基于模型的輸氣管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)

王軍茹　劉麗華　王巧玲

【摘 要】為了對輸氣管道的泄漏進(jìn)行檢測和定位，提出了一種基于模型的泄漏檢測與定位方法。本系統(tǒng)是將基于氣體管道流動數(shù)學(xué)模型的方法同基于知識的檢測方法想結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)的新型的氣體管道泄漏檢測方法。根據(jù)研究方法搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地進(jìn)行輸氣管道的泄漏檢測與定位。

【關(guān)鍵詞】輸氣管道；模型；泄漏檢測與定位

油氣管道泄漏所造成的人身傷害、環(huán)境污染以及經(jīng)濟(jì)損失都是非常巨大的，因此各個國家都制定相應(yīng)的法律法規(guī)對管道運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，確定安全檢測周期。同時(shí)各研究機(jī)構(gòu)和高等院校也對管道泄漏檢測與定位相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，對管道實(shí)施檢測，可以準(zhǔn)確掌握管道運(yùn)行狀況，力求及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏、準(zhǔn)確定位泄漏，延長管道的使用壽命，有效地減輕因泄漏事故造成損失和危害。世界上發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行管道泄漏的檢測和定位的研究工作，技術(shù)和產(chǎn)品也趨于成熟，一些公司也開發(fā)了管道泄漏檢測的軟件，但價(jià)格都比較昂貴，都需要數(shù)百萬美元。而我國的油氣管道又具有自身的特點(diǎn)，僅靠引進(jìn)國外軟件并不能有效解決我國管道的現(xiàn)有問題，因此開發(fā)適合我國油氣管道運(yùn)行狀況的泄漏檢測技術(shù)和方法，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

首先基于氣體管道傳輸?shù)幕緳C(jī)理，建立管道的狀態(tài)空間方程，再將具有無限逼近非線性函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型同機(jī)理模型相結(jié)合，補(bǔ)償機(jī)理模型的建模誤差，提出建立輸氣管道的混合模型，提高建模精度，有效地監(jiān)測管道的運(yùn)行狀況，并進(jìn)一步準(zhǔn)確地進(jìn)行泄漏檢測和定位，搭建氣體管道泄漏檢測與定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，對模型進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)主要包含氣動管道回路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)處理和分析組成，可以實(shí)現(xiàn)氣動管道回路上各個節(jié)點(diǎn)上壓力數(shù)據(jù)的采集，對采集的壓力數(shù)據(jù)分析以檢測輸氣管道中泄漏的發(fā)生并進(jìn)行定位。

系統(tǒng)中的軟件部分包括數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)處理和分析程序，數(shù)據(jù)采集程序完成輸氣管道中各個節(jié)點(diǎn)在各種工況下的壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的分析和處理程序完成泄漏的判斷、報(bào)警并進(jìn)行泄漏位置的判斷、定位。

軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)平臺為以研華公司的IPC660工控機(jī)為中心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集軟件采用LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)平臺，壓力數(shù)據(jù)分析處理軟件采用MATLAB平臺實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)組成

基于模型的輸氣管道泄漏檢測與定位系統(tǒng)是集油氣管道運(yùn)輸、檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、自動控制技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)于一體的軟件系統(tǒng)，它是由油氣管道泄漏產(chǎn)生的社會影響、經(jīng)濟(jì)影響以及對環(huán)境和人身的危害角度出發(fā)，解決在油氣管道泄漏時(shí)如何快速采集泄漏數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理來定位泄漏位置。

泄漏檢測與定位系統(tǒng)由氣動回路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，系統(tǒng)氣動回路如圖 1所示，其中氣源為空氣壓縮機(jī)，可以產(chǎn)生壓力范圍為0～0.7MPa（表壓）的壓縮氣體，管道上多處安裝高精度壓力傳感器采集壓力信號，并且沿管道不同位置模擬了內(nèi)徑大小不同的泄漏孔，管道末端通過安裝節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量模擬不同工況，節(jié)流閥后接消音器通向大氣。

圖1 系統(tǒng)氣動回路

管道泄漏檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖 2所示，該系統(tǒng)以研華公司的IPC660工控機(jī)為中心，數(shù)據(jù)采集與控制卡采用研華公司的PCL-812PG，這是一款基于ISA總線的MultiLab模擬量和數(shù)字量I/O卡，可以實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。模擬量的輸入是通過螺絲端子板卡PCLD-780與數(shù)據(jù)采集板卡相連。

2 工作原理

基于模型的輸氣管道泄漏檢測系統(tǒng)的主程序流程圖如圖 3所示。在輸氣管道泄漏監(jiān)測的過程中，當(dāng)調(diào)用計(jì)算數(shù)學(xué)模型輸出壓力值和實(shí)際測量壓力值誤差不大時(shí)，認(rèn)為管道運(yùn)行狀態(tài)正常，即不存在泄漏；而誤差較大時(shí)，則出現(xiàn)泄漏，需要進(jìn)一步檢測泄漏位置和確定泄漏量的大小。

圖3 基于模型的輸氣管道泄漏檢測系統(tǒng)主程序流程圖

輸氣管道的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)輸氣管道傳輸基本機(jī)理模型和經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償后的準(zhǔn)確模型，用于輸氣管道運(yùn)輸過程中沿管線各點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)的監(jiān)測。當(dāng)管道中無泄漏發(fā)生時(shí)，通過模型計(jì)算得到沿管線上各點(diǎn)的參數(shù)，與安裝在管道上各個節(jié)點(diǎn)的壓力傳感器的測量值進(jìn)行比較，誤差會比較??；但當(dāng)管道中出現(xiàn)泄漏時(shí)，管道上多個點(diǎn)多個時(shí)刻模型法的輸出會出現(xiàn)較大誤差，這時(shí)就可以判斷管段中出現(xiàn)了異常。這是基于模型的氣體管道泄漏檢測的第一步。

