输油管道泄漏检测与定位系统中的相关分析法研究
2009-06-09
作者：余永辉1, 涂巧玲1, 彭宇
摘 要：阐述了依据负压波法，应用相关分析法进行管道泄漏检测的原理，给出了漏点定位的算法。实现了对管道泄漏位置的定位，大大提高了泄漏报警的准确性和定位的精确性。
关键词：泄漏检测； 相关分析； 负压波法； 时延估计
近年来，输油管道泄漏事故不断发生，给国家的经济带来巨大损失，人员伤害及环境污染。建立管道泄漏监测系统，及时准确报告事故的范围和程度，可以最大限度地减少经济损失和环境污染，这就要求输油管道泄漏监测系统具有以下几个基本特性[1]：泄漏监测的灵敏性，实时性，定位的准确性。
早期石油天然气管道的泄漏检测主要是直接观察法，由有经验的技术人员携带检测仪器设备或经过训练的动物分段对管道进行泄漏检测和定位。通过看、闻、听或其他方式来判断是否有泄漏发生。这类方法具有定位精确度高和较低的误报率的特点，但不能及时发现泄漏，检测只能间断地进行。
本文提出了应用相关分析理论结合负压波法对管道泄漏进行检测并定位的方法。该方法不需要详细了解管道内部流体性状，不需要建立管道正常和故障状态的数学模型，也无需人为从压力变化曲线图上去确定两个端点的压力变化突变点，避免了人为误差，大大地提高了系统的定位精度。该检测方法不仅可以用于石油管道的泄漏检漏，也可以用于自来水管道的泄漏检测，具有很好的推广价值。
1 负压波泄漏检测与定位原理
管道发生泄漏时，在泄漏处因流体的损失而引起局部流体密度减小，导致瞬时压力降低，出现速度差。瞬时的压降作用在流体介质，形成一个负压波。负压波以声速向管道上下游传播，利用设置在管道两端的压力传感器检测压力波信号，根据信号变化程度和变化的时间差，采用信号相关处理方法进行泄漏判定和泄漏定位。
负压波定位原理图如图1所示。假设管道长度L、压力波传递速度v、油品的流速a。
由于压力波的传播速度一般在1000 m/s以上，而油品的流速a=1.5～3 m/s 所以a可忽略不计。得到常规的负压波法定位公式为:
由式(1)可以得出：根据负压波的传播速度和两端压力传感器捕捉到这种负压波的时间差就可以进行泄漏点的定位。本文采用相关分析方法确定时间差。
2 泄漏定位的相关算法
2.1 相关函数的概念
对于两个不同的函数f1(t)和f2(t), 其相关函数记为：
式中，τ为延时时间(或位移)。相关函数反映了两个不同函数的相似程度，因此可以描述两个信号之间有无关系或者其相似程度，被广泛应用在分析机械振动与声学测量等工程领域。相关函数分析方法不仅是一种噪声过滤方法，滤除信号中的不相关成分，提高信噪比，提取弱信号，还可用来进行系统识别和故障诊断。在管道泄漏检测方面就是利用了其时延估计的特点。
2.2 相关分析法检测管道泄漏原理[2]
在管道的首端(X点)和末端(Y点)通过传感器检测到的信号，设其样本函数分别为:
当没有泄漏时,相关函数的值将维持在稳定值附近；当发生泄漏时,相关函数将Rxy(?子)将发生较大的变化,当变化量达到一定数值(阈值)时，则认为管道发生泄漏。当相关函数Rxy(τ)达到峰值时，所对应的值正好与所对应的压力波传播到两个端点的时间差相一致。由于相关函数Rxy(τ)取极大值的必要条件为Rxy(τ)在τ0处的导数等于零，由此可求出τ0，并确定Δt=τ0。在L和v已知的前提下利用公式(1)即可计算出X的值，从而确定泄漏点的位置。
3 管道泄漏检测系统组成
3.1 管道泄漏检测系统简介
管道实时检测系统示意图如图2所示。
本系统建立在SCADA系统平台基础上，其总体结构由上位机与下位机构成。
