燃?xì)夤艿赖男孤z測和漏點(diǎn)定位信息系統(tǒng)的構(gòu)建

張 穎 王新玲

（天津市聯(lián)益燃?xì)馀涮坠こ逃邢挢?zé)任公司，天津 300100）

1 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城鎮(zhèn)居民開始使用燃?xì)狻ｋS著管網(wǎng)的不斷增多，由于燃?xì)庑孤抖l(fā)的事故也大量增加。燃?xì)馐且环N易燃、易爆和有毒的物質(zhì)，容易造成中毒、火災(zāi)、爆炸等惡性事故。而處于地下的燃?xì)夤艿佬孤秴s不易察覺，難以迅速定位泄漏點(diǎn)，帶來了許多安全隱患。本文構(gòu)建了一個(gè)燃?xì)夤艿赖男孤z測和漏點(diǎn)定位的信息系統(tǒng)。

2 管道泄漏定位原理分析

2.1 各種檢測方法的比較

結(jié)合不同的檢測對象，檢測燃?xì)夤艿佬孤兜姆椒梢苑譃閮纱箢悾謩e是直接檢測法和間接檢測法。下面結(jié)合本文涉及的具體需求，簡要分析這兩種檢測方法的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

2.1.1 直接檢測法

此種方法通過檢測管道泄漏出的物質(zhì)來進(jìn)行泄露的判定。可以細(xì)分為：①檢測原件法：利用某些物質(zhì)會與泄露的油氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其作為檢測元件，來進(jìn)行泄漏程度和泄漏位置的確定。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度好，缺點(diǎn)是造假成本高。②氣體法：將燃?xì)夤艿姥鼐€是否存在可燃性氣體作為泄露油氣的判斷依據(jù)。缺點(diǎn)是需要人工巡視，而且難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)泄漏。③機(jī)載紅外線法：將精密紅外攝像機(jī)用飛機(jī)吊起，沿管道飛行，通過檢測周圍土壤與輸送油料的細(xì)微溫差成像檢測泄漏位置。適用于長管道泄漏檢測，但是不適合地形復(fù)雜的地區(qū)。

2.1.2 間接檢測法

此種方法通過檢測由于油氣泄露而產(chǎn)生的現(xiàn)象來判定是否發(fā)生泄漏。可以細(xì)分為：①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力分類識別管道運(yùn)行狀況，進(jìn)行泄漏程度和泄漏位置的確定。能夠適應(yīng)各種管線分布，缺點(diǎn)是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對復(fù)雜。②聲發(fā)射檢測法：指的是由于泄漏所激發(fā)的形變或斷裂，在管壁中激發(fā)出應(yīng)力波，輸送到信號采集單元，實(shí)現(xiàn)對泄漏的判定。③壓力點(diǎn)分析法:油氣泄漏時(shí)向檢測點(diǎn)傳播負(fù)壓波，引起壓力變化，可進(jìn)行漏點(diǎn)定位。性能非常高，安裝迅速，使用簡便。④應(yīng)力波聽漏法:當(dāng)油氣泄漏時(shí)，與管壁相互作用，管內(nèi)高壓流體產(chǎn)生高頻振動。相應(yīng)傳感器檢測到應(yīng)力波，結(jié)合信號的強(qiáng)度可定位泄露源。缺點(diǎn)是必須沿管道安裝許多傳感器，難以進(jìn)行長距離檢漏。⑤負(fù)壓波檢漏法:由于油氣的泄漏造成漏點(diǎn)處氣壓下降。可以通過傳感器檢測氣壓的變化，定位泄露源。優(yōu)點(diǎn)是安裝、維護(hù)方便，成本低廉。

通過對兩大類管道泄漏檢測定位方法的分析和對比，充分考慮其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合以下9個(gè)指標(biāo)對其進(jìn)行綜合評價(jià)和選擇。選取的指標(biāo)分別是：靈敏度、定位能力、評估能力、檢測時(shí)間、有效性、誤報(bào)警率、適應(yīng)能力、可維護(hù)性、費(fèi)用。通過以上的檢測原理方法的不同，結(jié)合本文所涉及的檢測系統(tǒng)的實(shí)際需求，從以下3個(gè)方面進(jìn)行檢測方法的篩選，分別是施工的難易程度、運(yùn)行維護(hù)的成本以及具體的實(shí)踐性，最終選取負(fù)壓波原理的檢漏法作為燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ恍畔⑾到y(tǒng)的檢測方法。

