高精度實時監(jiān)測輸油管道漏失報警系統(tǒng)G300設計

趙璐 熊森 賈先

近年來，油田打孔盜油、腐蝕穿孔等輸油管道泄漏事故頻繁發(fā)生，由此帶來了經(jīng)濟損失及環(huán)境污染的嚴重后果，為此進行了輸油管道的在線監(jiān)測系統(tǒng)研究。研制的G300管道泄漏監(jiān)測報警定位系統(tǒng)采用自適應濾波算法和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術、模式識別算法，極大地提高了定位精度，降低了漏報率和誤報率?？舍槍λO(jiān)測管段全天候?qū)崟r監(jiān)測，對管道運行中發(fā)生的泄漏等異常事件進行報警、定位。與GPS為核心的定位導航系統(tǒng)及精確的管道電子地圖相結(jié)合，可及時準確找到泄漏現(xiàn)場，使管道泄漏損失降到最低。試驗結(jié)果表明：最小泄漏孔徑為3 mm，泄漏點平均定位精度小于10 m，泄漏報警時間小于15 s，沒有出現(xiàn)漏報情況。研制的系統(tǒng)可為油田輸油管道的在線監(jiān)測提供技術支撐。

管道漏失報警系統(tǒng)；流量平衡；壓力波；次聲波；泄漏定位

Design of G300 High-Precision Real-Time Monitoring and Alarm

System for Oil Pipeline Leakage

In recent years，oil pipeline leakage accidents resulted from perforating to steal oil and corrosion perforation have occurred frequently in oilfields，resulting in serious economic losses and environmental pollution.Therefore，an on-line monitoring system for oil pipeline was studied.The G300 pipeline leakage monitoring and alarm positioning system developed in the paper adopts adaptive filtering algorithm，modern digital signal processing technology and pattern recognition algorithm，greatly improving positioning accuracy and reducing missed and false alarm rates.The system can monitor the monitored pipeline section in real time and any kind of weather，and provide alarms and location for abnormal events such as leaks that occur during pipeline operation.Combined with positioning and navigation system that takes GPS as the core and precise pipeline electronic map，the system can timely and accurately locate the leakage site，minimizing pipeline leakage losses.The test results show that the minimum leakage aperture is 3 mm，the average positioning accuracy of the leakage point is less than 10 m，the leakage alarm time is less than 15 s，and there are no missed reports.The developed system provides technical support for on-line monitoring of oil pipelines of oilfields.

pipeline leakage alarm system；flow balance；pressure wave；infrasound wave；leakage positioning

0 引 言

管道運輸作為常見的油氣運輸方式，具有運輸量大、安全節(jié)能等特點?！笆奈濉睍r期我國油氣管網(wǎng)將全面實現(xiàn)物理互聯(lián)互通，預計到2035年我國還將新增天然氣管道建設總里程約6.5萬km，新建原油管道約2 000 km，成品油管道約4 000 km。

管道輸送具有高壓、易燃及易爆的風險，對長輸管道的安全管理非常重要。泄漏是長管道運輸中最重要的安全隱患，容易導致火災、中毒和爆炸等嚴重事故［1-2］。輸油管道的鉆孔偷油、腐蝕穿孔都會造成頻繁泄漏事故，以此帶來生產(chǎn)經(jīng)濟損失和環(huán)境嚴重污染。先進的管道在線監(jiān)測技術可以及時發(fā)現(xiàn)泄漏，迅速采取措施，從而大大減少盜油、漏油事件的發(fā)生，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益［3］。因此，研發(fā)出具有特色的高精度實時管道泄漏報警系統(tǒng)勢在必行。

1 研究背景

1.1 國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

當前，國內(nèi)外研發(fā)輸油管道漏失報警系統(tǒng)的廠家眾多，國外主要的制造商有英國ATMOS公司［4］、美國ASI公司等。核心技術是通過選用流量計和壓力變送器配合相關算法判斷泄漏和確定其位置［5-6］。這類產(chǎn)品在國內(nèi)的吐哈油田、勝利油田、塔北氣田均有部分使用。由于產(chǎn)品價格較高且沒有針對國內(nèi)的特殊需求進行定制，致使在國內(nèi)各大油、氣田未能推廣普及。

