基于混合波形特征的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計

陳 勇， 關(guān) 晶

（中國石油管道沈陽輸油氣分公司，遼寧沈陽110031）

基于混合波形特征的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計

陳 勇， 關(guān) 晶

（中國石油管道沈陽輸油氣分公司，遼寧沈陽110031）

利用小波變換在突變信號處理中的優(yōu)勢，提取出原油管道泄漏信息經(jīng)過小波變換后的泄漏點特征，運用回歸分析方法，對泄漏信號的實測數(shù)據(jù)進行分析和定量識別。設(shè)計了反映泄漏信息的混合波形特征，并基于該特征實現(xiàn)了原油管道泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計，由此定位管道泄漏位置，通過實驗驗證了方法的可行性。

小波分析； 原油管道； 泄漏檢測

目前原油輸送的主要方式是管道輸送，由于管道自身的老化，以及不法分子在管道上打孔盜油等現(xiàn)象的存在，管道泄漏事件時有發(fā)生。雖然國內(nèi)外已有許多種檢測管道泄漏的方法，但都在一定程度上存在局限性，就我國目前的情況，原油輸送管道的泄漏檢測仍然是一個沒有完全解決的問題［1－3］。

為了及時準確地判斷管道泄漏事故，并準確定位泄漏點的位置，目前一般采用負壓力波法進行管道的泄漏信號檢測，其基本思想是：當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生泄漏現(xiàn)象，泄漏點因為原油的流失而引起局部原油密度減小，從而會產(chǎn)生負壓力波，這種信號會以一定的傳播速度向管道的兩端傳播，這樣就可以在管道相應(yīng)的上下游安裝壓力傳感器，通過上下端點接收到的壓力信號，就可以得出壓力傳輸?shù)臅r間差，然后結(jié)合壓力波傳遞的速度，就可以檢測出泄漏現(xiàn)象，同時計算出泄漏點的位置。但在實際的原油管道輸送過程中，往往在監(jiān)測的信號中混雜很多的干擾信息，從而影響了負壓力波的準確檢測和分析。

為克服這種信號干擾現(xiàn)象，已有一些研究利用各種濾波技術(shù)過濾管道中的干擾信息，從而改善對負壓力波信號中包含的泄漏點信息的提取和分析［4－5］。但這些已有方法由于濾波環(huán)節(jié)的引入而造成信號能量的損失，從而影響了信號中有用信息的傳遞，對提高原油管道泄漏檢測能力具有一定的局限性。

本文從信號分析的角度出發(fā)，直接利用小波分析對管道中傳遞的信號進行時頻域的同步分析，從而找到能夠體現(xiàn)泄漏信息的關(guān)鍵特征。然后利用回歸方法對泄漏點信息的特征進行分析和擬合，得到管道的泄漏程度以及泄漏點位置等重要信息。

1 小波分析的基本原理

傳統(tǒng)的信號分析主要從兩個方面進行變換，一個是時域分析法，一個是頻域分析法，這兩個方法各有優(yōu)缺點，但都不能夠同時兼顧信號的時域和頻域特征，而小波變換技術(shù)帶來的小波分析方法卻可以在時、頻域同時分析和表征信號的特征，所以很適合用于對信號的突變現(xiàn)象進行分析和處理，比如管道原油泄漏現(xiàn)象的分析。

小波變換的基本原理如下［4－5］：

對于連續(xù)信號y（t）∈L2（R），y（t）的連續(xù)小波變換（CWT）可以定義為：

式中，Φ（t）為依賴于參數(shù)s，τ的連續(xù)小波基函數(shù)；s為尺度因子，τ為延伸因子。

通過上面的定義，小波變換的過程是把被稱為小波的函數(shù)Φ（t）做位移τ后，再在不同尺度s下與待分析信號y（t）作內(nèi)積。從而反映了原信號y（t）在尺度（頻率）和位置（時間）上的狀態(tài)，是一種時頻變換。

