系統(tǒng)僅需要采集動態(tài)壓力信號,無需沿管線逐個(gè)安裝測量和通信模塊,不會造成成本的提高。
這里所指的信號功率譜,是指特定頻率點(diǎn)的功率譜。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),特定頻率點(diǎn)(0.3904Hz)的信號功率譜會出現(xiàn)異常增大。信號能量是基于壓電傳感器的特性提出來的。當(dāng)壓電傳感器沒有受到外界擾動時(shí),其輸出信號為零,一旦有外界力的作用,其信號會發(fā)生正負(fù)相間的上下波動。對實(shí)測信號分析表明,基于壓電傳感器的管道動態(tài)壓力信號的分布大致服從均值為零、方差為o2的高斯分布。
由于動態(tài)壓力信號可以分為正負(fù)相間的上下波動的一個(gè)個(gè)區(qū)間,定義信號幅值為負(fù)的區(qū)間信號能量之和為負(fù),定義信號幅值為正的區(qū)間信號能量之和為正,順序能量比率圖就是反映當(dāng)前區(qū)間能量與一段時(shí)間以來信號能量之和的比例,它是一個(gè)相對量。由這些圖可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生泄漏前后,特定頻率點(diǎn)的功率譜對比、信號波形對比及順序能量比率對比非常明顯。圖中信號能量采用的是單位信號平均量,即單個(gè)采樣點(diǎn)的平均信號能量。由于不同的Shou、末站壓力條件下,不同位置的泄漏信號傳遞到泄漏監(jiān)測儀的信號形狀差異很大,用單位信號能量能夠比較全面地反映泄信號的各個(gè)特征,它們比用波峰、波谷等參數(shù)進(jìn)行模式識別方法更簡單、實(shí)用、方便。
2、基于壓電式動態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測
基于壓電式動態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測,采用順序能量比率結(jié)合信號功率譜的3o檢驗(yàn)法進(jìn)行。其具體策略是:根據(jù)泄漏檢測分辨率要求設(shè)定一個(gè)順序能量比率的閾值(符號為負(fù),表示信號幅值為負(fù)的下跳信號),一旦某個(gè)區(qū)間的順序能量比率超過這個(gè)閾值,并且其功率譜和單位信號能量都符合3o檢驗(yàn)準(zhǔn)則,則可以判斷管道發(fā)生了泄漏。泄漏位置(泄漏信號到達(dá)上、下游的時(shí)間差△t)的確定采用相關(guān)方法來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)上述方法對同一位置的7個(gè)管道泄漏模擬信號進(jìn)行了泄漏檢測、定位分析,結(jié)果如表1所示(表中是相對于同一GPS時(shí)間的時(shí)間偏移量)。管道運(yùn)行工況為:Shou站工作壓力為1.8MPa,末站為0.2MPa。一個(gè)10mm直徑的孔用于泄漏模擬,動態(tài)壓力變送器的采樣周期為10ms。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以算出時(shí)間差的平均值為38.79s,其中Zui大的泄漏信號傳播時(shí)間差值為0.240s,即Zui大定位誤差約為120m。
