智能音波技術(shù)在天然氣長輸管道泄漏監(jiān)測中的應(yīng)用

施曉紅

摘要：智能音波管道泄漏監(jiān)測是采用先進的信號處理、模式識別和人工智能技術(shù)，監(jiān)測氣體、液體、氣液混合以及多相流管道，相比其他管道泄漏監(jiān)測技術(shù)，在靈敏度、可靠性、穩(wěn)定性和降低誤報率等方面具有明顯優(yōu)勢，是油氣管道的在線泄漏監(jiān)測的有效技術(shù)手段。利用智能音波技術(shù)進行天然氣長輸管道在線監(jiān)測，實現(xiàn)實時監(jiān)測管道運行情況，及時發(fā)現(xiàn)并確定泄漏發(fā)生的位置，從而可以及時有效地進行應(yīng)急處理，控制和減少因管道泄漏造成的損失。

關(guān)鍵詞：智能音波法；泄漏監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：C93 文獻標志碼：A文章編號：1673-291X（2012）15-0206-03

一、概述

管網(wǎng)運輸是油田主要的天然氣運輸方式，由于管道運輸具有高壓、易燃、易爆的特性，管道的安全管理極為重要，泄漏是管道運行中最主要的安全隱患，尤其是天然氣管道的泄漏將會造成中毒、火災(zāi)、爆炸等嚴重事故，而近年隨著腐蝕泄漏、人為打孔偷盜等問題日益突出，加劇了管網(wǎng)安全運輸形勢的嚴峻性。因此，確保管網(wǎng)運輸安全，是所在區(qū)域和諧生活、健康環(huán)境的重要保證，是油田集輸儲運企業(yè)首要的政治責(zé)任、經(jīng)濟責(zé)任和社會責(zé)任。

智能音波管道泄漏監(jiān)測技術(shù)引入了先進的信號處理、模式識別和人工智能技術(shù)，可監(jiān)測氣體、液體、氣液混合以及多相流管道。提高了管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，降低了誤報率，是目前最為先進的第四代管道泄漏監(jiān)測技術(shù)。探討智能音波技術(shù)在天然氣長輸管道在線泄漏監(jiān)測中的應(yīng)用，實現(xiàn)實時監(jiān)測管道運行情況，及時發(fā)現(xiàn)并確定泄漏發(fā)生的位置，從而可以及時有效地進行應(yīng)急處理，控制和減少因管道泄漏造成的損失。

二、智能音波法的技術(shù)優(yōu)勢

泄漏監(jiān)測是管道監(jiān)測特別是長輸管道監(jiān)測的最重要方面，用音波對壓力管道進行泄漏監(jiān)測是目前最先進、最可靠的泄漏監(jiān)測技術(shù)。

一般管道監(jiān)測方法都是監(jiān)控管道運行的各種物理量變化來判斷管道是否發(fā)生泄漏，因此產(chǎn)生了流量法、實時模型法、負壓波法等管道泄漏監(jiān)測技術(shù)。與這些方法相比，音波法具有明顯的優(yōu)勢。

衡量管道泄漏監(jiān)測技術(shù)（系統(tǒng)）三個最重要的性能指標是：靈敏度（可檢測的最小泄漏率以及漏報率）、誤報率（可信度）和定位精度，智能音波法和其他方法的性能指標比較（見表2）。

從表2可以看出，智能音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有靈敏度高、可信度高、定位精度高、適應(yīng)范圍廣、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、反應(yīng)快速等優(yōu)點。

根據(jù)被監(jiān)控管道內(nèi)流體的性質(zhì)及管道的運行環(huán)境不同，智能音波技術(shù)可以監(jiān)測地面管道、埋地管道和海底管道，還可以監(jiān)控各種復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)。

三、智能音波油氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

（1）管道泄漏瞬間，輸送介質(zhì)在泄漏點產(chǎn)生具有一定特征的音波，并沿管道向兩端傳播。（2）采集終端通過安裝在管段兩端的傳感器接收到音波信號，經(jīng)過預(yù)處理之后，與GPS 時鐘一起通過網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器。（3）服務(wù)器進行實時識別處理（采用復(fù)雜統(tǒng)計模型的識別器），判斷管道是否發(fā)生泄漏，同時利用管段兩端數(shù)據(jù)采集處理終端接受到音波信號的時間差，計算出泄漏發(fā)生位置。（4）在每個環(huán)節(jié)利用人工智能技術(shù)過濾干擾，最終降低誤報率，提高了監(jiān)控精度。

四、智能音波油氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的組成

智能音波油氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集處理終端、泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器和監(jiān)控終端，同時系統(tǒng)運行需要計算機網(wǎng)絡(luò)（運行TCP/IP 協(xié)議）支持。

