液体管道泄漏负压波诊断方法的研究现状及发展趋势

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375103);北京市新星计划资助项目(2003B33);中国石油天然气集团公司中青年创新基金资助项目(202f70135,202f70128);霍英东青年教师基金资助项目(91051)收稿日期:2004-05-12 收修改稿日期:2004-06-06液体管道泄漏负压波诊断方法的研究现状及发展趋势梁　伟,张来斌,王朝晖(石油大学(北京)机电学院,北京　102249) 摘要:在国内,负压波检漏技术被广泛用于液体管线泄漏的诊断。

在应用过程中,假设条件和涉及到的不确定因素较多。

由于涉及到的任何一个因素有误都可能导致不正确的结果,因而将该技术与泄漏诊断的其他技术结合起来进行综合研究,才能更准确地确定出泄漏的位置。

负压波检漏技术具有三大发展趋势:第一,与其他技术一同使用,从而更好地解决相关的定位问题;第二,强化对负压波检漏技术的研究,定性研究负压波传播模型可以更好地确定泄漏发生的时间;第三,对负压波检漏技术的研究从定性到定量,定量的分析结果可以用于推测管线泄漏量和泄漏位置。

关键词:负压波;泄漏诊断;漏点定位;应用研究中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2004)06-0016-04State of R esearch on N egative Pressure W ave T echniques Applied to Leak Detection in Liquid PipelinesLIANG Wei ,ZHANG Lai 2bin ,WANG Zhao 2hui(C ollege of Mechanical and E lectronic Engineering in the University of Petroleum ,Beijing 102249,China )Abstract :The negative pressure wave techniques are widely used in China to diagnose the leakage in liquid pipelines.Many as 2sum ptive and uncertain factors are often inv olved in the process of leak detection ,which can easily result in errors ,even if only one of the factors is not correctly assumed or known.Thus the negative pressure wave techniques should be integrated with other dating techniques to drive a m ore accurate leak location.Additionally ,the development trends of negative pressure wave techniques are as follows :First ,negative pressure wave detection techniques will be integrated with other com patible detection techniques and m odern signal processing methods to s olve the com plex problems encountered in leak detection.Second ,studies of negative pressure wave techniques have ad 2vanced to a new stage.The deductions on propagation mechanism of negative pressure wave have been success fully applied to determine leaks qualitatively.Third ,analysis on negative pressure wave detection techniques will be made from a quantitative point of view.The quantitative data have been used to deduce leak am ounts and location.K ey Words :Negative Pressure Wave ;Leak Diagnosis ;Leak Location ;Applied Research1　引言液体管线泄漏诊断是故障诊断领域内的一个重要分支。

负压波检漏技术是近年来迅速发展起来的一种新的检测技术[1-5]。

当管道上某点发生泄漏时,在泄漏处将引起压力降,形成一个负压力波。

该压力波将以一定的波速向管道两端传播,经过若干时间分别传到管道两端的压力变送器。

根据压力变送器检测到的压力波形特征判断是否发生了泄漏,根据压力波传到压力变送器的时间差对泄漏点定位。

由于我国管道流量装置的精度及配备存在不足,负压波检漏技术在实际中具有更大的研究和推广价值。

文中总结了负压波检漏技术的研究现状,并对该技术运用中存在的问题、负压波技术的进展和发展趋势进行综述。

2　负压波检漏技术研究现状负压波检漏技术自问世以来,已为众多的研究人员所利用并不断完善,目前该技术在液体管线泄漏诊断领域中的改进主要表现在以下5个方面。

(1)提高系统采样频率,以提高对泄漏信号的捕捉能力[6]。

双扭环技术、FIFO 技术和多端口技术都可以提高数据采集器的采集频率,但是要同时满足泄漏诊断的采集以及分析的实时性要求,较好的方式是采用双扭环技术。

双扭环技术是一种基于双页缓存器采集方式的速度匹配单元,其工作原理如图1所示。

图1　双扭环原理图控制逻辑实现双页缓存器读/写总线的切换,存储器A 和存储器B 互斥交替工作,其逻辑结构类似两　2004年　第6期管道技术与设备Pipeline T echnique and Equipment2004　N o 16　个环状存储器互相扭合在一起,因此称之为双扭环。

(2)采用G PS时钟同步技术[7],以消除系统由于运行时间增加所带来的累积误差。

G PS(G lobal P ositioning System)时钟同步技术提高同步精度的基本原理是利用全球定位系统同步误差不超过1μs的秒脉冲前沿对分布式数据采集系统同步触发采集,这样就可使各站点的数据具有精确的时间起点。

