基于DSP的管道泄漏特征識別技術(shù)

賀詩瑤劉釔池魏贊徐艷艷李紅

（1.中國石油天然氣集團(tuán)公司華北油田分公司第三采油廠 河北河間 062465；2．河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計有限公司 河北任丘 062465）

基于DSP的管道泄漏特征識別技術(shù)

賀詩瑤1劉釔池2魏贊1徐艷艷1李紅1

（1.中國石油天然氣集團(tuán)公司華北油田分公司第三采油廠 河北河間 062465；2．河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計有限公司 河北任丘 062465）

基于DSP(獨(dú)特的微處理器)管道泄漏特征識別技術(shù)的研究與應(yīng)用，改變了管道泄漏報警系統(tǒng)通常所采取的“三降一升”特征識別方式，采取可量化的極值識別的處理方式，通過對管道小流量泄漏監(jiān)測的弱信號異常變化的量化分析，實(shí)現(xiàn)了“管道泄漏報警定位”技術(shù)由籠統(tǒng)判斷方式向精確識別方式的轉(zhuǎn)變，解決了早期管線泄漏報警技術(shù)對微小泄漏量不易識別、不能準(zhǔn)確定位等問題。

微小泄漏量；噪聲干擾；泄漏特征；定位

輸油管道穿孔如果不能及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致油品外泄、環(huán)境污染、停輸?shù)纫幌盗胁涣己蠊?，搶險補(bǔ)漏時會造成大量經(jīng)濟(jì)損失。單靠增加人力、加強(qiáng)巡線力度，雖然能起到一定作用，但效果并不明顯。早期開發(fā)的管道泄漏報警系統(tǒng)，利用負(fù)壓力波法原理，采取“三降一升”方式對管道泄漏進(jìn)行特征識別判斷，其識別過程需要人為參與，這不僅加大了管道小流量泄漏定位的誤差，而且，不符合管道泄漏報警系統(tǒng)對泄漏報警定位自動化的要求。

1 基于DSP的管道泄漏特征識別技術(shù)

管道泄漏特征識別系統(tǒng)用于監(jiān)測長輸管線上某管段的泄漏情況。一旦某管段發(fā)生原油泄漏，該系統(tǒng)就會立即報警并定位。早期研制的管線泄漏報警技術(shù)對泄漏特征不能有效區(qū)分，其根本原因是由于從傳感器獲得的電信號，由于傳輸過程中的各種噪聲干擾、工作現(xiàn)場的電磁干擾以及前段電路本身的影響，往往會有多種頻率成分的噪聲信號，嚴(yán)重情況下，這種噪聲信號甚至?xí)蜎]有效輸入信號，致使系統(tǒng)無法對信號識別判斷。

圖1 信號噪聲干擾

圖2 信號數(shù)字濾波效果前后對比

為了減少干擾噪聲信號對監(jiān)測過程的影響，開展了“基于DSP管道泄漏特征識別技術(shù)”的研究應(yīng)用。基于DSP的管道泄漏報警系統(tǒng)采用DSP信號識別與處理技術(shù)，從軟、硬件兩方面入手構(gòu)建完善的管道泄漏報警體系，并進(jìn)行模塊化功能分析。從實(shí)際需求出發(fā)設(shè)計系統(tǒng)的硬件體系框架，研發(fā)并制造了基于DSP的RTU（遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)采集模塊）硬件電路，包括前端輸入信號調(diào)理電路設(shè)計和系統(tǒng)內(nèi)部硬件資源分配的實(shí)現(xiàn)等，對現(xiàn)場采集的信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線降噪分析，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、工作可靠性高。

圖3 硬件體系框架

建立并實(shí)現(xiàn)基于DSP的系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括整個系統(tǒng)程序流程的設(shè)計、各個模塊應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)和內(nèi)核模塊的初始化設(shè)置，創(chuàng)造新的軟件處理方法，提高了管道小流量泄漏的定位精度及靈敏度。

“基于DSP管道泄漏報警定位系統(tǒng)”基于負(fù)壓力波法技術(shù)原理開發(fā)的智能管道泄漏報警定位技術(shù)，是在原有輸油管道報警系統(tǒng)技術(shù)之上跨越式的飛躍。從基于DSP的系統(tǒng)軟件開發(fā)、基于DSP芯片的RTU、數(shù)字型流量變送器產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)三個方面對原系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級改造。RTU設(shè)計實(shí)現(xiàn)了信號硬件的在線降噪處理、分析及信號轉(zhuǎn)換速度的提高，系統(tǒng)運(yùn)算能力得到大幅提高。

