淺析長距離越野礦漿管道的泄漏檢測定位系統(tǒng)

徐鵬魁

(攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司白馬選礦廠，四川攀枝花617000)

淺析長距離越野礦漿管道的泄漏檢測定位系統(tǒng)

徐鵬魁

(攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司白馬選礦廠，四川攀枝花617000)

為實(shí)現(xiàn)對長距離越野礦漿輸送管道的泄漏進(jìn)行檢測并定位，闡述了國內(nèi)外礦漿輸送管道泄漏檢測定位方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)研究了負(fù)壓波泄漏檢測與定位算法在實(shí)際中的應(yīng)用。尤其對負(fù)壓波定位公式中需要的首站、壓力監(jiān)測站及尾站壓力拐點(diǎn)的時(shí)間差，即各站壓力下降的拐點(diǎn)尋找進(jìn)行了比較深入的研究與分析。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套基于SCADA系統(tǒng)的泄漏檢測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)、各部分功能及數(shù)據(jù)處理原理。

礦漿管道;泄漏檢測;負(fù)壓波;定位系統(tǒng)

0 引言

長距離越野礦漿輸送管道泄漏檢測技術(shù)是當(dāng)今礦山、冶金領(lǐng)域科研工作者研究的熱門課題。由于長距離越野礦漿輸送管道運(yùn)行壓力較大(一般15～30 MPa較為常見)，管道越野穿越區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜，而腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害及人為等因素極易引起管道泄漏事故的發(fā)生，管道一旦泄漏，將會(huì)給礦漿輸送管道安全運(yùn)行帶來很大隱患。因此，有必要研制出一種快速、有效、實(shí)用的管道泄漏檢測系統(tǒng)，以克服傳統(tǒng)的人工管道巡檢存在的各種弊端;防止由于礦漿管道泄漏造成的人員傷亡及設(shè)備事故;避免環(huán)境污染，保護(hù)管道穿越區(qū)域的生態(tài)平衡。這就要求礦漿輸送管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本特性[1]:泄漏監(jiān)測的靈敏性、實(shí)時(shí)性、定位的準(zhǔn)確性。

隨著管道泄漏檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來，泄漏檢測方法從簡單的人工分段沿著管線巡視到較為復(fù)雜的人工智能監(jiān)測方法，以解決管道泄漏的及時(shí)報(bào)警及準(zhǔn)確定位。通常用于泄漏檢測的方法可分為直接檢測法和間接檢測法。直接檢測法就是根據(jù)泄漏的介質(zhì)進(jìn)行檢測，如根據(jù)礦漿泄漏時(shí)所露出的地表痕跡等進(jìn)行檢測;間接檢測法就是根據(jù)泄漏引起的管道壓力、流量等輸送條件的變化進(jìn)行檢測。國內(nèi)外主要應(yīng)用的間接泄漏檢測方法有壓力分布法、壓力點(diǎn)法(PPA)、負(fù)壓波法、聲波法等 。對于這些檢測方法，都各有優(yōu)缺點(diǎn)。該文主要介紹負(fù)壓波法在長距離越野礦漿輸送管道泄漏檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 泄漏檢測定位方法原理

該文以負(fù)壓波法為理論基礎(chǔ)[2]，該方法是基于信號處理的方法，不需要建立管線的過程數(shù)學(xué)模型，利用信號模型，采用相關(guān)函數(shù)、頻譜分析等方法，直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等模型特征，從而檢測故障發(fā)生并定位。由于我國多數(shù)長輸?shù)V漿管線不在中間壓力監(jiān)測站設(shè)立流量計(jì)，所以目前主要采用壓力信號進(jìn)行泄漏檢測。