1.數(shù)據(jù)采集處理終端。傳感器：實時將管道中的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給前端處理模塊。天然氣長輸管道智能音波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可采用定制的傳感器，有效解決微弱音波信號的捕捉問題，為系統(tǒng)的可靠運行奠定基礎(chǔ)。前端處理模塊：在微小泄漏孔徑的情況下，泄漏點產(chǎn)生的音波信號及其微弱，經(jīng)過長距離傳輸將進一步衰減。前段處理模塊的功能就是信號的放大和噪聲抑制。采集模塊：將信號做AD 轉(zhuǎn)換，變?yōu)榭捎糜嬎銠C處理的數(shù)據(jù)。GPS：獲取精準的時間，泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器用來計算泄漏位置。采集主機：安裝采集程序，把音波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域的多通道信號，再通過維納濾波、自適應(yīng)濾波等先進的信號處理方法進行預(yù)處理，去除背景噪聲和各種干擾信號，最后和GPS 信號一起通過網(wǎng)絡(luò)傳送給泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器。

2.泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器。泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器由硬件和軟件組成，硬件一般使用高穩(wěn)定性的服務(wù)器，軟件可選用 DOLPHIN SERVER V2.1。硬件要求：（1）操作系統(tǒng)：Windows XP SP2，SP3 / Windows Server 2003 / Windows Vista；（2）處理器：2.0 GHz Pentium IV or equivalent or higher；（3）內(nèi)存：1 GB RAM；（4）硬盤：4 GB Available HDD Space。軟件功能：（1）讀取配置信息，建立 OPC 項并更新，為人機界面提供數(shù)據(jù)。（2）將采集終端的配置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給采集終端。（3）建立并維護各采集終端的通訊信道。（4）向遠端的OPC 廣播或者發(fā)送OPC 數(shù)據(jù)。（5）利用各采集終端的 GPS 時鐘信號對其發(fā)送的數(shù)據(jù)進行精確時間同步。（6）依據(jù)管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，對比和匹配各采集終端的數(shù)據(jù)，判斷管道是否發(fā)生泄漏。并根據(jù)音波信號到達各采集終端的時間差，計算泄漏位置。（7）保存各個數(shù)據(jù)采集終端傳送來的原始數(shù)據(jù)以及中間數(shù)據(jù)，以便進一步分析處理。

3.監(jiān)控終端。監(jiān)控終端安裝客戶端程序和人機界面程序（含底層組態(tài)軟件），實時顯示管道的運行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生泄漏時及時報警?？梢耘渲枚嗯_監(jiān)控終端與泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器相連，監(jiān)控終端也可和泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器共用一臺計算機。硬件要求：（1）操作系統(tǒng)：Windows XP SP2，SP3 / Windows Server 2003 / Windows Vista；（2）處理器：800 MHz Pentium III or equivalent or higher；（3）內(nèi)存：256 M RAM；（4）硬盤：40 M Available HDD Space；（5）顯卡：DX 9.0c Compatible graphics card；（6）聲卡：16-bit Sound Card；（7）其他：還需要滿足人機界面程序所使用組態(tài)軟件的配置要求。

4.通訊系統(tǒng)。使用計算機網(wǎng)絡(luò)（運行TCP/IP 協(xié)議）。數(shù)據(jù)采集處理終端的數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器，監(jiān)控終端與泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器也通過通訊網(wǎng)絡(luò)相連接。各個數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)測定位服務(wù)器之間需要網(wǎng)絡(luò)平臺支撐，可以利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。采集終端與服務(wù)器之間傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)過加密，可以通過公網(wǎng)傳輸。另外系統(tǒng)應(yīng)有嚴格的數(shù)據(jù)完整檢查和出錯重傳機制，保證每條數(shù)據(jù)都準確可靠地傳遞。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以進行遠程調(diào)試。

5.關(guān)鍵技術(shù)。（1）通訊數(shù)據(jù)加密，支持跨網(wǎng)段傳輸；（2）發(fā)送數(shù)據(jù)緩存，接收數(shù)據(jù)應(yīng)答，數(shù)據(jù)校驗，丟包數(shù)據(jù)重傳，保證每條數(shù)據(jù)正確可靠傳輸；（3）支持復(fù)雜管網(wǎng)（樹狀、環(huán)狀等），在分支位置可以不設(shè)采集終端；（4）支持運行時刻參數(shù)修改和音速校準（不需要重新啟動程序）；（5）可配置是否生成本地 OPC 服務(wù)器；（6）可連接任意多采集終端；（7）支持斷點續(xù)傳。

五、結(jié)束語

智能音波油氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢：（1）全球最先進的泄漏監(jiān)測技術(shù)。（2）智能音波法各項性能指標都比其他泄漏監(jiān)測方法優(yōu)越。（3）可監(jiān)測氣體、液體、氣液混合以及多相流管道（其他泄漏監(jiān)測技術(shù)一般只能監(jiān)測液體管道）。（4）本地化的技術(shù)支持和維護。

參考文獻：

[1]DOLPHIN智能音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化博覽，2009，(3).[責(zé)任編輯 王玉妹]