天然氣管道次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)分析

張瑜

(中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

0 引言

管道運輸已成為天然氣長距離輸送的主要方式。隨著管線增多、管齡增長、以及不可避免的腐蝕和自然或人為損壞等原因，管線泄漏屢見不鮮，造成了嚴重的資源浪費、經(jīng)濟損失及人身安全威脅。管道泄漏在線監(jiān)測技術(shù)成為天然氣管道泄漏安全預警的有效手段之一，該技術(shù)對管道的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當發(fā)生泄漏時可在極短的時間內(nèi)發(fā)出警報并準確定位，管道公司可及時做出應(yīng)急響應(yīng)，有效的控制管道泄漏損失及危害。由于天然氣的可壓縮性，在輸油管道上效果良好的方法用在輸氣管道管道上，靈敏度及可靠性就大為降低，如負壓波法、瞬態(tài)模型法。相比其他泄漏檢測方法，次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)具有響應(yīng)時間快、靈敏性好、定位準確、誤報率低、性價比高等優(yōu)勢，在國內(nèi)外天然氣管道中應(yīng)用較多。本文將對該系統(tǒng)的檢測原理、定位方法及關(guān)鍵技術(shù)的研究方法進行總結(jié)分析。

1 次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)原理

1.1 泄漏監(jiān)測方法

當天然氣管道發(fā)生泄漏時，氣體噴出摩擦管壁、穿過漏點時形成的渦流產(chǎn)生聲波，特別是窄孔泄漏過程中，氣體在橫截面上流速的差異產(chǎn)生渦流而形成強烈的聲波信號，聲波信號會沿著管道內(nèi)的氣體向管道上下游傳播，泄漏聲波頻譜跟介質(zhì)種類、壓力、漏孔大小、管材等因素有密切關(guān)系。在音波傳播過程中，聲波信號的高頻成分迅速衰減，只有低頻成分(即次聲波)可傳播較遠的距離，在管道兩端安裝的次聲波傳感器就會捕捉到次聲波信號，信號處理分析系統(tǒng)在對采集到的次聲波信號進行降噪、特征提取、模式識別等分析，判斷管道是否發(fā)生泄漏。

1.2 定位方法

根據(jù)次聲波傳感器接收到次聲波信號的時間差及次聲波在管道內(nèi)氣體介質(zhì)的傳播速度就可計算出泄漏點的位置。

式中：x為上游傳感器安裝位置與泄漏點距離(m)；L為上、下游站之間的距離(m)；a為次聲波的傳播速度(m/s)；ν0為介質(zhì)流速(m/s)；Δt為上、下游站次聲波傳感器接收到泄漏信號的時間差，Δt=tl-t2，t1、t2為上、下游站次聲波傳感器接收到泄漏信號的時間。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

由于管道鋪設(shè)環(huán)境、泄漏孔徑、運行壓力等的不同，當發(fā)生泄漏時聲波信號也不相同，此外，當管道運行工況變化時，如泵啟停、泵速調(diào)節(jié)、閥門調(diào)節(jié)等，都會產(chǎn)生一些干擾噪音信號，這些因素都加大了泄漏信號提取和識別的難度，進而影響了泄漏檢測和定位精度。次聲波傳感器、降噪處理是獲取泄漏音波信號的關(guān)鍵，直接影響泄漏檢測的效果。信號識別是判別管道是否發(fā)生泄漏的關(guān)鍵，選擇合適的信號識別方法可有效降低泄漏誤報和漏報。