1.1 負(fù)壓波法理論分析

負(fù)壓波定位技術(shù)具有很快的響應(yīng)速度和較高的定位精度，可迅速檢測出突發(fā)性的泄漏，自動(dòng)化程度高，且定位原理簡單、適用性較強(qiáng)。但對于比較小的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏效果不明顯。而長距離越野礦漿輸送管道運(yùn)行壓力較大，其泄漏特點(diǎn)是較小的泄漏持續(xù)時(shí)間短，泄漏量會(huì)在瞬間增大，屬于突發(fā)性事故，符合負(fù)壓波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。其傳播規(guī)律與管道的聲音、水擊波相同，速度取決于管壁的彈性和液體的壓縮性。負(fù)壓波泄漏檢測定位原理圖見圖1。

圖1 泄漏檢測原理Fig.1 Leak Detecting Principle

設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端的壓力監(jiān)測站或泵站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拾取壓力波信號，并將采集的壓力信號經(jīng)初步處理后可分成兩類:壓力正常數(shù)據(jù)和壓力異常數(shù)據(jù)，并發(fā)送到中控室控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，根據(jù)壓力波的幅值變化梯度的大小和上下游檢測到的拐點(diǎn)時(shí)間差就可確定是否泄漏及泄漏位置。

圖1管道長度為L，泄漏點(diǎn)為C。泄漏點(diǎn)C產(chǎn)生的壓力波突變傳到首站A點(diǎn)的時(shí)刻設(shè)為tA，傳到壓力監(jiān)測站B點(diǎn)的時(shí)刻為tB，當(dāng)管道的長度和輸送的介質(zhì)己知，在理想的情況下，忽略介質(zhì)的粘度、溫度、流動(dòng)狀態(tài)等因素的影響，設(shè)壓力波在油中的傳播速度為v，全程突變波傳播時(shí)間為tL，則有:

設(shè)t為tA與tB的時(shí)間差，t可正可負(fù)，則有:

由式(1)、式(3)推導(dǎo)得到:

則泄漏點(diǎn)C與首站A點(diǎn)的距離可由下式求得

1.2 負(fù)壓波突變時(shí)刻的捕捉算法設(shè)計(jì)

由于工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、泵站設(shè)備的振動(dòng)等因素的影響，實(shí)際采集到的負(fù)壓波序列附著大量的噪聲。尤其進(jìn)站的壓力較低時(shí)，噪聲影響更明顯。如何在大量的噪聲中提取有用信號，人們提出了很多方法。如小波變換技術(shù)、壓力梯度法、捕捉最大斜率微分算法、自適應(yīng)濾波法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、極性相關(guān)技術(shù)、貝葉斯法、中值濾波法及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等。該文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。

定位公式中泄漏點(diǎn)的位置與管長L、壓力波傳播整條管道時(shí)間tL及壓力波從泄漏點(diǎn)傳播到相鄰兩站(以首站和壓力監(jiān)測站為例)的時(shí)間差t有關(guān)。其中管長L可事先測定。在介質(zhì)狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，可忽略介質(zhì)的粘度、溫度、流速對壓力波向相鄰兩站兩個(gè)方向傳播速度的影響。所以tL可事先進(jìn)行測量，在定位算法中可直接作為常量，也可根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測定。因此定位公式中時(shí)間差t就成為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。那么如何捕捉相鄰兩個(gè)站點(diǎn)的壓力突變時(shí)刻就變得異常關(guān)鍵了。解決該問題的辦法是:對首站、壓力監(jiān)測站及尾站的SCADA系統(tǒng)定期進(jìn)行校時(shí)，即時(shí)間基準(zhǔn)要一致。在時(shí)間基準(zhǔn)一致的前提下，求兩站點(diǎn)的壓力突變時(shí)刻。相鄰兩站壓力下降曲線與壓力突變時(shí)刻見圖2。

圖2 管道壓力P下降曲線Fig.2 Curve of Pipeline Pressure Drop

對壓力波突變的捕捉算法由SCADA系統(tǒng)完成。該文采用了時(shí)間值直接逆推法。時(shí)間值直接逆推方法的基本思想為:在管道沒有泄漏情況發(fā)生，也沒有切換閥門或者調(diào)整主泵出口壓力的情況下，管道壓力總會(huì)以某一數(shù)值為中間值上下波動(dòng)，定義此值為基準(zhǔn)值PRef，上下波動(dòng)的范圍稱之為△1，只要壓力波動(dòng)不超過這個(gè)閾值范圍，即︱P—PRef︱≤△1，即認(rèn)為壓力趨于穩(wěn)定。

