管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王明達(dá)，徐長(zhǎng)航，付建民

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

石油管道是保障能源供給、關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性設(shè)施，近年來因腐蝕穿孔、打孔盜油等自然、人為因素所導(dǎo)致的管道泄漏時(shí)有發(fā)生，而油品一旦泄漏往往帶來嚴(yán)重的后果。我校安全工程專業(yè)的學(xué)生就業(yè)主要面向石油石化等高危行業(yè)，因此讓學(xué)生全面掌握管道泄漏檢測(cè)技術(shù)既是一項(xiàng)基本的知識(shí)要求，也是對(duì)國(guó)家和人民應(yīng)負(fù)的責(zé)任。

有代表性的管道泄漏檢測(cè)方法有：質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波檢測(cè)法、分布式光纖檢測(cè)法、聲學(xué)檢測(cè)法等［1－5］。這些檢漏方法間的技術(shù)原理、實(shí)施手段差別較大，其中負(fù)壓波檢測(cè)法因其投資少、檢測(cè)實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)各大油田應(yīng)用最為廣泛，具有較好的代表性，因此該實(shí)驗(yàn)主要圍繞負(fù)壓波管道檢漏技術(shù)來設(shè)計(jì)。

1 負(fù)壓波管道泄漏檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)

管道正常輸送流體時(shí)，內(nèi)部是一個(gè)完整的水力學(xué)系統(tǒng)，壓力比較平穩(wěn)，見圖1（a）。如果管道上某點(diǎn)發(fā)生泄漏，在泄漏處壓力將下降（見圖1（d）所示）。壓降波形稱之為負(fù)壓波［6］。負(fù)壓波產(chǎn)生后會(huì)沿著管道傳播到管道兩端的壓力傳感器中，通過壓力傳感器檢測(cè)到該波形特征即可判斷管道是否發(fā)生了泄漏。由于在管道內(nèi)輸送流體過程中不僅泄漏會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波，一些正常的工況操作，如：停泵、調(diào)閥等也會(huì)產(chǎn)生類似的負(fù)壓波，分別如圖1（b）和（c）所示，因此管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的核心是對(duì)不同工況下負(fù)壓波形的識(shí)別。

對(duì)采集到的負(fù)壓波形數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏模式識(shí)別主要包括以下2個(gè)步驟：

圖1 不同工況下的壓力波形圖

（1）特征向量提取。提取能夠表征壓力波特征的參數(shù)是提高泄漏檢測(cè)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。本文采用奇異值特征指標(biāo)方法，即先將采集到的管道壓力波序列構(gòu)成Hankel矩陣，然后提取該矩陣的奇異值特征并構(gòu)建成特征向量，詳見文獻(xiàn)［7］所述。

（2）模糊識(shí)別器構(gòu)建。每次工況操作所產(chǎn)生的負(fù)壓波波形都有一定的模糊特性，可采用模糊模式識(shí)別的方法進(jìn)行工況分類［8－12］。即先選取一些典型工況操作的波形特征向量作為標(biāo)準(zhǔn)模式Si＝ ［si1，si2，…，sin］，然后利用歐式模糊貼近度法計(jì)算待測(cè)負(fù)壓波特征向量X＝ ［x1，x2，…xn］和與各標(biāo)準(zhǔn)特征向量之間的距離Di（見下式），最后用最大隸屬度原則進(jìn)行分類。

2 管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)構(gòu)建

以水為介質(zhì)循環(huán)輸送構(gòu)建一套完整的液體管道輸送系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要滿足基本的流體儲(chǔ)存、泵機(jī)組啟停、閥門調(diào)節(jié)、泄漏模擬、平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制（supervisory control and data acquisition，SCADA）等功能要求。

2.1 硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖2。主回路由儲(chǔ)水罐、往復(fù)泵機(jī)組、管道組成，設(shè)計(jì)壓力3MPa，管徑10cm，管道全長(zhǎng)120m，采用螺旋上升環(huán)路布置。

為了防止液體回流及儲(chǔ)水罐內(nèi)空氣倒吸，在泵出口處安裝止回閥和儲(chǔ)水罐回水處安裝電磁截止閥（閥門只有開、關(guān)兩種控制狀態(tài)，可遠(yuǎn)控）；為了避免泵出口壓力過高，在泵出口處安裝安全閥；為了能夠觀察不同閥門調(diào)節(jié)操作下管路內(nèi)壓力變化情況，在管路前端安裝電磁調(diào)節(jié)閥（閥門開度可從0～100%任意調(diào)節(jié)，可遠(yuǎn)控）；為了觀察不同泄漏量下壓力波形的變化情況，設(shè)計(jì)了從φ2～φ15mm不同孔徑的泄漏閥。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在泵出口處和泄漏點(diǎn)位置安裝壓力儀表，以監(jiān)測(cè)泵出口壓力和泄漏發(fā)生后的壓力變化情況。為了能夠監(jiān)測(cè)泄漏量大小，在泄漏位置前后分別安裝流量計(jì)。為避免增加管內(nèi)流體的摩擦阻力，采用超聲波流量計(jì)，兩端通過法蘭與管道相連接。

