長距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測與準(zhǔn)實時檢測技術(shù)研究

鄭恩文

摘要：在實驗研究基礎(chǔ)上，采用巴特沃茲濾波方法去除信號中的噪聲干擾，將基于傅立葉方法的故障診斷方法引入長距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測與準(zhǔn)實時檢測技術(shù)中，對可以反映油氣的泄漏壓力信號的相關(guān)特征向量指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該方法對實驗得到的壓力信號進(jìn)行快速傅里葉變換，解決了對時域信號向頻域轉(zhuǎn)化的難題，進(jìn)而通過對加窗后重構(gòu)的新序列進(jìn)一步分析，就能根據(jù)不同頻域內(nèi)的特征向量值完成對產(chǎn)生泄露原因的識別。并在后期的實際應(yīng)用中取得了相對較好的效果，同時在上述研究基礎(chǔ)上，對總結(jié)油氣管道泄露檢測與準(zhǔn)實時檢測技術(shù)進(jìn)行分析，為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善提供指導(dǎo)性建議。

關(guān)鍵詞：巴特沃茲濾波方法;傅立葉方法;泄露監(jiān)測;快速傅里葉變換。

中圖分類號：TE973.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0020-05

油氣運輸中的管道泄漏現(xiàn)象，不僅會造物質(zhì)損失和污染環(huán)境，更加可能帶來十分重大的人員傷亡。然而近些年來，相關(guān)的油氣管道泄漏事故卻多有發(fā)生，故而為了更好的對管道安全運行加以保證并且將油氣泄漏事故所帶來的危害降低到最小，油氣泄漏檢測技術(shù)快速成為近年來工程研究的重點項目。

眾所周知，長距離油氣泄漏的管道檢測技術(shù)是一項涉及到多個領(lǐng)域的跨學(xué)科復(fù)雜課題-引，其具體涉及到熱力學(xué)、流體力學(xué)、信號學(xué)、檢測學(xué)、傳感技術(shù)、信號處理、微弱信號檢測等多個相關(guān)學(xué)科方向，是近年來冉冉升起的學(xué)術(shù)要點，更是學(xué)術(shù)難點。

1長距離油氣輸送方式及調(diào)節(jié)

通常所說的長距離油氣輸運方式指的是，沿著油氣輸運管道的各個泵站與泵站，以及管道與泵站之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于相鄰的兩個泵站之間的連接方式各不相同，導(dǎo)致設(shè)備的選擇、泵站內(nèi)的工作流程、管理水平以及水平也均不相同。而長距離油氣的輸運方式通常有三種，一般可以歸結(jié)為，旁接油罐、通過油罐以及從泵到泵（圖1）。

1）這里所說的旁接油罐油氣運輸方法，指的是當(dāng)上一泵站來油氣時，油氣將會同時進(jìn)入到油氣泵或者油罐，也就是油罐與主要油氣干線呈并聯(lián)關(guān)系。基于這樣的設(shè)計，如果相鄰的兩個泵站的油氣量較為均衡的時候，油氣罐內(nèi)部的液面則相對平穩(wěn)，可以使得罐內(nèi)因蒸發(fā)而帶來的油氣損失減少，而當(dāng)上下兩個泵站之間的輸運量不能保持平衡的時候，油氣罐就可起到一個緩沖的作用。

2）通過油罐的油氣輸運方式則通常是指，當(dāng)上一泵站有油氣進(jìn)入罐內(nèi)后，油氣泵再由油氣罐內(nèi)部抽取油氣，并且經(jīng)過加壓后將其輸運到下一個相鄰的油氣泵。在上述通過油罐的輸送方式下，多個油氣罐則可以在數(shù)量無法保持不平衡的時候起到一定的調(diào)節(jié)作用，同時又可以將油氣管路中在輸運過程中帶來的部分空氣排出，這樣就可以起到沉淀大量雜質(zhì)的效果。然而，考慮到油氣罐內(nèi)流體在運輸過程中會受到劇烈的擾動，將會導(dǎo)致因蒸發(fā)帶來大量的油氣損耗。綜上，該種輸運形式被較多的使用在投產(chǎn)過后的試運行階段中，這是由于該階段下整個運行機(jī)構(gòu)尚且無法很好地協(xié)調(diào)，故而各個泵站間的輸運量的相對波動是很大的，在這種情況下，油氣罐可以起到一個很好的緩沖的作用，同時，上一泵站的來油在罐內(nèi)可以進(jìn)行雜質(zhì)以及空氣的排放，這將進(jìn)一步保證泵站內(nèi)的設(shè)備可以相對安全的運行。在此前前提下，當(dāng)全部運輸線上各個環(huán)節(jié)均達(dá)到協(xié)調(diào)后，即可以將油氣輸運方式更改為從泵到泵或者旁接油罐。