一旦泄漏發(fā)生，在泄漏點(diǎn)將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)負(fù)壓波，而且該負(fù)壓波以很快的速度向管道兩端傳播。SCADA系統(tǒng)將能捕捉到該負(fù)壓波信號，具體體現(xiàn)為管道壓力呈現(xiàn)下降的趨勢見圖2。

從首站中心控制室監(jiān)測的角度來看，如果在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，管道的壓力監(jiān)測站和首站先后都檢測到壓力向下波動(dòng)的幅度有超過閾值△2的趨勢，即︱P—PRef︱≥△2，則初步認(rèn)為發(fā)生了泄漏。

獲得壓力下降到關(guān)鍵點(diǎn)(壓力下降點(diǎn)2)時(shí)刻的時(shí)間，己知采樣間隔及基準(zhǔn)值，首站、壓力檢測站和尾站各自從捕捉到的壓力突變時(shí)刻2起倒推，直到滿足壓力值P不小于基準(zhǔn)值PRef為止，此時(shí)上升到突變之前的穩(wěn)態(tài)基準(zhǔn)值的第一個(gè)壓力值即為要找的壓力突變拐點(diǎn)[4]。該點(diǎn)即為推導(dǎo)出來的實(shí)際壓力突變拐點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)其間的壓力數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，便能推導(dǎo)出:實(shí)際壓力突變時(shí)刻=捕捉到的壓力時(shí)刻－所統(tǒng)計(jì)的壓力個(gè)數(shù)×采樣間隔(單位精確到ms)。若首、尾兩站分別倒推的實(shí)際壓力突變時(shí)刻為t和tB，則可求得負(fù)壓波傳播到管道首末兩端的時(shí)間差t，將所得的時(shí)間差帶入定位公式(5)，便能對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

2 長距離越野礦漿輸送管道泄漏檢測系統(tǒng)的組成及原理

2.1 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 System Assembly Structure

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖見圖3。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由泄漏檢測定位上位終端和SCADA系統(tǒng)兩部分組成。SCADA系統(tǒng)由首、尾站HMI，首、尾站和壓力檢測站PLC控制系統(tǒng)以及安裝在管道上的壓力變送器等現(xiàn)場儀表組成。當(dāng)管線上的某點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，其壓力信號會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化，泄漏檢測定位上位終端上的監(jiān)測軟件對采集上來的壓力信號以曲線的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)礦漿輸送管道首、尾站和壓力監(jiān)測站的壓力采集信號，以負(fù)壓波方法為理論基礎(chǔ)，對礦漿輸送管道中所出現(xiàn)的泄漏及時(shí)進(jìn)行判斷，并確定泄漏點(diǎn)位置。

2.2 SCADA系統(tǒng)的功能

SCADA系統(tǒng)采用基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核，基于工控機(jī)的HMI為人機(jī)操作界面。各PLC控制系統(tǒng)與人機(jī)操作界面和泄漏檢測定位上位終端之間的數(shù)據(jù)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。

安裝于礦漿輸送管道的壓力變送器將實(shí)時(shí)采集到的管道壓力以4～20 mA信號的方式傳送至各個(gè)站點(diǎn)的PLC控制系統(tǒng)，通過PLC將數(shù)據(jù)分為壓力正常數(shù)據(jù)和壓力異常數(shù)據(jù)以進(jìn)行泄漏初步判斷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對主要設(shè)備的連鎖和許可等邏輯控制，PLC控制系統(tǒng)與HMI及泄漏檢測定位上位終端通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，以保證泄漏檢測定位上位終端可實(shí)時(shí)采集到礦漿管道的連續(xù)壓力值。