國內(nèi)主要的制造商有陜西西安佳暉科技有限公司、河北廊坊市藍德采油技術開發(fā)有限公司、上海貝加萊工業(yè)自動化有限公司、北京中計新業(yè)科技發(fā)展有限公司等。國內(nèi)廠家多在采用流量計、壓力變送器的基礎上增加了次聲波傳感器，以實現(xiàn)泄漏報警、定位。在泄漏判斷和定位方面，國內(nèi)產(chǎn)品與進口產(chǎn)品存在較大差距，技術研發(fā)及產(chǎn)品性能仍需進一步提高［7］。國內(nèi)外3家系統(tǒng)技術性能對比如表1所示。

1.2 管道泄漏檢測與漏點定位方法

1958年，第一條長輸管道克-獨線的建成使我國長輸管道建設進入了新的發(fā)展時期。國內(nèi)管道石油運輸發(fā)展了60多年，泄漏檢測技術的研究起步于20世紀90年代，總體上處于國外引進、研制開發(fā)的階段。鑒于國內(nèi)在該領域已有的技術水平［8-9］，利用綜合檢測技術能夠解決石油管道的實時監(jiān)測、泄漏報警等問題，歸納起來較為成熟的技術主要有以下3種［10-11］。

（1）流量平衡法。這種方法將流量計安裝在長輸管道的入口和出口處，實時檢測和記錄進、出口流量，并定時對比。當檢測到兩邊產(chǎn)生流量差時，立刻報警。該方法的不足之處是不能準確定位泄漏點位置。當泄漏發(fā)生時，則需要花費大量的時間，依靠人力查找出泄漏點。

（2）負壓波法。當輸油管道發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)外的壓差，泄漏點處流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的油液在壓差作用下向泄漏點處補充。該過程依次向上、下游傳遞，泄漏點處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負壓力波。根據(jù)泄漏時產(chǎn)生的瞬時壓力波在上下游管道傳播的時間差和管內(nèi)壓力波的傳播速度計算出泄漏點的位置。

（3）次聲波法。將次聲波傳感器安裝在管道出、入口處。發(fā)生泄漏時，管道的壓力平衡被破壞，導致管道中液體彈性釋放而引發(fā)瞬時聲波震蕩。聲波從泄漏點沿著管道流體以聲速向兩側(cè)擴展，此時次聲波傳感器檢測到聲波信號。管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對傳感器獲得的聲波信號進行處理，消除管道的噪聲并抑制其在該過程中產(chǎn)生的干擾。實時篩選、分析聲波信號，確定是否發(fā)生泄漏現(xiàn)象。根據(jù)聲波信號到達管道兩端泄漏監(jiān)測儀的時間差，計算出發(fā)生泄漏的具體位置。

2 G300管道泄漏報警系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)工作原理

該管道泄漏監(jiān)測報警定位系統(tǒng)是以次聲波法、負壓波法、流量平衡法3種原理綜合分析、判定的報警、定位系統(tǒng)［12-13］。該系統(tǒng)在負壓波法和流量平衡法的基礎上增加目前最先進的次聲波技術，采用先進的自適應濾波算法和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術、模式識別算法，極大地提高了定位精度，是多學科交叉融合技術的系統(tǒng)，其可靠性和準確性得以提高。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對所監(jiān)測管段全天候?qū)崟r監(jiān)測，對管道運行過程中發(fā)生的泄漏等異常事件進行報警、定位，靈敏度、定位精度高。結(jié)合GPS為核心的定位導航系統(tǒng)及精準的管道電子地圖，管理部門可以及時準確地定位泄漏現(xiàn)場位置，降低因管道泄漏等異常事件造成的經(jīng)濟損失［14］。

該G300管道漏失報警系統(tǒng)以數(shù)據(jù)曲線界面作為可視化管理的基本操作界面，形象地為生產(chǎn)管理人員提供管道運行數(shù)據(jù)，對泄漏等情況及時報警，提供定位信息，及時記錄存儲。通過查詢界面可以任意查詢各管道運行歷史數(shù)據(jù)、報警記錄等信息。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

輸油管道漏失報警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、終端分析處理系統(tǒng)3部分組成［15］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

安裝在首、末站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速采集2站所需數(shù)據(jù)，實時接收管道運行中產(chǎn)生的異常次聲波、流量及壓力信號，進行預處理、壓縮及打包后通過通信系統(tǒng)單元發(fā)送到終端處理系統(tǒng)。該部分由傳感器、GPS模塊、同步采集卡、工控機及采集軟件等組成。