3）最后，從泵到泵的的輸送方式通常是指，將相鄰泵站中的通過上一泵站的所來油氣全部輸運到下一油氣泵中。其中，運輸線路中的相鄰泵站之間的輸油泵則應(yīng)用密閉輸送，即接力傳送。這樣的設(shè)計使得運輸線路結(jié)構(gòu)更加簡單，因此就可以避免油氣經(jīng)過中間的泵站時帶來的的蒸發(fā)損耗。

在旁接油罐以及通過油罐這兩種輸運方式中，每一個泵站以及與其相鄰的下一個泵站間的油氣管道均可以形成一個獨立的水力機(jī)構(gòu)，這樣使得各個泵站在很短的時間內(nèi)就可以各自調(diào)整內(nèi)部的多個運行參數(shù)，同時不會對其它的泵站造成直接的影響。這體現(xiàn)了，分布在主油氣線路上的油氣罐帶來的緩沖作用，提高了整個管路調(diào)節(jié)的靈活性。然而，上述方式均無法在長距離的管路運輸中保證油氣輸運主泵可以以正壓來進(jìn)泵。這導(dǎo)致每一個泵站都需要設(shè)置相應(yīng)的給油氣系統(tǒng)，故而油氣罐存在帶來的缺陷也是不可忽略的，即導(dǎo)致輸運過程趨于復(fù)雜化，進(jìn)而需要增加一定的操作人員，更使得經(jīng)營以及投資的相應(yīng)費用大幅增加。

對比來看，從泵到泵的油氣輸運方式則將所有的站與整個運輸線路的管路整合成為統(tǒng)一的單個動力系統(tǒng)，這樣各個泵站的輸運特征則僅僅受到總特征以及整體流量的影響?？梢悦黠@看出，基于該設(shè)計下，各個站的流量將保持等量，個別泵站的進(jìn)出油氣流量發(fā)生突變，則會導(dǎo)致其它所有的泵站流量均隨之出現(xiàn)對應(yīng)的浮動。同時，各個泵站的進(jìn)出口壓強(qiáng)也存在相互影響的現(xiàn)象，舉例來講，某一泵站的相鄰前一泵站所輸人的壓力大于兩個泵站之間的線路所耗散的壓力，那么消耗后的剩余壓力則會轉(zhuǎn)變?yōu)槠湎噜彽南乱徽镜倪M(jìn)口壓力，這將會導(dǎo)致下站的輸出壓力在原基礎(chǔ)上升高。綜上，各個站均需要設(shè)置相對可靠的自動保護(hù)措施以及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過上述分析可以得出，從泵到泵的輸運方法具有能源損耗較少，工藝流程更加簡單，節(jié)省了油氣設(shè)備以及節(jié)約了人力資源的巨大優(yōu)勢。然而現(xiàn)在我國的大部分油氣運輸過程還在繼續(xù)使用旁接油罐或者通過油罐的輸運方法。

2泄漏監(jiān)測與準(zhǔn)實時檢測的相關(guān)數(shù)學(xué)模型

2.1巴特沃茲濾波降噪方法

在旁接油罐、通過油罐的油氣輸運方式中，各個油氣罐對管道內(nèi)壓力具有一定的緩沖作用，可以類比于電路中電容產(chǎn)生的作用，即對管道內(nèi)壓力的驟然變化提供一定的濾波和降噪作用。而多個油氣罐的結(jié)構(gòu)設(shè)置則使得油氣通路內(nèi)部介質(zhì)的壓力相對較低，經(jīng)過大量計算總結(jié)得出，該壓力通?？梢酝ㄟ^將閥組帶來的壓損與油氣罐內(nèi)的流體高度壓相加得到，這將會導(dǎo)致基于管道壓力變化來檢測油氣泄漏的方式的要求變得更高。另一方面，考慮到輸運管道中隨機(jī)出現(xiàn)的工業(yè)測量帶來的干擾以及設(shè)備固有的噪聲干擾，去噪方法的提出也尤為重要。因此，本工作中經(jīng)過大量的實際研究得出大量實驗數(shù)據(jù)，并基于上述數(shù)據(jù)，對應(yīng)上述兩種噪聲干擾給出濾波去噪的方法：采取巴特沃茲濾波方法來過濾去除多種噪聲干擾。