下位机主要完成数据的采集与数据传输任务。上位机作为系统的监控中心通过公用电话网轮流接通下位机MODEM后，向下位机定时发送传输命令，并接收下位机数据。上位机将接收到的数据分别进行实时分析处理，重点对采集的信号进行相关算法的编程，并经终端显示，给出泄漏处的位置。
为了保证管道首末两端数据采集时间的同步、数据处理的实时性、提高泄漏检测的定位精度，本系统采用GPS技术实时校正首末端计算机的系统时间。
3.2 管道泄漏检测系统中的相关算法
在实际应用中，泄漏点的压力信号经模数转换后的信号是离散时间序列。计算数字信号的相关函数一般不直接应用公式(6),而是利用互功率谱密度法。其计算原理图如图3所示。
对两个输入信号x(n)、y(n)作傅氏变换得到x(k)、y(k),两频谱相乘得互功率谱密度函数，由于相关函数的傅氏变换就是功率谱密度，因此对互功率谱密度作反变换就得到两个时域信号的互相关函数值，这种方法大大减少了计算量。
3.3 管道泄漏检测系统中相关分析方法的关键技术
(1) 阈值的选取[4]
阈值的选取直接影响到系统的检测精度。阈值较大时系统灵敏度较低，但可靠性较高，即误报警数较少；阈值较小时系统灵敏度较高，但误报警数增多。实际操作中的阈值必须通过大量实际数据的计算、比较后选出。这些数据包括正常运行时的数据、工况变化时的数据和泄漏时的数据。总的原则是使指标阈值大于正常运行状态时的指标函数值且低于绝大多数情况下泄漏试验中所达到的值。
(2) 采样时间T的选取
T是一个非常重要的参数，直接影响到相关分析法检测和定位的灵敏性和可靠性。由参考文献[5]可知，泄漏变换的时间约为200 s,考虑到缓慢泄漏时的情况，采样时间可取400 s。
(3) 采样信号的去噪处理
由于工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等因素，采集到的压力波信号序列附加了大量噪声。在相关处理运算时，为了运算简便，通常认为泄漏信号与噪声信号各自独立，噪声NX(t)和NY(t)也不相关。实际上，噪声可能来自独立的噪声源(即两者独立不相关)，也可能来自公共噪声源(相关噪声)。当存在公共噪声且强度较大时，泄漏信号将会被噪声信号淹没。因此计算机在对采样的数据进行相关运算之前，必须对这些信号进行滤波处理。
3.4 相关泄漏检测应用的局限性
在实际测试中，小泄漏产生的噪音将强于大泄漏产生的噪音，如果在同一区域同时存在大、小两种泄漏，大泄漏产生的信号将被淹没。另外，有些干扰噪音如减压阀发出的声音信号与泄漏信号非常接近，这种声音信号及另外的一些背景噪音都可能完全掩盖掉泄漏产生的信号。
为了克服以上存在的不足，可以运用多种先进、有效的信号处理方法改善其性能。如：使用自适应滤波方法，利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，有效地从噪声中估算出信号成分，同时移去与信号不相关的噪声，且在设计时只需要很少或根本不需要任何关于信号和噪声的先验统计知识。
在管道泄漏众多的检测方法中，基于相关分析的负压波管道泄漏检测方法只需对管道两端的压力信号进行检测，不需构建数学模型，具有实现简单、检测精度高等特点。但它要求泄漏是快速的、突发性的。如果管道泄漏的速度很慢、没有明显的负压波出现，则此方法失效。
参考文献
[1] 周志坤.自来水管道泄漏相关检测定位系统研究.仪器仪表学报,2006,25(4).
[2] 喻彬，孙士平.基于相关检测的漏点定位系统设计.国外电子测量技术,2006,25(10).
[3] 吴晓琴.相关分析在泄漏检测技术中的应用.仪器仪表用户,2004(2).
[4] 徐洁.管道相关检测仪性能优化方法的研究. 管道技术与设备,2003(6)：37-38.
[5] 韩建. 相关分析法在输油管道泄漏检测和定位中的应用研究. 核电子学与探测技术, 2007(1).