基于動(dòng)態(tài)壓力變送器的輸油管道泄漏檢測(cè)與定位

摘要:設(shè)計(jì)了一套基于動(dòng)態(tài)壓力變送器的輸油管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng),闡述了其系統(tǒng)組成和檢測(cè)原理。通過(guò)動(dòng)態(tài)壓力變送器獲取管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),采用基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法提取信號(hào)的特征向量,再利用支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏的識(shí)別。最后采用相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法獲得管道泄漏點(diǎn)的位置。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例表明,動(dòng)態(tài)壓力變送器具有更高的檢測(cè)靈敏度和泄漏分辨力。該系統(tǒng)能夠?qū)艿佬孤┻M(jìn)行正確識(shí)別,可以有效地降低誤報(bào)警率,并提高了泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位精度。
　　輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)今石油化工領(lǐng)域科研工作者研究的熱門課題。由于腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害及人為等因素,經(jīng)常會(huì)有管道泄漏的事故發(fā)生,給輸油管道安全運(yùn)行帶來(lái)很大隱患。因此，管道泄漏的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　通常用于泄漏檢測(cè)的方法可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法就是根據(jù)泄漏的介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),如根據(jù)油氣泄漏時(shí)所露出的地表痕跡以及散發(fā)的氣味等進(jìn)行檢測(cè)。間接檢測(cè)法就是根據(jù)泄漏引起的管道壓力、流量等輸送條件的變化和泄漏引起的聲光、電等變化進(jìn)行檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用的間接泄漏檢測(cè)方法有壓力梯度法、壓力點(diǎn)法、負(fù)壓波法和瞬變流模型法等.
　　在長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域,由于負(fù)壓波法不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,具有施工量小、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)已經(jīng)在超過(guò)1萬(wàn)公里的原油管道安裝了基于負(fù)壓波法的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)管道的安全運(yùn)行作用顯著。負(fù)壓波法測(cè)量的是管道的絕對(duì)壓力,通常泄漏引起的壓力變化僅占?jí)毫ψ兯推髁砍痰囊恍〔糠?信號(hào)微小、且信噪比低。
　　由于目前國(guó)內(nèi)外的輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)多數(shù)是利用普通壓力變送器輸出的絕對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行泄:漏檢測(cè),其傳感器本身的性能就對(duì)檢測(cè)靈敏度的提高形成了制約,因而很難同時(shí)滿足靈敏度高、定位精度高和低誤報(bào)率等多項(xiàng)要求。
　　針對(duì)普通壓力變送器在泄漏檢測(cè)靈敏度和泄漏分辨力上的不足,一套基于動(dòng)態(tài)壓力變送器的輸油管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng),利用一種新型動(dòng)態(tài)壓力變送器[3]拾取管道沿途的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),可以有效地檢測(cè)出管道發(fā)生泄漏的情況,在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果。
1系統(tǒng)組成及檢測(cè)原理
　　基于動(dòng)態(tài)壓力變送器的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng),主要通過(guò)安裝在管段兩端的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)接收管段區(qū)間的低頻動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),當(dāng)管道發(fā)生破裂時(shí),現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備能立即接收到管道內(nèi)輸送介質(zhì)泄漏瞬間所產(chǎn)生的泄漏信號(hào),通過(guò)比較數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型來(lái)確定管道是否發(fā)生了泄漏。同時(shí),利用管段兩端的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳送信號(hào)的時(shí)差，確定泄漏位置。圖1為管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)的組成示意圖。
 b
　　動(dòng)態(tài)壓力變送器的硬件部分由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和電源模塊組成。該變送器使用壓電式傳感器完成壓力-電荷信號(hào)變換,根據(jù)壓電效應(yīng),動(dòng)態(tài)壓力作用到壓電元件上,使壓電元件產(chǎn)生形變,形.變又使壓電元件表面產(chǎn)生電荷。該電信號(hào)經(jīng)適當(dāng)?shù)姆糯笈c濾波處理后,即可測(cè)得電荷(電壓)大小。
　　電荷放大器是動(dòng)態(tài)壓力變送器的設(shè)計(jì)重點(diǎn),其測(cè)量電荷的基本方法是將被測(cè)電荷傳送給已知容量的電容器,然后測(cè)量該已知電容的電壓[41。對(duì)于帶電的電容器來(lái)說(shuō),Q=CV。其中Q是電容器上的電荷,單位為庫(kù)侖;C是電容,單位是法拉;V是電容器上的電壓，單位為伏特。
　　電荷放大器基本.上由一個(gè)具有高放大系數(shù)A的運(yùn)算放大器和一個(gè)反饋電容器C;組成,其等效電路如圖2所示,其中qa為壓電傳感器產(chǎn)生的電荷，Ca為輸入電容,經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得輸出電壓uo與電荷qa之間的關(guān)系為
 