另外,人为设定同步时间间隔就可消除由于系统运行时间增长所带来的累计时间误差。

泄漏发生时,先获得相邻站点所记录负压波前沿的时间标签后,通过漏点定位公式[8],就可以对漏点进行定位。

(3)采用多线程技术,实时快速对大量数据进行处理。

管道泄漏诊断系统由数据采集、数据处理、数据通信、泄漏诊断等模块组成,要满足实时性诊断要求,各个模块必须采用并行机制同时执行。

多线程技术是Windows、Linux和UNIX等平台提供的数据并发处理功能,此功能协同双扭环机的双内存同步运行,就可以实现泄漏诊断的连续实时分析。

各个线程通过操作系统提供的接收/发送消息的机制与其他线程进行数据通信的控制与调度;通过访问全局变量的方式实现各个线程之间共享数据的访问与刷新。

(4)采用无相移滤波降噪方法,如奇异值降噪技术、小波降噪技术等,保留压力拐点的幅值与相位信息[9-16]。

数字滤波、FFT滤波和平滑算法等信号预处理手段在噪声与信号特征频谱频率范围差异情况下,降噪效果明显。

但在负压波信号强度较弱且特征不明显,并掩埋于频谱分布广度较大的背景噪声下时,现代数字信号处理方法显得尤为重要。

如小波变换,自适应噪声抵消技术和奇异值分解降噪技术等。

(5)采用现代数字信号处理方法,提高对泄漏波形的识别和定位能力[17-20]。

以奇异值分解降噪技术为例,它是从统计意义上找出系统能量的n个特征方向,以及表征其所包含能量的特征值。

考虑n个特征值的数值分布,若系统的动力学维数k小于n,将有n-k个特征方向上的能量分布为零。

一般来讲,负压波信号频率较低,属低维信号,而噪声信号一般都是高维信号,噪声的存在使得在各个特征方向上的能量分布均不为零。

因此,选取前k个较大的特征值及其所对应的特征方向,使得大部分能量分布在主要由负压波信号构成的低维子空间,并将原来的n维空间向量向该子空间投影,获得k维的新向量,经过反变换,就滤除了维数较高且能量较小的噪声信号。

在国内,负压波检漏技术更多地被用于快速准确确定泄漏发生的位置。

然而,当人们运用该技术确定泄漏位置时,往往忽略或没有足够地重视与负压波检漏技术相关的一些问题,这样得出的结果就可能不正确,因此研究者需要重视这些问题。

3　负压波检漏技术中存在的问题目前的管道泄漏监测系统如SC ADA系统等,由于其兼有控制功能,因此其数据采集频率较低,一般为50～100H z,只能对泄漏量大于总流量5%以上的泄漏进行监测[1],同步采集靠硬件晶振方式彼此触发同步,两端的采集时间起点存在一定的误差,计算出来的泄漏位置也存在一定的误差,误差大小一般为总管线长度的3%左右。

泄漏诊断关心的几个部分:泄漏位置的定位精度、检测时间、泄漏检测的范围、误报警率、适应性、可维护性、性价比等。

随着对负压波检漏技术研究的深入,研究的重点开始向以下3个方面集中。

3.1　负压波波形特征变化负压波在传播时,因管线内液体存在弹性,管线的弯头部分和阀存在阻尼和反射,以及输送设备的旋转周期影响,会出现调制现象,导致负压波在突变点处产生一个较陡峭的前峰,随着波峰的推进,负压波的幅值按指数规律递减。

在同一条管道中,由于介质的流动方向以及一些不确定因素,负压波向上下游传播时的幅值衰减程度也是不同的,图2为上游压力波动,图3为下游压力波动。

图2　泄漏时上游检测到的压力波动图3　泄漏时下游检测到的压力波动由图2及图3可知,虽然上下游的压力变送器都捕捉到了负压波特征,但特征并不完全相同。

因此,泄漏诊断过程中上下游的评判标准应有所不同,应经过大量实验来获得一些规律性的分析结果。

若在一个分析周期内出现多次泄漏,则正确匹配各次泄漏特征的对应关系变得至关重要。

一般来说,负压波在原油管道的传播波速在1000～1200m/s左　第6期梁伟等:液体管道泄漏负压波诊断方法的研究现状及发展趋势17 右,对于长度为50km 的管线,负压波在上下游泵站间传播的最长时间约50s ,泄漏特征的匹配也应该在此期间展开。