2.3 泄漏檢測定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理原理

泄漏檢測定位系統(tǒng)上位機(jī)與SCADA系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信建立成功以后，開始周期掃描采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程見圖4。該周期首先從計(jì)算出壓力基準(zhǔn)值PRef開始，壓力基準(zhǔn)值PRef的大小由首站主泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速、輸送介質(zhì)(介質(zhì)為水和礦漿時(shí)均有所差異)、尾站閥門站閥門的使用狀態(tài)等因素有關(guān)，因此需要根據(jù)不同工況條件計(jì)算出不同工況條件下對應(yīng)的壓力基準(zhǔn)值PRef。再采用統(tǒng)計(jì)判別和手動(dòng)設(shè)定閾值相結(jié)合的方式求出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需要△1和△2。

如果管道沒有發(fā)生泄漏，也沒有對主泵啟停操作、閥門切換等因素存在的情況下，壓力值會(huì)以某一數(shù)值為中心上下波動(dòng)，在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)數(shù)據(jù)向上或向下波動(dòng)并大于該范圍時(shí)，則認(rèn)為可能有主泵調(diào)速或其它因素發(fā)生，導(dǎo)致了壓力值總體上調(diào)或下調(diào)。SCADA系統(tǒng)將根據(jù)其它工藝參數(shù)判斷是否工況變化，進(jìn)而重新確定該工況下對應(yīng)的壓力基準(zhǔn)值PRef。如果數(shù)據(jù)有下降的趨勢，需判斷是否下降到P2，即是否︱P－PRef︱≥△2。如果是，則基本判斷為管道發(fā)生泄漏，系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算泄漏點(diǎn)的位置;如果數(shù)據(jù)雖有下降，但是下降的量不到P2，則數(shù)據(jù)屬于正常波動(dòng)。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data Treatment Technological Process

2.4 泄漏檢測定位系統(tǒng)上位機(jī)的功能

主要用來實(shí)現(xiàn)整個(gè)管道輸送系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，用戶通過它對管道線路上各個(gè)壓力變送器上傳上來的壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過對壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算與分析，監(jiān)控礦漿輸送管道是否發(fā)生泄漏，一旦檢測到發(fā)生泄漏，立即報(bào)警，并指示出發(fā)生泄漏的時(shí)間與地點(diǎn)。

3 結(jié)語

在管道泄漏眾多的檢測方法中，基于負(fù)壓波管道泄漏檢測方法只需對管道兩端的壓力信號進(jìn)行檢測，不需構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，具有實(shí)現(xiàn)簡單、檢測精度高等特點(diǎn)。但它要求泄漏是快速的、突發(fā)性的。如果管道泄漏的速度很慢、沒有明顯的負(fù)壓波出現(xiàn)，

則此方法失效。而長距離越野礦漿管道輸送系統(tǒng)恰恰具有運(yùn)行壓力高，管道泄漏速度快，有明顯負(fù)壓波出現(xiàn)的特點(diǎn)。所以非常適合采用基于負(fù)壓波理論的泄漏檢測及定位系統(tǒng)。

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Analysis on Positioning System of Slurry Pipeline Leak Detection for Long Distance Transportation

XU Peng－kui
(Baima Concentrating Plant of Pangang Group Mining Co.Ltd，Panzhihua，Sichuan 617000，China)

For sake of detecting on pipeline leak for long－distance slurry transportation and positioning，the leak detecting and locating methods for slurry pipeline at home and abroad and its application situation were briefly analyzed.Research highlight on practical application of negative pressure wave leak detection and positioning algorithm was given.Especially in－deep investigation and analysis on time difference of pressure inflection point at first station，pressure monitoring station and end station required in negative pressure wave positioning formula，that is inflection point finding of pressure drop at each station，were carried out.On that basis，one set of leak detection system based on SCADA system was designed.Main assembly structure of the system，function of all parts and data treatment principle were provided.

slurry pipeline;leak detection;negative pressure wave;positioning system

TD679

A

1004－2660(2012)01－0051－04

2012－02－05.

徐鵬魁(1983－)，男，陜西人，助理工程師.主要研究方向:工業(yè)自動(dòng)控制.