2.2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括有線通信（電話或網(wǎng)絡）或無線通信（數(shù)傳電臺、5G移動網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡），將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預處理后獲得的數(shù)據(jù)準確、高速地傳送到終端處理分析和報警系統(tǒng)。

2.2.3 終端分析處理系統(tǒng)

終端分析處理系統(tǒng)對接收到的首、末站信息進行分析、處理計算，確定泄漏時間、位置和泄漏量，并迅速發(fā)出聲、光報警提示。系統(tǒng)界面友好，可實時顯示所監(jiān)測管道段壓力、流量曲線和數(shù)據(jù)，在首、末站同步進行GPS采集通信。

2.3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要滿足以下功能特點：

（1）采用多種方法相結(jié)合的監(jiān)測判斷方法，確保系統(tǒng)的高可靠性、高精準度。

（2）實現(xiàn)24 h實時監(jiān)測，管道運行數(shù)據(jù)同步顯示，并以數(shù)字和曲線方式呈現(xiàn)。

（3）60 s內(nèi)對管道發(fā)生泄漏或異常事件發(fā)出聲光報警，提示并給出具體泄漏位置。

（4）電子地圖顯示簡明、清晰、精準。

（5）通信方式靈活，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇有線和無線2種方式。

（6）管道運行數(shù)據(jù)、報警、操作記錄永久存儲，隨時可查詢，便于管理。

（7）系統(tǒng)界面友好、操作簡單，便于現(xiàn)場人員使用。

（8）系統(tǒng)具備遠程訪問功能，可異地進行查詢及系統(tǒng)維護（用戶允許的情況下）。

3 系統(tǒng)的硬、軟件及算法設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

針對系統(tǒng)的功能，對系統(tǒng)的硬件進行了設計。選用了合適型號的機柜、工控機、顯示器、多功能采集卡、4G DTU、GPS、壓力傳感器、流量傳感器及聲波傳感器等搭建輸油管道漏失報警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。主要的硬件設備及儀器儀表如表2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

3.2.1 概述

該系統(tǒng)對輸油管道進行24 h實時監(jiān)控，及時反映各管道壓力變化、次聲波變化、累計流量、瞬時流量和溫度等參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)盜油、漏油等異常情況，第一時間報警，系統(tǒng)將自動保存異常壓力曲線和各種參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中，以便隨時查看、分析、打印。系統(tǒng)定位顯示漏失點的電子地圖。根據(jù)現(xiàn)場的需求，本系統(tǒng)具有值班管理、事件記錄及查看等功能。

3.2.2 模塊結(jié)構(gòu)

針對輸油管道漏失報警系統(tǒng)的功能，設計了該系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示［16-17］。

系統(tǒng)的軟件各模塊功能如下：

（1）系統(tǒng)參數(shù)初始化。硬件初始化，包括IO口、AD采集、定時器參數(shù)等。

（2）GPS同步。通過GPS授時模塊的精確授時功能，同步工控機的系統(tǒng)時間，從而滿足系統(tǒng)精確定位算法的要求。

（3）數(shù)據(jù)采集、分析。采集卡實時、高速采集壓力變送器、次聲波傳感器和流量計的信號，并給實時數(shù)據(jù)打印上時間標簽；對實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型進行分析，通過負壓波法、次聲波法、流量平衡法對管線是否泄漏進行判斷。

（4）數(shù)據(jù)交換。主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)狀態(tài)曲線的展示、網(wǎng)絡傳輸狀態(tài)的監(jiān)控、用戶操作記錄的保存、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、用戶權(quán)限的分配等。

（5）異常數(shù)據(jù)存儲。由于數(shù)據(jù)量比較大，所以需要將采集到的數(shù)據(jù)實時存儲到工控機上，包括瞬時流量、管線壓力、次聲波信號和數(shù)據(jù)采集日期等，方便現(xiàn)場問題查找和維護。

