燃氣管道的泄漏檢測和漏點定位信息系統的構建

張 穎 王新玲

（天津市聯益燃氣配套工程有限責任公司，天津 300100）

1 引言

近年來，隨著國民經濟的發展，越來越多的城鎮居民開始使用燃氣。隨著管網的不斷增多，由于燃氣泄露而引發的事故也大量增加。燃氣是一種易燃、易爆和有毒的物質，容易造成中毒、火災、爆炸等惡性事故。而處于地下的燃氣管道泄露卻不易察覺，難以迅速定位泄漏點，帶來了許多安全隱患。本文構建了一個燃氣管道的泄漏檢測和漏點定位的信息系統。

2 管道泄漏定位原理分析

2.1 各種檢測方法的比較

結合不同的檢測對象，檢測燃氣管道泄露的方法可以分為兩大類，分別是直接檢測法和間接檢測法。下面結合本文涉及的具體需求，簡要分析這兩種檢測方法的優勢和缺點。

2.1.1 直接檢測法

此種方法通過檢測管道泄漏出的物質來進行泄露的判定。可以細分為：①檢測原件法：利用某些物質會與泄露的油氣發生化學反應，將其作為檢測元件，來進行泄漏程度和泄漏位置的確定。優點是靈敏度好，缺點是造假成本高。②氣體法：將燃氣管道沿線是否存在可燃性氣體作為泄露油氣的判斷依據。缺點是需要人工巡視，而且難以在第一時間發現泄漏。③機載紅外線法：將精密紅外攝像機用飛機吊起，沿管道飛行，通過檢測周圍土壤與輸送油料的細微溫差成像檢測泄漏位置。適用于長管道泄漏檢測，但是不適合地形復雜的地區。

2.1.2 間接檢測法

此種方法通過檢測由于油氣泄露而產生的現象來判定是否發生泄漏。可以細分為：①神經網絡法：運用神經網絡自適應能力分類識別管道運行狀況，進行泄漏程度和泄漏位置的確定。能夠適應各種管線分布，缺點是訓練神經網絡相對復雜。②聲發射檢測法：指的是由于泄漏所激發的形變或斷裂，在管壁中激發出應力波，輸送到信號采集單元，實現對泄漏的判定。③壓力點分析法:油氣泄漏時向檢測點傳播負壓波，引起壓力變化，可進行漏點定位。性能非常高，安裝迅速，使用簡便。④應力波聽漏法:當油氣泄漏時，與管壁相互作用，管內高壓流體產生高頻振動。相應傳感器檢測到應力波，結合信號的強度可定位泄露源。缺點是必須沿管道安裝許多傳感器，難以進行長距離檢漏。⑤負壓波檢漏法:由于油氣的泄漏造成漏點處氣壓下降。可以通過傳感器檢測氣壓的變化，定位泄露源。優點是安裝、維護方便，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缺點，結合以下9個指標對其進行綜合評價和選擇。選取的指標分別是：靈敏度、定位能力、評估能力、檢測時間、有效性、誤報警率、適應能力、可維護性、費用。通過以上的檢測原理方法的不同，結合本文所涉及的檢測系統的實際需求，從以下3個方面進行檢測方法的篩選，分別是施工的難易程度、運行維護的成本以及具體的實踐性，最終選取負壓波原理的檢漏法作為燃氣管道泄漏定位信息系統的檢測方法。

2.2 負壓波泄漏定位原理

負壓波指的是當燃氣管網的某一點發生泄漏時，由于泄漏點的流體迅速流失導致壓力差出現，引起管道中氣體的壓力波動，從而使壓力值在泄漏點處突然大幅度降低。由于出現壓力差，泄漏點兩邊的流體便會迅速向泄漏點處補充，由此產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。將這個以泄漏點為源頭，沿著管線兩個方向傳輸的波叫做負壓波或者減壓波。負壓波的實際傳播速度與不同的輸送介質有關。因為管道的波導效應，由于泄露信息而產生的負壓波在一段時間之后傳播到管道的上下端點，壓力波信號被配置在管道的上下端點的傳感器采集，并經由系統軟硬件進行提取和處理，結合負壓波傳播時間差以及負壓波傳播速度，來判定具體的泄漏位置。

3 系統具體設計

3.1 系統總體結構

對于燃氣管道泄露定位信息系統來講，一般的步驟包括漏點定位、泄漏報警、以及人工具體定位幾大步驟。一旦燃氣管道發生泄露事故時，首先需要系統可以在最短的時間內實時監測到泄露的發生，并迅速定位泄漏點的方位，以協助工程人員在現場精確地確定泄漏點。本文所開發的燃氣管道泄露定位信息系統要完成的一系列過程為：燃氣泄露負壓波的傳道、信號的濾波、信號的處理和數據的存儲，在此基礎上迅速定位寫露點。在整體結構上，系統可以分為上位機與下位機兩個部分。

上位機由工控計算機擔當，下位機則為對燃氣管道中的探測點進行對負壓波信號傳感采集的模塊構成。首先，上位機利用有線或無線通信信道，將采集命令發送給下位機，下位機則將采集到的壓力數據傳輸給上位機。上位機對壓力數據進行初步處理之后將信號以壓力波的形式顯示在屏幕上，同時借助負壓波理論，探測管道中是否發生了泄露，并定位泄漏點的位置。

3.2 上位機軟件系統設計

3.2.1 下位機通信部分

這一部分主要任務是下位機與上位機之間的通信，功能包括：通信參數的設置、接收下位機數據并向下位機發送命、數據格式的轉換。

3.2.2 雙通道定位部分

這一部分主要任務是使用時域互相關分析，結合燃氣管道的具體情況設置適合的時延估計方法，單通道時域頻域分析判斷漏點位置，并保存泄漏點各類參數數據。

3.2.3 單通道時域頻域分析部分

這一部分主要任務是在時域與頻域兩個方面分析輸入信號，對于時域來講，主要是分析系統的波形。開綠到串口通訊模式的數據中沒有時間信息，在分析時需要提取采樣起始時間和時間間隔。

3.2.4 檢測結果存儲部分

這一部分主要任務是考慮到檢測泄漏時處理數據選擇的是實時模式，難以做到對信號進行復雜的處理。因此，在此模塊中先將信號進行存儲，以便以后進行進一步的分析和處理。

3.3 下位機硬件系統設計

燃氣管道泄漏定位信息系統的下位機硬件安裝位置為燃氣管道上，目的是實時檢測管道運行狀態，同時將運行狀態的結果傳送到上位機模塊。下位機硬件系統設計分為以下幾個組成部分：

3.3.1 泄漏傳感器與信號放大器：將燃氣管道的泄露信息檢測出來，并將由于泄露而導致的管道壓力變化值轉換為電信號，考慮到燃氣管道的泄露而導致的負壓波信號非常微弱，因此為便于進行檢測，首先需要將其進行前置放大。

3.3.2 信號濾波模塊：對采集到的信號進行帶外噪聲的濾除，提取有用信號，杜絕頻率混疊現象的發生。

3.3.3 模擬/數字轉換模塊

考慮到來自傳感器的負壓波信號需要被上位機接受，再進行進一步的處理，但是因為上位機處理的對象為數字信號，所以首先需要用此模塊將采集到的負壓波信號進行模擬/數字轉換，以便于上位機的處理。

3.3.4 單片機電路

下位機硬件系統的核心是單片機電路，其功能是對下位機系統進行整體的控制，并與上位機進行數據通訊。

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

[2]焦敬品，李涌，何存富等.壓力管道泄漏的聲發射檢測研究.北京工業大學學報，2009，29(2):144-166.