基于小波變換的天然氣管道次聲波信號(hào)分析

賈宗賢 中原油田生產(chǎn)管理處

基于小波變換的天然氣管道次聲波信號(hào)分析

賈宗賢 中原油田生產(chǎn)管理處

在天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)外壓強(qiáng)相差較大，噴出的氣流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲，引發(fā)周圍介質(zhì)的能量波動(dòng)。其中的一部分能量通過管道內(nèi)的氣體介質(zhì)沿管道向兩端傳播，經(jīng)長(zhǎng)距離的衰減后，只剩下頻率在次聲范圍內(nèi)的成分尚保存較大的能量。次聲傳感器就是專門為獲取管道內(nèi)的這種低頻能量波動(dòng)而研制的。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)和管道正常工作時(shí)的本體信號(hào)在次聲頻段內(nèi)存在明顯的頻帶差異或能量差異（又稱奇異性）時(shí)，就可以檢測(cè)出管道發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，利用小波變換理論進(jìn)行定位報(bào)警。

天然氣管道；泄漏；次聲波信號(hào)；小波變換

1 天然氣泄漏檢測(cè)和定位原理

在天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)外壓強(qiáng)相差較大，噴出的氣流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲，引發(fā)周圍介質(zhì)的能量波動(dòng)。其中的一部分能量通過管道內(nèi)的氣體介質(zhì)沿管道向兩端傳播，經(jīng)長(zhǎng)距離的衰減后，只剩下頻率在次聲范圍內(nèi)的成分尚保存較大的能量。次聲傳感器就是專門為獲取管道內(nèi)的這種低頻能量波動(dòng)而研制的。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)和管道正常工作時(shí)的本體信號(hào)在次聲頻段內(nèi)存在明顯的頻帶差異或能量差異（又稱奇異性）時(shí)，就可以檢測(cè)出管道發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，利用小波變換理論對(duì)其進(jìn)行定位報(bào)警。

管道泄漏檢測(cè)通常采用如下公式進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位計(jì)算[1]

式中x為泄漏點(diǎn)到管道起始端傳感器的距離；s為管道兩端傳感器之間的管道長(zhǎng)度；v為次聲在管道介質(zhì)中傳播的速度；ts為起始端傳感器收到管道泄漏信號(hào)的絕對(duì)時(shí)間；te為終止端傳感器收到管道泄漏信號(hào)的絕對(duì)時(shí)間；Δt為管道兩端傳感器收到管道泄漏信號(hào)的時(shí)間差。

2 小波變換理論

小波變換技術(shù)是上世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的新理論，它的作用類似經(jīng)典的傅立葉分析，利用小波基代替了經(jīng)典的正弦波基。與傳統(tǒng)的短時(shí)傅立葉變換相比，小波變換既保留了短時(shí)傅立葉變換的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了其不足，從具有正則性、局部性、振動(dòng)性的子波函數(shù)出發(fā)，通過平移和伸縮為L(zhǎng)2()R空間提供了一類新的正交基。這種具有局部特征與逼近性的小波基被廣泛地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號(hào)的分析[2-3]。

小波變換定義為

小波變換的基本思想是用一族函數(shù)去表示或逼近一信號(hào)，這一族函數(shù)稱為小波系數(shù)，它是通過一小波母函數(shù)的伸縮和平移產(chǎn)生其“子波”來構(gòu)成的，用其變換系數(shù)即可描述原來的信號(hào)。

由于信號(hào)在其變化點(diǎn)處通常是奇異的，因此，利用小波變換的時(shí)間-尺度特性，可以有效地檢測(cè)信號(hào)的奇異性。此外，小波變換還可以抑制噪聲，從而檢測(cè)出強(qiáng)噪聲背景下的信號(hào)奇異點(diǎn)，獲取信號(hào)變化的極值和時(shí)間等信息。這些信息為天然氣管道泄漏檢測(cè)和定位提供了重要的依據(jù)。

3 天然氣管道泄漏次聲波信號(hào)分析

在天然氣泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，管道首末端檢測(cè)點(diǎn)之間的距離為6.4 km，管道運(yùn)行壓強(qiáng)為1 MPa，兩端壓強(qiáng)差和溫度差較小。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃谝欢四M管道泄漏時(shí)，在另一端能夠檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)。這樣可以確保管道上任何一點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，管道兩端的次聲波傳感器都能檢測(cè)到泄漏信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)雙邊定位。

圖1為泄漏點(diǎn)在管道首端檢測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，管道末端的次聲傳感器采集的次聲波信號(hào)波形；圖2為泄漏點(diǎn)在管道末端檢測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，管道首端次聲傳感器采集的次聲波信號(hào)波形。由圖1（a）和圖2（a）可知，在小波變換前，由于管道內(nèi)的背景干擾噪聲較強(qiáng)，用肉眼極難從原始波形圖中分辨出管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的次聲波信號(hào)。經(jīng)過小波變換后，管道內(nèi)的背景干擾噪聲被大大降低，不僅可以分辨出管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，而且，泄漏信號(hào)具有較高的信噪比，如圖1（b）和圖2（b）所示。

信號(hào)分析結(jié)果表明，經(jīng)過小波變換處理，天然氣管道在泄漏時(shí)所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)的信噪比大大提高，從而可以確保泄漏檢測(cè)和定位的準(zhǔn)確性。

圖1 管道首端泄漏，管道末端的次聲波信號(hào)波形

圖2 管道末端泄漏，管道首端的次聲波信號(hào)波形

4 結(jié)論

在天然氣管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)點(diǎn)常因維護(hù)等方面的原因被設(shè)置在背景噪聲較強(qiáng)的管道環(huán)境中，而管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)在經(jīng)過長(zhǎng)距離衰減后很可能淹沒在背景噪聲中。因此，小波變換的抑制噪聲作用在整個(gè)檢測(cè)過程中非常重要。對(duì)于信噪比明顯的信號(hào)，可以很容易地獲得其極值點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)等信息。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識(shí)別算法，可以判別出所檢測(cè)的信號(hào)是否是管道泄漏所產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，從而進(jìn)一步對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位和報(bào)警。

[1]楊理踐，景曉斐，宮照廣．輸氣管道音波泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（1）：70－73．

[2]胡廣書．現(xiàn)代信號(hào)處理教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．[3]楊福生．小波變換的工程分析與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，1999．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.006

賈宗賢：高級(jí)工程師，1981年畢業(yè)于勝利石油學(xué)校油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)任中原油田生產(chǎn)管理處處長(zhǎng)。(0393)4831118、jzx1699@126.com

（欄目主持 楊 軍）