在各種小波變換方法中，本文選用基于Mallat提出的塔式算法進行離散二進制小波變換，即選取尺度因子s＝2j，j∈Z。

設(shè)待分析信號y（t）的離散形式為y（n），n＝1，2，…，N，其二進制小波變換公式如下：

式中，c（k）和d（k）為小波函數(shù)Φ（t）確定的正交共軛濾波器系數(shù)，且d（k）＝（－1）1－kc（1－k）；Ej和Fj分別稱為信號在尺度j上的近似部分和細節(jié)部分。根據(jù)這種方法，待分析信號可以看作是尺度j＝0時的近似值，即E0（n）＝y(tǒng)（n），離散信號經(jīng)尺度j＝1，2，…，J的分解，得到E1，F(xiàn)1，E2，F(xiàn)2，…，EJ，F(xiàn)J，若待分析信號的分析頻率為f，則分解結(jié)果對應(yīng)頻帶分別為（2－1f～f），（2－2f～2－1f），（2－3f～2－2f），…，（2－Jf～2－J＋1f），（0～2－Jf），包括從高頻到低頻的不同頻帶的信息，且各頻帶互不重疊。Mallat小波分解與重建算法圖如圖1，2所示。

2 原油管道泄漏信息特征分析

原油管道發(fā)生泄漏產(chǎn)生負壓力波，一般來說，負壓力波在原油中的傳播速度是1 000m/s，在不考慮其他工況條件和外界干擾的情況下，只要管道兩端的壓力傳感器足夠準確地獲取相應(yīng)的負壓力波，就可以檢測出管道泄漏現(xiàn)象并快速定位。

Fig.1 Fast wavelet decomposition algorithm圖1 小波快速分解算法

Fig.2 Fast wavelet rebuilt algorithm圖2 小波快速重建算法

但實際的測量信號往往受到管道輸送系統(tǒng)的工況影響，除了原油流動的變化和管道彎曲的程度之外，正常的閥門調(diào)節(jié)和切換也會使測量信號發(fā)生很大變化，直接影響了最終泄漏信息的判斷和識別。為此本文將使用小波分析的方法，對所測量的負壓力波信號進行分析，提取出可以反映泄漏信息的關(guān)鍵特征，從而判斷出泄漏點位置等關(guān)鍵結(jié)果。

由于原油的泄漏，泄漏點附近的壓力迅速下降，密度減小，緊鄰泄漏部位的原油向泄漏區(qū)填充，密度減小，從而將產(chǎn)生的負壓力波分別向泄漏點的上下游傳播，當(dāng)負壓力波到達上游的離心泵口時，假定泵的工作狀態(tài)不變，這樣負壓力波就會反彈，產(chǎn)生正壓力波下行，又重新沿著管線到達泄漏點，繼續(xù)擠壓原油泄漏，持續(xù)產(chǎn)生新的上行負壓力波，直到達到新的平衡狀態(tài)。這種現(xiàn)象可以在信號波形上反映為一個明顯的波谷和一個對應(yīng)的較大的反彈，接著出現(xiàn)幾次振幅逐漸衰減的震蕩波形，然后趨于平穩(wěn)。圖3反映了泄漏波形的特點。

Fig.3 Pressure wave by the leakage of petroleum圖3 原油泄漏產(chǎn)生的壓力波形

基于這種波形變化的特點，首先對原始信號進行分段積分［6－8］，利用小波分析找到信號的變化特征，對分析后的波形信息可以定義如下特征：波形的上升沿和下降沿，波形的幅度，波形的跨度以及波形的面積。這樣就利用這些提取的特征對原油泄漏信息進行分析和識別，確定出泄漏現(xiàn)象并對泄漏點位置定位。

3 負壓力波關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管道內(nèi)壓力波速的確定

隨著管道中流體溫度的變化，原油的密度和壓縮性也會有所變化，傳播速度λ也會相應(yīng)發(fā)生波動，為此選用下式作為管道內(nèi)壓力波速度的計算公式：

式中，K為原油的體積彈性系數(shù)，Pa；ρ為管道內(nèi)原油的密度，kg/m3；M為管道的彈性系數(shù)，Pa；D為管道的直徑，m；m為管壁的厚度，m；C1為與管道約束條件相關(guān)的修正系數(shù)。其中原油的體積彈性系數(shù)為其壓縮系數(shù)的倒數(shù)，隨品種、溫度、壓力的不同而不同。

3.2 泄漏點定位原理

泄漏點定位原理如圖4所示，當(dāng)管道發(fā)生泄漏，泄漏點x處管道內(nèi)外存在壓力差，使得兩側(cè)的流體向泄漏點處補充，這一過程向著管道的兩端傳遞，相當(dāng)于泄漏點處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負壓力波。根據(jù)泄漏產(chǎn)生的瞬時壓力波傳播到上、下游的時間差和管道內(nèi)泄漏產(chǎn)生的負壓力波傳播速度就可以計算出泄漏點的位置。