巴特沃滋濾波器一的設(shè)計流程可以簡述為三個部分，首先按照油氣泵壓力具體數(shù)據(jù)及泄漏檢測具體要求來給出濾波器的對應(yīng)性能參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上通過巴特沃滋方法不斷逼近設(shè)定好的性能參數(shù)，也就是通常所說的確定巴特沃滋器的單位脈沖函數(shù)或者系統(tǒng)響應(yīng)。最后，對設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行檢驗，監(jiān)測濾波器能否達(dá)到先前制定的性能標(biāo)準(zhǔn)，如果結(jié)果并不理想，則反復(fù)修改先前步驟，直到得到符合標(biāo)準(zhǔn)的檢測結(jié)果，即完成巴特沃滋濾波器的設(shè)置。

由上述研究工作可知，本研究中對壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的處理的主要是將低頻的噪聲信號過濾掉，為了起到降噪效果，采用高通濾波器，而通常研究中大多使用低通濾波器，其特性由圖2所示。

在前人的研究過程中，巴特沃茲、橢圓以及切比雪夫濾波器應(yīng)用的最為廣泛，而基于對相關(guān)壓力參數(shù)的靈敏度的考慮，在眾多研究結(jié)構(gòu)下，可以得出，巴特沃茲濾波器靈敏度是最好的，其次則為切比雪夫，效果最不理想的則是橢圓濾波器，同時考慮到巴特沃茲濾波器具有最低的計算階次，其可作為長距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測與準(zhǔn)實時檢測技術(shù)研究中降噪濾波器的最佳選擇，其后我們通過Matlab軟件完成了低通濾波器向高通濾波器的轉(zhuǎn)換。

波動幅度的平方函數(shù)是上述巴特沃茲濾波方法中的重要參數(shù)，其定義式如下：

本研究中，我們應(yīng)用MATLAB軟件對巴特沃滋濾波器進(jìn)行編寫，并得出對油泵壓力信號進(jìn)行降噪后的效果圖如下：

2.2快速傅里葉分析提取特征壓力信號

為了對長距離輸油氣管道內(nèi)的油氣泄漏所引發(fā)的壓力驟然下降，和因為泵站調(diào)節(jié)等因素造成的壓力波動進(jìn)行識別和區(qū)分，本文中應(yīng)用快速傅里葉分析方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傅里葉方法，來對特征壓力信號進(jìn)行重構(gòu)，完成時域信號向頻域的快速轉(zhuǎn)變，并對泄露故障進(jìn)行識別。

本文應(yīng)用上述方法對長距離油氣輸運過程中的加速度數(shù)據(jù)和油氣泵內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析。結(jié)果表明，由于長距離油氣輸運的驗過程中各種信號的采集量均較為旁大，故而直接應(yīng)用傅立葉變換會導(dǎo)致計算量過大，對計算機(jī)的內(nèi)存和以及CPU的處理速度要求相對很高。因此，從正常輸運過程，即非泄漏過程的采集數(shù)據(jù)中截取數(shù)段數(shù)據(jù)，同時在泄漏過程中截取數(shù)段數(shù)據(jù)，并將多端不同情況下的信號進(jìn)行快速傅立葉處理，是本文采用的可行且節(jié)約計算資源的處理方法。在我們的研究中窗函數(shù)中的hamming窗被應(yīng)用于數(shù)據(jù)的截取，并且根據(jù)大量測試，將窗口的長度設(shè)置成69個采樣的信號點，這里為了證明在長距離有氣泄漏檢測研究中過濾降噪處理的必要性，我們在對濾波后得到的正常油氣輸運數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，對沒有經(jīng)過濾波的正常信號同樣作出快速傅立葉轉(zhuǎn)換，并將兩種情況下的計算結(jié)果進(jìn)程對比，對比結(jié)果如圖5中所示。