　　圖3是一次成品油管道泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù),圖3(b)為普通壓力變送器檢測(cè)的壓力曲線,泄漏導(dǎo)致的變.化小于0.02MPa,此時(shí)的壓力變化拐點(diǎn)很難確定。圖3(a)為動(dòng)態(tài)壓力變送器檢測(cè)的壓力曲線,縱坐標(biāo)為電壓值,范圍1~5V(采樣電阻為250Ω,傳感器輸出電流范圍4~20mA,中心點(diǎn)為3V),從圖中可以看出動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)具有較高的信噪比，由于它監(jiān)測(cè)的是管道內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),消除了靜態(tài)壓力的影響,壓力變化拐點(diǎn)相對(duì)更加正確。
 
2管道泄漏檢測(cè)與定位
2.1管道泄漏的判斷
　　目前的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)多數(shù)采用壓力、流量聯(lián)合判斷或站內(nèi)安裝雙傳感器的方法來(lái)有效識(shí)別泄漏和減少誤報(bào),但實(shí)際操作時(shí)往往取決于現(xiàn)場(chǎng)是否具備施工安裝條件。管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)與普通壓力變送器所檢測(cè)的靜態(tài)壓力信號(hào)有著不同的特征，必須從信號(hào)特征的角度去識(shí)別。
　　引入基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)[5]的方法提取管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)特征。選取各IMF分量的歸一化峭度作為動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的主要特征參數(shù)。隨后利用多分類支持向量機(jī)的“一對(duì)一”算法[6]對(duì)管道泄漏進(jìn)行識(shí)別。這種識(shí)別方法對(duì)N類訓(xùn)練數(shù)據(jù)兩兩組合,構(gòu)建C²N=N(N-1)/2個(gè)支持向量機(jī)。最后分類的時(shí)候采取“投票”的方式?jīng)Q定分類結(jié)果。
其識(shí)別步驟如下:
①對(duì)原始動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解:
 
　　ci(t)為信號(hào)x(t)的第i個(gè)IMF分量,rn(t)為經(jīng)過(guò)n次分解后剩余的殘差。
②求出各IMF分量的峭度并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，即
 
　　其中Ti為第i個(gè)IMF分量的峭度,Ti'為第i個(gè)IMF分量的歸一化峭度。
③將上述歸一化峭度作為動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的特征向量，即
 
④通過(guò)多分類支持向量機(jī)的“一對(duì)一”算法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練,每?jī)深愔g訓(xùn)練-一個(gè)支持向量機(jī)來(lái)解決公式(6)中的二元分類問(wèn)題,從而對(duì)管道的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分類。
 
2.2管道泄漏的定位
　　設(shè)管道全長(zhǎng)為L(zhǎng),當(dāng)管道在距離首站X處發(fā)生泄漏時(shí),泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生的負(fù)壓波將以聲速a向兩端傳播,并分別被首、末站的動(dòng)態(tài)壓力變送器檢測(cè)到。定位公式如下:
 
　　對(duì)于首、末站兩個(gè)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)x1(t)、x2(t)的時(shí)間差△t可以通過(guò)相關(guān)分析的方法進(jìn)行計(jì)算,其互相關(guān)函數(shù)為
 
　　當(dāng)管道未發(fā)生泄漏時(shí),相關(guān)函數(shù)將維持在某-值附近。當(dāng)管道發(fā)生泄漏后,理論上當(dāng)τ＝τ時(shí),R(τ)將達(dá)到最大值,即可確定兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差。
　　實(shí)際計(jì)算時(shí),若選定采樣周期為T,首、末站動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)可分別表示為離散的x1(n)和x2(n),其中n為整數(shù)。取相同時(shí)段采樣點(diǎn)為N的有限數(shù)據(jù)段進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,其互相關(guān)函數(shù)可表示為
 