Fig.4 Localization calculation of leaking position圖4 泄漏點定位計算

泄漏點位置計算公式如下：

式中，x是泄漏點與首端測壓點的距離，m；L為管道長度，m；λ為管道原油中壓力波的傳播速度，m/s；Δt為首、末端壓力傳感器接收壓力波的時間差。

4 管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)實現(xiàn)

本文設(shè)計方法在中國石油管道公司沈陽輸油氣分公司所管轄的輸油管線上進行了實驗研究。原油管道泄漏檢測和定位系統(tǒng)包括了流量變送器、壓力變送器、通信系統(tǒng)以及工業(yè)控制計算機等。檢測系統(tǒng)的軟件部分包括了數(shù)據(jù)采集模塊、泄漏現(xiàn)象檢測模塊、泄漏點定位模塊、歷史數(shù)據(jù)分析模塊等。系統(tǒng)軟件使用了虛擬儀器的LabView圖形化編程軟件，使用Windows操作系統(tǒng)，人機界面良好，操作簡單。具體操作界面和實時報表數(shù)據(jù)截圖如圖5所示。

Fig.5 The operation interface of monitoring system圖5 輸油管道實時監(jiān)控系統(tǒng)操作界面及數(shù)據(jù)截圖

根據(jù)實時測量的數(shù)據(jù)，所設(shè)計的原油輸送管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)運行界面圖如圖6所示。

Fig.6 The running interface of monitoring system圖6 管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)運行界面

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于小波分析的原油管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)，通過對原油管道中由于泄漏產(chǎn)生的負壓力波信號進行小波變換，得到能夠表征泄漏信息的關(guān)鍵特征，然后確定原油泄漏情況和具體的泄漏點位置。通過實際驗證，該方法具有高效、快速的特點，為管道泄漏檢測領(lǐng)域提供了新的方法和思路。

同時也需要注意，本文的研究是假定負壓力波的信號波形變化很明顯，也就是泄漏點處壓力突然變化的情況。但對于緩慢泄漏的情況，則需要輔助其他的方法來共同完成檢測和定位的任務(wù)。這也是以后的一個研究方向。

［1］靳世久，王立寧，李健.瞬態(tài)負壓波結(jié)構(gòu)模式識別法原油管道泄漏檢測技術(shù)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，1998，12（1）：59－64.

［2］Rajtar J，Muthiah R.Pipeline leak detection system for oil and gas flowlines［J］.Journal of manufacturing science and engineering，1997，10（2）：105－119.

［3］于達.用壓力波檢測法監(jiān)測管道泄漏技術(shù)的研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，1995，12（1）：24－27.

［4］周詩崠，吳明，王俊.基于小波分析的管道泄漏負壓波信號濾波研究［J］.石油機械，2004，32（5）：10－12.

［5］謝彥紅，楊理踐，王向東.基于小波分析的管道缺陷量化識別研究［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（6）：648－651.

［6］Mukhopadhyay S，Srivastava G.Characterizations of metal loss defects from magnetic flux leakage signals with discrete wavelet transform［J］.Nondestructive testing ＆engineering，2000，33（1）：57－65.

［7］余東亮，張來斌.長輸管道泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2009，22（2）：93－96.

［8］王衛(wèi)強，吳明.基于WebGIS的油氣管道風(fēng)險等級區(qū)劃研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2009，22（4）：63－66.

（Ed.：WYX，Z）

Detection System of Leakage in Crude Petroleum Pipeline Based on Hybrid Wavelet Features Analysis

CHEN Yong，GUAN Jing
（Shenyang Petroleum and Gas Transportation Branch Company，China Petroleum Pipeline Company，Shenyang Liaoning110031，P.R.China）

With the advantage of multi－scale and multi－resolving power of wavelet transform，the leakage features of crude petroleum pipeline were extracted by wavelet analysis.Using the regression method，the real－time measured data of pipeline leakage can be analyzed and recognized.The location can be obtained by the extracted hybrid features.The experiments show the validity of the proposed method.

Wavelet analysis；Crude petroleum pipeline；Leakage detection

.Tel.：＋86－13804213081；e－mail：jtcao＠lnpu.edu.cn

TP274

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.021

2010－09－27

陳勇（1966－），男，河北保定市，工程師。

遼寧省高校創(chuàng)新團隊支持計劃項目資助（LT2010058）。

1006－396X（2011）01－0089－04

Received27September2010；revised25December2010；accepted4January2011