（6）用戶操作。用戶在操作界面上可任意查詢各種管道運行歷史數(shù)據(jù)、報警記錄等信息。

3.3 系統(tǒng)處理算法設計

3.3.1 流量計信號處理算法

該系統(tǒng)的流量處理算法綜合了瞬時流量、累計流量處理算法。

（1）瞬時流量處理算法。將管道兩端同一時刻的瞬時流量采集值相減得到差值，根據(jù)時間點采用概率統(tǒng)計方法找出在無泄漏和調(diào)閥的情況下差值的一個合理范圍，將最大值設為閾值。最后，將每次差值與閾值進行比較，如果50個樣本點的差值分布在閾值范圍外的概率在80%以上，則可判定管道出現(xiàn)泄漏，進而結(jié)合壓力波曲線進行綜合判斷。

（2）累計流量處理算法。當瞬時流量處理算法不能準確地判斷緩慢泄漏時，則需要借助累計流量進行判斷。對管道兩端的累計流量進行實時采集，正常情況下兩端的差值應該接近于0。因流量計精度誤差，所以實際情況下累計流量差值通常不是0。統(tǒng)計不泄漏累積流量差值的概率分布，找出正常的閾值范圍。如果兩條曲線之間的距離越來越大，就能判斷存在泄漏，再結(jié)合壓力波參數(shù)就可以確定是緩慢泄漏或突發(fā)性泄漏。

該輸油管道漏失報警系統(tǒng)G300設計中使用的流量法算法的基本原理為入口流量和出口流量平衡。但由于儀表偏差、管道膨脹等因素的影響，在管道正常運行過程中往往導致入口流量和出口流量無法達到平衡狀態(tài)。現(xiàn)場實際流量如圖3所示。在管道實際運行過程中，入口流量和出口流量通常處于不平衡的狀態(tài)，如果僅利用現(xiàn)場儀表的流量差對管道是否發(fā)生泄漏進行判斷，就需要將儀表靈敏度大幅度降低才能減少系統(tǒng)的誤報警次數(shù)。

系統(tǒng)在對流量表進行處理之后的儀表示意圖如圖4所示。通過數(shù)學算法上的處理，結(jié)合降噪濾波的技術方法，可以大幅度提高系統(tǒng)的靈敏度，同時降低系統(tǒng)的誤報警的次數(shù)。

系統(tǒng)使用的流量平衡算法是真正意義上的流量平衡算法，并且能夠不通過人工判斷自動報警并定位。系統(tǒng)使用的流量平衡法可對管道的工況進行如下2個階段的處理。

（1）穩(wěn)態(tài)工況處理。系統(tǒng)在進行流量平衡計算的過程中，通過參數(shù)的配置，會自動對現(xiàn)場的儀表偏差進行糾正和補償；通過模型的計算，對管道變形造成的管容變化進行補償；通過概率統(tǒng)計分析的原理，結(jié)合流量的不平衡，對管道可能發(fā)生異常的概率進行計算，當發(fā)生概率大于99%時，系統(tǒng)自動進行報警。

流量計實際誤差與糾正后的誤差分布如圖5所示。圖5中上方圖展示了在系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集后，自動計算的流量計量的偏差；下方圖則展示了經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后，將流量計計量偏差調(diào)整成線性關系的圖形。

（2）瞬態(tài)工況處理。當管道處于瞬態(tài)情況下流量不平衡狀態(tài)時，通過增壓和降壓的仿真模型計算，可對該類不平衡進行補償，從而確保即使管道處于瞬態(tài)時發(fā)生泄漏，依然能夠被快速發(fā)現(xiàn)并定位。圖6為流量平衡分析界面圖。圖7為流量平衡算法處理流程圖。

通過算法的分析，判斷出壓力波的傳播方向、音波的頻率特質(zhì)、壓力波的變化強度及管道流量平衡的特性，區(qū)別管道工況與泄漏工況的不同。當管道發(fā)生泄漏時，生成泄漏報警，并且確定泄漏位置。在報警事件發(fā)生之后，軟件將報警信息通過OPC協(xié)議傳遞至人機界面進行顯示。

3.3.2 壓力波信號處理算法

系統(tǒng)中的壓力變送器快速反應管道系統(tǒng)壓力變換，采用NI公司的6210采集板采集壓力信號，同時再打上時間標簽，壓力原始信號如圖8所示。原始波是含有泄漏信號、環(huán)境噪聲等信號的混合波形。波形呈現(xiàn)雜亂無章，無法直觀的反應泄漏信號的特征［18］。