為滿足流體在管道的正常輸送，需要遠(yuǎn)程控制機(jī)組啟停、截止閥開閉（開關(guān)量）以及流量調(diào)節(jié)閥開度的任意調(diào)整（0～100整形變量）。管道輸送啟動(dòng)控制邏輯：先檢查各儀表狀態(tài)是否正常，如果正常則依次打開截止閥、調(diào)節(jié)閥、機(jī)組。輸送停止控制邏輯：關(guān)閉機(jī)組、關(guān)閉調(diào)節(jié)閥開度到0%，最后關(guān)閉截止閥。

圖3為該平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。下位機(jī)采用的數(shù)據(jù)采集與控制單元為PLC；上位機(jī)通過組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)通信，采集到的數(shù)據(jù)先緩存在內(nèi)存中，當(dāng)所需數(shù)據(jù)采集完畢后，打上“采集起始時(shí)間”標(biāo)簽后壓縮存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3 管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件的功能是對(duì)采集到的壓力波信號(hào)進(jìn)行泄漏識(shí)別。從數(shù)據(jù)流角度來看，該軟件的數(shù)據(jù)從上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)源流出，經(jīng)過特征提取、泄漏模糊識(shí)別的加工，轉(zhuǎn)換為“工況類型”的識(shí)別結(jié)果，因此需要根據(jù)算法構(gòu)建特征提取與模式識(shí)別模塊。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

事實(shí)上，在軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中還需要考慮一些實(shí)際問題，比如：負(fù)壓波數(shù)據(jù)段在整個(gè)待識(shí)別數(shù)據(jù)段中的相對(duì)位置對(duì)識(shí)別結(jié)果有較大影響，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切處理，保證負(fù)壓波段在整個(gè)數(shù)據(jù)段中的位置“合適”；壓力表采集到的管道壓力數(shù)據(jù)含有大量噪聲，因此在進(jìn)行特征提取之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理；閥門操作時(shí)，閥開度的調(diào)節(jié)范圍不同對(duì)應(yīng)的負(fù)壓波波形差別較大，因此還需要針對(duì)不同的閥開度調(diào)節(jié)范圍，建立各自的標(biāo)準(zhǔn)模式向量。

綜合考慮實(shí)際應(yīng)用過程中可能碰到的一些問題，設(shè)計(jì)該軟件的功能結(jié)構(gòu)框圖見圖4。該軟件在.Net平臺(tái)上開發(fā)，壓力數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果界面見圖5。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件功能結(jié)構(gòu)框圖

圖5 壓力數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果界面

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，需至少3名學(xué)生一組協(xié)同開展，一人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制（啟停泵、調(diào)節(jié)閥門開度）與數(shù)據(jù)采集，一人負(fù)責(zé)開啟泄漏閥門，一人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析與識(shí)別?；镜膶?shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)管內(nèi)壓力較高，首先對(duì)學(xué)生開展安全教育；

（2）講解實(shí)驗(yàn)臺(tái)的操作規(guī)程并演示啟停泵、調(diào)節(jié)閥等操作；

（3）學(xué)生自由分工，進(jìn)行啟停泵、調(diào)節(jié)閥操作，采集該操作情況下的壓力信號(hào)；

（4）分別打開不同孔徑的泄漏閥門，采集泄漏瞬間管道的壓力信號(hào)；

（5）將存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的待識(shí)別壓力信號(hào)取出（存入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，數(shù)據(jù)只有時(shí)間標(biāo)簽，沒有對(duì)應(yīng)的操作類型標(biāo)簽），截取壓力數(shù)據(jù)段為1000點(diǎn)，并選擇合適的降噪算法對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行降噪處理；

（6）提取待測(cè)壓力信號(hào)的特征向量，同時(shí)加載標(biāo)準(zhǔn)模式庫(kù)中的特征向量；

（7）模式識(shí)別，計(jì)算待測(cè)特征向量與標(biāo)準(zhǔn)特征向量間的距離Di，輸出識(shí)別結(jié)果。

步驟（5）—（7）通過操作管道泄漏檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)。某待測(cè)壓力數(shù)據(jù)的識(shí)別結(jié)果見圖5。

5 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投資較大，是一種基礎(chǔ)性的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可根據(jù)需要擴(kuò)展部分功能。

通過管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握啟停泵、調(diào)節(jié)閥對(duì)管內(nèi)水力參量的影響和泄漏發(fā)生時(shí)管路壓力的變化規(guī)律，了解特征提取和模式識(shí)別方法，還能使學(xué)生了解一個(gè)簡(jiǎn)單石油輸送單元的結(jié)構(gòu)、輸油作業(yè)的調(diào)控操作流程，加深對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)工藝過程的認(rèn)識(shí)。此外，該實(shí)驗(yàn)需多人一組來開展，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也鍛煉了學(xué)生之間的協(xié)同工作能力。

總之，通過該實(shí)驗(yàn)的開展，能夠使學(xué)生了解管道儲(chǔ)運(yùn)的概況、全面掌握負(fù)壓波管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用，為學(xué)生從事石油石化安全技術(shù)崗位工作及相關(guān)的科學(xué)研究活動(dòng)打下了良好的基礎(chǔ)。

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