2.1 次聲波傳感器

次聲波傳感器主要作用是接收次聲波信號，它是精確的信號采集、特征分析和聲波源定期的基礎(chǔ)。它的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的檢測精確性。次聲波傳感器的探頭為一個換能元件，是次聲波傳感器接收信號的關(guān)鍵。由于次聲波的信號超低頻特點，次聲波的探頭需要有足夠低的下限頻率靈敏度。目前常見的聲波探頭種類有很多，如：動圈式、駐極體式、電容式等，其中電容式傳感器靈敏度為8～30mv/Pa，次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)傳感器要求的靈敏度為10～50mv/Pa，因此，電容式傳感器可用作泄漏檢測系統(tǒng)的次聲波傳感器。在選擇泄漏監(jiān)測系統(tǒng)次聲波傳感器時，應(yīng)考慮以下兩點：一是所應(yīng)用的管道輸送介質(zhì)特性；二是泄漏環(huán)境，如：泄漏信號的頻率范圍、管道壓力、泄漏點位置、泄漏孔徑大小等等。此外，還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，對次聲波傳感器的防水、防塵、防爆、耐高溫、耐低溫等性能酌情考慮。

2.2 降噪處理

天然氣管道是復雜的非線性系統(tǒng)，產(chǎn)生的聲波信號與背景噪聲極為相似，尤其在微小泄漏時，信號比較微弱，極易被背景 噪聲信號隱蔽，噪聲的存在會使泄漏信號識別困難，因此非常有必要進行信號降噪處理。信號降噪處理有很多方法，如：小波法、奇異值分解法等。每種方法適用的信號類別和范圍都有所差別，因此要根據(jù)噪聲和信號的特點，選擇合適的降噪方法，這樣才能獲得理想的降噪效果，即降噪后的曲線比較光滑，不產(chǎn)生虛假突變，最大程度的保留泄漏突變特征，并且不發(fā)生平移。由于天然氣管道泄漏產(chǎn)生的信號比較微弱，單一的降噪方法可能無法實現(xiàn)理想的降噪效果，多種方法結(jié)合成為首選。梁偉等人利用局部投影降噪法及小波變換理論，提取弱特征信號，突出信號突變拐點，提高了降噪效果[1]。金浩等人利用雙樹復小波與奇異值結(jié)合的降噪方法，對音波信號進行多層分解降噪處理[2]。武偉強等[3]通過信號尖端補償和小波變換處理，還原被舍棄的部分重要信號，對還原后的信號進行消噪，提高了系統(tǒng)的檢測精度。

2.3 信號特征識別

在進行降噪處理后，對于管道是否發(fā)生泄漏，需進行信號特征識別，常見的識別方法有：模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。模式識別方法是對管道泄漏所產(chǎn)生的聲波信號進行特征值提取和模式分類，優(yōu)點是快速高效且具有較強的抗干擾能力，但是它需要豐富的先驗知識。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種基于經(jīng)驗的類似于人類的認知學習過程的檢測方法，該方法可以根據(jù)管道的各種工況進行自適應(yīng)學習，具有良好的實時性，抗惡略環(huán)境和抗噪聲干擾能力較強[4]。這種方法也已經(jīng)成為管道泄漏檢測信號特征識別的常用方法。唐秀家等基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道運行狀況分類器能夠較為迅速準確預報出管道運行狀況，檢測管道是否泄漏，并且有較強的抗惡劣環(huán)境噪聲干擾的能力[5]。高炳坤等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對消噪后的信號進行識別，能夠?qū)π盘柺欠駷樾孤┬盘栠M行判斷并可以準確地定位泄漏位置[6]。

3 結(jié)語

次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是保障天然氣管道安全輸送的有效手段，在國內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛，本文對次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的檢測原理、定位方法、信號處理等技術(shù)進行了闡述。次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)檢測和定位原理簡單，但在系統(tǒng)設(shè)備尤其是次聲波傳感器選型，需要結(jié)合實際應(yīng)用的管道環(huán)境和工況運行情況來優(yōu)選合適的次聲波傳感器；此外，由于天然氣管道敷設(shè)環(huán)境和運行工況復雜，采集的聲波信號比較復雜，需采用合適的降噪方法和特征識別方法，來降低泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的誤報率及提高定位精度。