同時，對應(yīng)于上述操作，從油氣泄漏情況下的數(shù)據(jù)中截取局部數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換，這部分操作也同樣使用了hamming窗，窗函數(shù)的尺度與上述操作中相等，并同樣給出濾波前后油氣泄漏情況下數(shù)據(jù)的對比分析，對比結(jié)果見圖6。

聯(lián)合觀察圖5、圖6，我們可以分析得出，在上述的兩種輸運狀態(tài)，即正常輸運和發(fā)生油氣泄漏的輸運過程中，兩種狀態(tài)下的到的采集數(shù)據(jù)的能量均集中分布于2500Hz以下的低頻率區(qū)域，然而在油氣泄漏現(xiàn)象較為頻繁出現(xiàn)的3000Hz-24000Hz頻率分布帶內(nèi)則無法觀察到明顯的處理信息。通過研究分析我們得出，從長距離油氣輸運實驗中我們所檢測得到的流動加速度信號以及泵站壓力信號中，是以較低頻率的信號占據(jù)了較為重要的地位，而這些較低頻率的信號的成分卻是基本由各種各樣的噪聲信號組成的，這樣以來，研究中較為重要，且具有價值的油氣泄漏時對應(yīng)的特征信號，反而由于所處頻帶較高而被能量較高的低頻信息所掩蓋，而無法正常顯示，不能得到很好的分析，也就是通常認(rèn)為的信噪比較低。

而為了將信噪比例有效的提高，我們在前面的研究中采用了巴特沃滋濾波器進(jìn)行濾波，較為有效的將泵站信號中低于2500Hz的各種低頻率信號消除，而后在此基礎(chǔ)之上使用快速傅立葉處理，對信號進(jìn)行時域向頻域的轉(zhuǎn)換。如圖5中右邊的兩個經(jīng)過濾波后的云圖所示，由于圖5中給出的數(shù)據(jù)是基于正常油氣輸運狀態(tài)下實驗采集得到的，在該狀態(tài)下并沒有相應(yīng)的油氣泄漏現(xiàn)象發(fā)生，因此可以在圖中看出，在時頻分布中油氣泄漏具有發(fā)生可能的時頻區(qū)域內(nèi)并不出現(xiàn)可觀察到的云圖成分，也就是無法提取出相應(yīng)的油氣泄漏特征，這個現(xiàn)象同樣可說明快速傅立葉轉(zhuǎn)換所得到的結(jié)果是合理且相符于實際情況的。進(jìn)一步分析圖6，泵站的壓力信號在通過濾波后于0.012處出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊。對比實驗分析，這與油氣泄露產(chǎn)生的時間點基本符合。

3油氣管道泄露監(jiān)測與自動控制系統(tǒng)設(shè)計

長距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測與自動控制系統(tǒng)具體如圖7所示。系統(tǒng)在監(jiān)測到泄露信號之后，搜集泄露信息，并對泄露信息進(jìn)行處理，進(jìn)行故障報警?，F(xiàn)場根據(jù)報警顯示確定泄露點，并進(jìn)行泄露原因識別和泄露故障處理。系統(tǒng)檢測泄露點處理完畢之后恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

4結(jié)語

本文針對長距離油氣輸運過程中的泄漏檢測進(jìn)行了較為深人的研究，結(jié)果表明，在對長距離輸油氣管道泄漏監(jiān)測與準(zhǔn)實時檢測的研究中，直接使用快速傅立葉變換，由于各種非泄漏噪聲的低頻數(shù)據(jù)在整體能量分布上占據(jù)了主要部分，會導(dǎo)致信噪比降低，是無法區(qū)別提取管道泄露信息的，進(jìn)而無法進(jìn)行準(zhǔn)時的檢測，在研究過程中需要通過對流動加速度以及壓力信號進(jìn)行濾波降噪處理，應(yīng)用巴特沃茲濾波器消除在能量上占據(jù)主要地位的低頻信號段，再聯(lián)合使用快速傅里葉變換，則能夠成功的從流體的加速度數(shù)據(jù)以及泵站的壓力數(shù)據(jù)中有效的提取出油氣泄露相關(guān)數(shù)據(jù)特征。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步設(shè)計了長距離油氣管道泄漏監(jiān)測自動控制系統(tǒng)。