為了更好地分析原始壓力波，通過快速傅里葉變換（FFT），在頻域?qū)υ級毫Σㄐ盘栠M行分析。FFT的計算公式為：

式中：x（n）為輸入的離散數(shù)字信號頻率序列；WN為旋轉(zhuǎn)因子；X（k）為一組k個點組成的頻率成分相對幅度。

一般情況下，假設x（n）來自低通采樣，采樣頻率為fs，那么X（k）表示了從-fs/2頻率開始，頻率間隔為fs/N，到（fs/2）-（fs/N）截止的N個頻率點的相對幅度。因為離散傅里葉變換（DFT）計算得到的一組離散頻率幅度實際上只在頻率軸上呈周期變化，即X（k+N）=X（k），所以任意取N個點均可以表示DFT的計算效果。負頻率成分比較抽象，難于理解，根據(jù)X（k）的周期特性，于是又可以認為X（k）表示了從零頻率開始，頻率間隔為fs/N到（fs/2）-（fs/N）截止的N個頻率點的相對幅度。通過FFT得到原始信號的頻譜特性曲線，如圖9所示。

通過波形頻譜特性找到泄漏信號特征，構(gòu)造帶通數(shù)字濾波器，擬采用橢圓濾波器。橢圓濾波器具有通帶等紋波，阻帶下降快等特點，幅值響應在通帶和阻帶內(nèi)都為等波紋。對于給定的階數(shù)和波紋要求，橢圓濾波器能獲得較其他濾波器較窄的過渡帶寬，因此，橢圓濾波器最優(yōu)。其關于復頻jΩ的振幅平方函數(shù)為：

式中：RN（x） 是雅可比（Jacobi）橢圓函數(shù)；ε為與通帶衰減有關的參數(shù)；Ω為截止角頻率，rad/s；Ωp為抽樣角頻率，rad/s。

在構(gòu)建橢圓濾波器時需要確定如下濾波器參數(shù)：橢圓濾波器最小階數(shù)，橢圓濾波器通帶截止角頻率，橢圓濾波器阻帶起始角頻率，通帶波紋（dB），阻帶最小衰減（dB）。這5個參數(shù)的給定就可以確定濾波器的階數(shù)。通過橢圓帶通濾波器對原始信號進行濾波，信號重構(gòu)后的波形如圖10所示。根據(jù)圖10就能更好地分析出有無泄漏信號。次聲波也采用相同的方法進行處理、判斷。

該系統(tǒng)設計中使用的壓力波檢測算法中數(shù)據(jù)采集單元直接采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的模擬量信號，并在本地進行濾波和降噪的處理。數(shù)據(jù)采集單元將本地信號處理完畢后，通過網(wǎng)絡上傳至泄漏檢測中心站服務器，從而提供數(shù)據(jù)以備系統(tǒng)對信號進行分析。泵和其他外界壓力信號的影響會在第一步就從系統(tǒng)中被移除。圖11為包含泄漏的原始壓力信號。圖12為系統(tǒng)處理后的信號。

針對數(shù)據(jù)采集單元處理的原始數(shù)據(jù)信號，本系統(tǒng)通過將管道兩端的這些信號合并分析，生成3D（壓力、時間、位置）壓力圖形，如圖13所示。根據(jù)圖13可以明顯判斷白圈內(nèi)為泄漏點。圖14為3D圖形界面。

3.3.3 音波信號數(shù)據(jù)處理算法

音波是由壓力在介質(zhì)中不停地變化而產(chǎn)生的。由于壓力在介質(zhì)中震動的頻率不同，當發(fā)生泄漏時，壓力震動較大，所以在聲學強度上產(chǎn)生強點，即杜比強度。音波法通過檢測該杜比強度與正常工況時的杜比強度的差異來判斷泄漏。