在無泄漏的情況下，由于管道中存在的阻力，沿管流方向各個節(jié)點(diǎn)的壓力會沿某一壓力梯度方向平滑下降，而當(dāng)管道中某處出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)前后的壓力會有突變，也即泄漏點(diǎn)前后壓力梯度會出現(xiàn)拐點(diǎn)，根據(jù)泄漏點(diǎn)前后壓力數(shù)據(jù)分析可以確定泄漏發(fā)生的管段，此為泄漏位置的粗略定位。這是泄漏檢測的第二步。

確定泄漏發(fā)生的管段后，在該管段上應(yīng)用氣體管道水力計(jì)算方程來確定管段中泄漏發(fā)生的具體位置。這是泄漏檢測的第三步。

最后一步是進(jìn)行泄漏量的估計(jì)。根據(jù)泄漏點(diǎn)之前管線上的實(shí)測壓力值，應(yīng)用流量公式，可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)前管線上的質(zhì)量流量，泄漏點(diǎn)后的流量同樣可以計(jì)算出來，這兩個流量的差值即為管段中泄漏點(diǎn)處的泄漏量。

3 數(shù)據(jù)采集顯示

本系統(tǒng)采用的是美國國家儀器公司LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式來表達(dá)輸出檢測結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用I/O接口設(shè)備來完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。常見的虛擬儀器方案如圖4所示。

本系統(tǒng)中，以LabWindows/CVI編寫控制與數(shù)據(jù)采集軟件，采集管道不同位置的壓力信號，以采集四處壓力信號為例，如果需要觀測壓力信號的動態(tài)變化過程，則可設(shè)置四個示波器，同時(shí)還可根據(jù)需要設(shè)置若干控制按鈕。顯示當(dāng)前時(shí)刻各個壓力傳感器所采集到的壓力數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲。

4 泄漏檢測與定位

管道的數(shù)學(xué)模型是基于管道傳輸基本方程建立起來的，會存在著一些誤差，本系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償模型存在的誤差。

4.1 氣體管道泄漏位置粗略定位

經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償后的模型用于管道運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，管道在無泄漏的情況下，沿管流方向的壓力是連續(xù)變化、逐漸衰減的，其中液體管道沿管線方向的壓力變化，即壓力梯度近乎為線性曲線；氣體管道的壓力梯度雖然沒有液體管道那樣好的線性，無泄漏時(shí)管道上的壓力梯度變化也是均勻光滑的，曲線斜率是逐漸變大的。無泄漏但管道末端用氣量發(fā)生改變的不同工況下壓力曲線的對比情況如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)管道長度方向變量，縱坐標(biāo)為各節(jié)點(diǎn)上壓力數(shù)據(jù)，采用的是管道穩(wěn)態(tài)流動時(shí)各個時(shí)刻壓力數(shù)據(jù)平均值?？梢钥吹讲煌r時(shí)壓力梯度曲線上下浮動，但每一條曲線的下降趨勢基本一致，且變化過程比較光滑，沿管流方向曲線斜率逐漸增加。

當(dāng)管道中出現(xiàn)泄漏時(shí)，壓力梯度曲線會發(fā)生變化，壓力曲線不再光滑，泄漏點(diǎn)前后壓力曲線會出現(xiàn)拐點(diǎn)。系統(tǒng)采集了不同泄漏位置，在同一位置不同泄漏量的壓力數(shù)據(jù)，其中泄漏位置為L1、L2和L3，即28.0m、37.0m和49.0m三種，同一位置安裝1.2mm、1.6mm和2.0mm三種不同直徑的泄漏小孔模擬不同的泄漏量。其中28.0m處出現(xiàn)泄漏時(shí)壓力梯度曲線如圖6所示，橫坐標(biāo)為管道長度方向變量，縱坐標(biāo)為各節(jié)點(diǎn)上壓力數(shù)據(jù)。據(jù)此可以判斷泄漏發(fā)生的管段。

4.2 泄漏點(diǎn)的精確定位

在同一位置安裝1.2mm、1.6mm和2.0mm三種泄漏小孔，也即泄漏量改變時(shí)對泄漏位置進(jìn)行估算。管道上在28m處發(fā)生泄漏時(shí)泄漏位置估計(jì)情況如圖7所示。圖中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)為管道長度方向估計(jì)的泄漏位置。從圖中可以看到隨著泄漏孔徑的增大，估計(jì)位置與實(shí)際泄漏位置的誤差逐漸變小。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)是一種將基于氣體管道流動數(shù)學(xué)模型的方法同基于知識的檢測方法想結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)的新型的氣體管道泄漏檢測方法。這套系統(tǒng)對于油氣管道的泄漏檢測與定位技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的作用，其應(yīng)用可以涵蓋管道運(yùn)輸、檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和分析處理、虛擬儀器技術(shù)等多個領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

[1]石小琳，孫志毅，何秋生，等.信息融合技術(shù)在管道泄漏檢測與定位中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2011，38（7）：789-792.

[2]李長俊.天然氣管道輸送[M].2版.北京：石油工業(yè)出版社，2008：64-65，168-175.

[3]何小陽，李健，閔力，等.精餾塔的機(jī)理——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合建模[J].控制工程，2009， 16（2）：211-213.

[責(zé)任編輯：田吉捷]