軟件融合了FFT的DSP算法優(yōu)化、數(shù)字濾波器的DSP技術(shù)等多種綜合技術(shù)，創(chuàng)造出獨(dú)有的適合監(jiān)測管道微小泄漏的實(shí)時監(jiān)測曲線。同時，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、聯(lián)想、記憶功能，能夠?qū)艿栏鞣N信號特征的變化進(jìn)行智能化直觀識別，實(shí)現(xiàn)了自動、高效、準(zhǔn)確地分析，識別小流量泄漏的目的。

圖4 基于DSP管道泄漏報警定位系統(tǒng)

流量信號實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理，在抗干擾、檢測精度、靈敏度等方面取得成效。自主開發(fā)的“基于DSP的管道泄漏報警定位系統(tǒng)”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管道泄漏報警定位系統(tǒng)由籠統(tǒng)判斷方式向精確識別方式轉(zhuǎn)變，能在泄漏發(fā)生后迅速、準(zhǔn)確地判斷出泄漏位置，實(shí)現(xiàn)對管道小流量泄漏難以監(jiān)控和識別的關(guān)鍵技術(shù)上的突破，提升系統(tǒng)對原油外輸管線安全運(yùn)行的技術(shù)監(jiān)控與管理能力。為油田生產(chǎn)單位及時調(diào)動人力應(yīng)對突發(fā)事件提供了準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，使損失降低到最小程度。

2 系統(tǒng)工作原理

輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)以負(fù)壓力波法為基本方法，利用管道瞬態(tài)模型，采用流量報警，壓力定位。

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)由于管道內(nèi)外的壓差，使泄漏處的壓力突降，泄漏處周圍的液體由于壓差的存在向泄漏處補(bǔ)充，在管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓波（壓力下降），負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)沿管道以一定速度向上、下游傳遞，波幅隨著傳輸距離而遞減，最后到達(dá)管道兩端，造成首站出站壓力下降、出站流量上升；末站進(jìn)站壓力下降、進(jìn)站流量下降，從而產(chǎn)生輸差；這種壓降和正常壓力波動不同，具有比較陡峭的前沿。管道兩端（首末站）的壓力變送器接收管道的壓力信號并進(jìn)行連續(xù)記錄。結(jié)合壓力和流量的變化特征，可以判斷泄漏是否發(fā)生，通過測量泄漏時產(chǎn)生的瞬時壓力波到達(dá)上游、下游兩站的時間差和管道內(nèi)的壓力波的傳播速度即可計算出泄漏點(diǎn)的位置。為了克服噪聲干擾，軟件上采用了多種濾波算法，國內(nèi)油品的壓力波傳播速度約為1050～1200m/s。對于一般管線，負(fù)壓波的速度約為1080m/s（管道存在變徑則情況不同）。

根據(jù)壓力波響應(yīng)時間差、管道長度、壓力傳播速度，建立基本的數(shù)學(xué)理論模型，對由于因管線的工況參數(shù)及被輸介質(zhì)的理化性質(zhì)和溫度衰減等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進(jìn)行必要的補(bǔ)償和修正，由公式即可計算出相應(yīng)泄漏位置。

圖5楚任長輸線概況

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況及效益分析

2016年10月，在采油三廠楚任線進(jìn)行了推廣應(yīng)用。通過微小泄漏技術(shù)應(yīng)用，泄漏的靈敏度由2m3/h提高到0.05m3/h，泄漏定位的精度由200m提高到100m。

圖6 基于DSP管道泄漏報警定位系統(tǒng)在楚任長輸線的應(yīng)用

通過對軟件、硬件的改進(jìn)、完善，解決了信號的噪聲干擾；對存儲信號的分析處理和信號的分類研究，建立了對波源有效性的判斷識別方法，準(zhǔn)確地分辨出有效波信號，實(shí)現(xiàn)了“管道泄漏報警定位”技術(shù)由籠統(tǒng)判斷方式向精確識別方式的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)束語

“基于DSP管道泄漏特征識別技術(shù)”是針對管道原油輸送自動化安全監(jiān)測管理技術(shù),適于長輸管線自動化監(jiān)測管理大規(guī)模推廣。通過現(xiàn)場應(yīng)用，該技術(shù)具有靈敏度高、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在數(shù)字油田系統(tǒng)建設(shè)、管理中具有較好的發(fā)展前景。