圖15為音波傳感器的處理過程?，F(xiàn)場采樣設備采集到現(xiàn)場信號之后，通過音頻模塊進行處理，其系統(tǒng)只能輸出音頻信號。

系統(tǒng)將次聲波法作為一種算法判斷管道是否發(fā)生泄漏，但并不將次聲波法作為唯一的方法判斷管道是否發(fā)生泄漏。

3.3.4 泄漏點定位處理算法

泄漏點定位精度的影響因素主要取決于聲速變化、管長是否準確、兩端系統(tǒng)時間是否同步［19-20］等3個方面，具體內(nèi)容如下：

（1）聲速。單端采用雙壓力計安裝方式，可實時校正聲速，保證聲速的準確性和精度。

（2）管道長度。對客戶提供的管道數(shù)據(jù)進行復查，確保數(shù)據(jù)正確性。

（3）同步時間。采用GPS授時模塊進行時間同步，誤差為50 ns。

針對不同類型的泄漏提供2種泄漏定位算法：TOF時差法和KL散度法。

TOF時差法主要適用于較為快速發(fā)生的泄漏。當發(fā)生泄漏時，根據(jù)泄漏產(chǎn)生的壓力波到達管道兩端傳感器時間的不同，結(jié)合壓力波在介質(zhì)中傳遞的速度，計算出泄漏的位置。該方法的難點在對泄漏時發(fā)生壓降的時間點的確認，如果泄漏發(fā)生比較緩慢，則難以發(fā)現(xiàn)壓降的時間點。由于以上原因，很多產(chǎn)品在泄漏發(fā)生較為緩慢時，有可能會產(chǎn)生無法定位，或者定位誤差非常大的定位錯誤。

KL散度法泄漏定位的計算公式為：

X=（L+α·Δt）/2（3）

式中：L為管道的長度，m;X為泄漏位置，m;α為壓力波在介質(zhì)內(nèi)傳遞的速度，m/s；Δt為壓力波傳遞到管道兩端壓力傳感器的時間差，s。

圖16為泄漏定位示意圖。KL法為當泄漏發(fā)生變化時，根據(jù)壓力、流量在該時刻的變化，結(jié)合管道的摩阻系數(shù)計算出發(fā)生泄漏的位置?？v坐標表示出、入口壓力的pout、pin變化，橫坐標表示管道長度L。黑色線顯示管道泄漏前出、入口的流量Fout、Fin變化曲線，紅色線顯示管道泄漏后出、入口的流量F′out、F′in變化曲線。

3.3.5 站內(nèi)動閥或其他操作引起壓力波的判斷

采用上述的波形處理技術對壓力波進行處理，首末段安裝固定距離的壓力變送器，對壓力波進行分析，以判斷壓力波的方向。如果是管道外動閥或其他操作引起的壓力波，就將其剔除，不報警。

4 工地實測分析

4.1 試驗裝置

為測試G300管道泄漏報警系統(tǒng)的性能，搭建了一套系統(tǒng)測試試驗裝置。試驗管道基本參數(shù)為：管道長度約260 m，管徑65 mm，設計壓力0.2 MPa，運行壓力不高于0.4 MPa。根據(jù)試驗要求，可以進行水、成品油等液體的管道泄漏監(jiān)測試驗［21］。

為進行泄漏監(jiān)測試驗，在管道中設置了一個U形爬坡，并在管道長度為160和170 m處分別設置了2個泄漏點。泄漏點的大小可以通過手動閥的閥門開度大小控制。試驗裝置如圖17所示。

4.2 試驗方法

設計了4個試驗，分別驗證該高精度實時監(jiān)測管道漏失報警系統(tǒng)G300的使用性能。

4.2.1 波形處理算法驗證試驗

通過分析試驗數(shù)據(jù)波形，確定相關濾波算法，經(jīng)過試驗測試驗證濾波算法的效果。該試驗要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標準大氣壓下進行。試驗方法如下：

①打開管線泄漏監(jiān)測軟件，采集管線運行相關數(shù)據(jù)；

②開啟管線A泄漏點5 s，監(jiān)測30 s的數(shù)據(jù);

③打開軟件傅里葉變換模塊，分析泄漏后數(shù)據(jù)的頻域特性;

④選擇軟件濾波器，將泄漏波頻率以外的波形全部濾除掉;

⑤將濾波后的波形進行保存;

⑥重復步驟④和步驟⑤，將不同的濾波器濾波后的波形保存、對比。

通過試驗，得到了幾組原始數(shù)據(jù)曲線，經(jīng)過濾波后得到了濾波數(shù)據(jù)曲線。圖18為試驗中的一組原始數(shù)據(jù)曲線和濾波后數(shù)據(jù)曲線。將不同濾波器濾波后的效果圖進行對比、分析，找出泄漏波峰最明顯的波形，此為最優(yōu)濾波算法。

對比圖18中的多組原始數(shù)據(jù)曲線和濾波后數(shù)據(jù)曲線得出，從濾波后的波形可以很好地找出泄漏波，以滿足設計要求。

4.2.2 首末站時間同步性試驗

通過相關試驗驗證首末站的采集時間是否同步，如果不同步會造成很大的定位誤差。該試驗要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標準大氣壓下進行。試驗方法如下：