2.2 負(fù)壓波泄漏定位原理

負(fù)壓波指的是當(dāng)燃?xì)夤芫W(wǎng)的某一點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，由于泄漏點(diǎn)的流體迅速流失導(dǎo)致壓力差出現(xiàn)，引起管道中氣體的壓力波動，從而使壓力值在泄漏點(diǎn)處突然大幅度降低。由于出現(xiàn)壓力差，泄漏點(diǎn)兩邊的流體便會迅速向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充，由此產(chǎn)生的振動源將沿著管道中的流體以一定的速度向兩方向傳播。將這個(gè)以泄漏點(diǎn)為源頭，沿著管線兩個(gè)方向傳輸?shù)牟ń凶鲐?fù)壓波或者減壓波。負(fù)壓波的實(shí)際傳播速度與不同的輸送介質(zhì)有關(guān)。因?yàn)楣艿赖牟▽?dǎo)效應(yīng)，由于泄露信息而產(chǎn)生的負(fù)壓波在一段時(shí)間之后傳播到管道的上下端點(diǎn)，壓力波信號被配置在管道的上下端點(diǎn)的傳感器采集，并經(jīng)由系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行提取和處理，結(jié)合負(fù)壓波傳播時(shí)間差以及負(fù)壓波傳播速度，來判定具體的泄漏位置。

3 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對于燃?xì)夤艿佬孤抖ㄎ恍畔⑾到y(tǒng)來講，一般的步驟包括漏點(diǎn)定位、泄漏報(bào)警、以及人工具體定位幾大步驟。一旦燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄露事故時(shí)，首先需要系統(tǒng)可以在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測到泄露的發(fā)生，并迅速定位泄漏點(diǎn)的方位，以協(xié)助工程人員在現(xiàn)場精確地確定泄漏點(diǎn)。本文所開發(fā)的燃?xì)夤艿佬孤抖ㄎ恍畔⑾到y(tǒng)要完成的一系列過程為：燃?xì)庑孤敦?fù)壓波的傳道、信號的濾波、信號的處理和數(shù)據(jù)的存儲，在此基礎(chǔ)上迅速定位寫露點(diǎn)。在整體結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)可以分為上位機(jī)與下位機(jī)兩個(gè)部分。

上位機(jī)由工控計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)，下位機(jī)則為對燃?xì)夤艿乐械奶綔y點(diǎn)進(jìn)行對負(fù)壓波信號傳感采集的模塊構(gòu)成。首先，上位機(jī)利用有線或無線通信信道，將采集命令發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)則將采集到的壓力數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理之后將信號以壓力波的形式顯示在屏幕上，同時(shí)借助負(fù)壓波理論，探測管道中是否發(fā)生了泄露，并定位泄漏點(diǎn)的位置。

3.2 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 下位機(jī)通信部分

這一部分主要任務(wù)是下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信，功能包括：通信參數(shù)的設(shè)置、接收下位機(jī)數(shù)據(jù)并向下位機(jī)發(fā)送命、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

3.2.2 雙通道定位部分

這一部分主要任務(wù)是使用時(shí)域互相關(guān)分析，結(jié)合燃?xì)夤艿赖木唧w情況設(shè)置適合的時(shí)延估計(jì)方法，單通道時(shí)域頻域分析判斷漏點(diǎn)位置，并保存泄漏點(diǎn)各類參數(shù)數(shù)據(jù)。

3.2.3 單通道時(shí)域頻域分析部分

這一部分主要任務(wù)是在時(shí)域與頻域兩個(gè)方面分析輸入信號，對于時(shí)域來講，主要是分析系統(tǒng)的波形。開綠到串口通訊模式的數(shù)據(jù)中沒有時(shí)間信息，在分析時(shí)需要提取采樣起始時(shí)間和時(shí)間間隔。

3.2.4 檢測結(jié)果存儲部分

這一部分主要任務(wù)是考慮到檢測泄漏時(shí)處理數(shù)據(jù)選擇的是實(shí)時(shí)模式，難以做到對信號進(jìn)行復(fù)雜的處理。因此，在此模塊中先將信號進(jìn)行存儲，以便以后進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

3.3 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ恍畔⑾到y(tǒng)的下位機(jī)硬件安裝位置為燃?xì)夤艿郎希康氖菍?shí)時(shí)檢測管道運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)果傳送到上位機(jī)模塊。下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)組成部分：

3.3.1 泄漏傳感器與信號放大器：將燃?xì)夤艿赖男孤缎畔z測出來，并將由于泄露而導(dǎo)致的管道壓力變化值轉(zhuǎn)換為電信號，考慮到燃?xì)夤艿赖男孤抖鴮?dǎo)致的負(fù)壓波信號非常微弱，因此為便于進(jìn)行檢測，首先需要將其進(jìn)行前置放大。

3.3.2 信號濾波模塊：對采集到的信號進(jìn)行帶外噪聲的濾除，提取有用信號，杜絕頻率混疊現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3.3 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊

考慮到來自傳感器的負(fù)壓波信號需要被上位機(jī)接受，再進(jìn)行進(jìn)一步的處理，但是因?yàn)樯衔粰C(jī)處理的對象為數(shù)字信號，所以首先需要用此模塊將采集到的負(fù)壓波信號進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，以便于上位機(jī)的處理。

3.3.4 單片機(jī)電路

下位機(jī)硬件系統(tǒng)的核心是單片機(jī)電路，其功能是對下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體的控制，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

[1]陳仁文.管道泄漏檢測中的實(shí)時(shí)模型法的研究.石油機(jī)械，2005,33(4):25-26.

[2]焦敬品，李涌，何存富等.壓力管道泄漏的聲發(fā)射檢測研究.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(2):144-166.