　　式中m是整數(shù)。計(jì)算出R取得最大值的點(diǎn)m=mo，即可得到兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差m0T,將時(shí)間差代人公式(7)中即可確定出管道泄漏的位置。
3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　本實(shí)驗(yàn)在蘭成渝成品油管道進(jìn)行，管道全長(zhǎng)94.21km,管徑為φ457mm。分別在首站和末站各安裝自行動(dòng)態(tài)壓力變送器,并在距離首站57km處模擬成品油管道的泄漏情況。數(shù)據(jù)采集部分采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的數(shù)據(jù)采集卡,實(shí)驗(yàn)時(shí)中心站的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自各站數(shù)據(jù)采集卡所采集的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),數(shù)據(jù)采集頻率為1000Hz。
3.1管道泄漏判斷實(shí)驗(yàn)
　　實(shí)驗(yàn)中得到管道正常運(yùn)行、管道泄漏、調(diào)泵調(diào)閥三種情況的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。采用EMD的方法分別對(duì)三種信號(hào)進(jìn)行特征提取,信號(hào)的特征向量為6個(gè)主要IMF分量的歸一化峭度。實(shí)驗(yàn)中采集的原始信號(hào)及其提取的特征向量如圖4所示，可見(jiàn)三種情況信號(hào)特征向量之間區(qū)別明顯。
 
　　隨后采用支持向量機(jī)對(duì)管道泄漏進(jìn)行分類識(shí)別。待分類的事件類型為3種:管道正常運(yùn)行、管道泄漏和調(diào)泵調(diào)閥操作。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)中每種事件類型抽取20組用于支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)。另外,從每種事件類型中隨機(jī)抽取10組數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別的測(cè)試。通過(guò)多分類支持向量機(jī)的“一對(duì)一”算法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練,其分類界面如圖5所示,橫、縱坐標(biāo)均表示信號(hào)所提取的歸一化峭度的數(shù)值大小，劃分的分類區(qū)域從左至右依次為調(diào)泵調(diào)閥、管道泄漏、管道正常運(yùn)行。
　　支持向量機(jī)對(duì)3種情況共30組樣本的識(shí)別結(jié)果中,只是將其中的11號(hào)樣本識(shí)別錯(cuò),將管道正常運(yùn)行錯(cuò)誤地識(shí)別成管道泄漏,其識(shí)別正確率為96.7%。支持向量機(jī)在配置為雙核2.13GHzCPU,2G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)環(huán)境下,從樣本學(xué)習(xí)到識(shí)別測(cè)試樣本完畢總共消耗時(shí)間共計(jì)0.05137s。
 
3.2管道泄漏定位實(shí)驗(yàn)
　　為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)壓力變送器的實(shí)際性能指標(biāo),進(jìn)行了多次模擬泄漏和站內(nèi)操作的實(shí)驗(yàn)。表1為同一位置模擬10次管道泄漏的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),首末端動(dòng)態(tài)壓力變送器之間檢測(cè)到的時(shí)間差均值為47.56s,時(shí)間差的最大誤差為0.11s。按成品油管道的傳播速度為1200m/s計(jì)算，定位結(jié)果的均值為57.072km,實(shí)際泄漏位置在57km處,其最大定位誤差為204m,優(yōu)于采用普通壓力變送器進(jìn)行負(fù)壓波檢測(cè)的定位精度。
 
4結(jié)論
　　一套基于動(dòng)態(tài)壓力變送器的輸油管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng),采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和支持向量機(jī)相結(jié)合的方法對(duì)管道泄漏進(jìn)行分類識(shí)別,利用相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法確定管道泄漏的位置。實(shí)驗(yàn)得到的管道泄漏識(shí)別正確率為96.7%,管道泄漏最大定位誤差為204m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明動(dòng)態(tài)壓力變送器具有更高的泄漏檢測(cè)靈敏度和泄漏分辨力,該系統(tǒng)可以有效地降低誤報(bào)警率,并提高了泄漏檢測(cè)的靈.敏度和定位精度。