①打開管線泄漏監(jiān)測軟件，采集管線運行相關數(shù)據(jù)；

②用一根鐵棒同時擊打首末站的水聽器，每次連續(xù)擊打3下，中間間隔大于1 s;

③查看系統(tǒng)軟件上首末站的水聽器數(shù)據(jù)曲線;

④通過軟件對比、分析同一時刻的水聽器擊打后產(chǎn)生的波形;

⑤通過對比、分析，尋找同一時刻2個水聽器的波峰時間差。

通過試驗，得到了幾組同步性試驗數(shù)據(jù)曲線，如圖19所示。從圖19可見，分析2個波峰的時間差小于30 ms，故判斷系統(tǒng)采集端同步滿足要求。

經(jīng)過數(shù)據(jù)曲線分析、判斷可以看出，2個波峰的時間差為25 ms，滿足設計要求。

4.2.3 系統(tǒng)報警靈敏度試驗

通過試驗驗證系統(tǒng)可以檢測最小泄漏孔徑。該試驗要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標準大氣壓下進行。試驗方法如下：

①控制泄漏點處的手動閥開度，首先閥開度開1/2;

②觀察系統(tǒng)軟件是否報警并定位;

③重復步驟①和②，每次的閥開度減小最大開度的1/8;

④直到系統(tǒng)監(jiān)測不到泄漏波為止;

⑤記錄可以檢測的最小泄漏孔徑。

通過試驗，得到多組閥大體在1/10開度，相當于泄漏孔徑3 mm左右時的泄漏波形曲線，如圖20所示。系統(tǒng)監(jiān)測到的泄漏波形對應的最小泄漏孔徑就可用來報警和定位，即判定其為可以檢測的最小泄漏孔徑。

分析試驗數(shù)據(jù)可以得出，在系統(tǒng)監(jiān)測到的幾十次管道泄漏中，最小泄漏孔徑為3 mm。

4.2.4 系統(tǒng)泄漏定位精度試驗

通過分析試驗可驗證系統(tǒng)對泄漏點的定位精度。該試驗要求在室外環(huán)境溫度20 ℃，標準大氣壓下進行。試驗方法如下：

①開啟泄漏點A（距首站160 m）和泄漏點B（距首站170 m）的手動閥開度模擬管線泄漏；

②每次開啟泄漏后通過系統(tǒng)軟件對其定位，并顯示出來；

③重復開啟泄漏點進行測試，并記錄每次的定位位置。

通過試驗，得到多組泄漏定位波形圖如圖21所示。根據(jù)泄漏報警定位信息，用此定位的數(shù)據(jù)減去泄漏點的真實定位數(shù)據(jù)，其最大值就是定位精度值。

通過試驗對A、B點的泄漏定位精度進行監(jiān)測分析，得到A、B這2點的泄漏定位精度，數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可以得出，目前系統(tǒng)在試驗裝置上的定位精度可以達到12 m。

5 結(jié) 論

（1）G300管道泄漏監(jiān)測報警定位系統(tǒng)在負壓波和流量平衡法的基礎上增加了目前最先進的次聲波技術，是集成多學科技術的管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)，其可靠性和準確性從根本上得到了提高。

（2）系統(tǒng)檢測到的管道泄漏靈敏度（最小泄漏孔徑）為3 mm；系統(tǒng)泄漏點平均定位精度小于10 m，最大定位誤差小于15 m；在所有的管道泄漏試驗中，反應速度快，泄漏報警時間小于15 s。

（3）該系統(tǒng)針對所監(jiān)測管段全天候?qū)崟r監(jiān)測，可對管道運行中發(fā)生的泄漏等異常事件進行報警、定位，具有很高的靈敏度和定位精度。與GPS為核心的定位導航系統(tǒng)及精確的管道電子地圖相結(jié)合，可以使管理部門及時準確找到泄漏現(xiàn)場，使管道泄漏等異常事件造成的損失降到最小。

（4）先后進行了100次以上的泄漏報警測試，靈敏度、定位精度、最大定位誤差、系統(tǒng)反應速度、泄漏報警時間均達到了設計要求，沒有出現(xiàn)過漏報情況。

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