iSafe次聲波管道泄漏監控系統的應用

羅 宇，施 劍

(江蘇中海達海洋信息技術有限公司，江蘇 南京 210032)

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iSafe次聲波管道泄漏監控系統的應用

羅 宇，施 劍

(江蘇中海達海洋信息技術有限公司，江蘇 南京 210032)

一、引 言

用次聲波管道泄漏監測系統(acoustic leak detection system)對壓力管道進行泄漏監測是目前最先進、最可靠的泄漏監測技術。次聲波管道泄漏監測系統具有靈敏度高、誤報率低、定位精度高等優點。中海達iSafe次聲波管道泄漏監測系統采用次聲波管道泄漏監測技術，能準確迅速發現泄漏，并確定油氣管道泄漏位置。iSafe次聲波管道泄漏監測系統的推出和應用，必將大大提高管道泄漏監測的性能和質量，為管道的安全運行提供強有力的保障。

二、iSafe次聲波管道泄漏監控系統工作原理

iSafe次聲波管道泄漏監測系統如圖1所示。該系統的主要設備有：ACU(acoustic controller unit)、泄漏監測服務器和通信網絡。

圖1 iSafe次聲波管道泄漏監測系統原理圖

1.ACU終端

ACU終端安放在站場或閥室、控制室，主要功能是采集次聲波信號并傳輸到泄漏監測服務器，能夠通過管道內流體采集聲波信號，將信號進行調理，通過GPS授時完成系統的同步采集，然后轉換成數字信號。ACU會實時顯示站場的次聲波信號波形，便于人工分析和處理；同時，通過先進的信號處理和模式識別方法判斷該聲波信號是否為泄漏信號。ACU還具有自檢功能，能夠實時監測傳感器、GPS等設備的工作狀況。ACU終端包括次聲波傳感器、GPS和信號處理機等部件。

2.泄漏監測服務器

泄漏監測服務器由硬件和軟件兩部分組成。硬件一般使用高性價比、高穩定性的PC服務器；軟件是擁有自主知識產權的iSafe管道泄漏監測軟件。

該服務器主要是將不同地點的ACU數據進行匯聚，通過軟件與ACU通信，建立并維護各ACU的通信信道；利用各GPS時鐘信號對其發送的數據進行精確時間同步。系統軟件可從SCADA系統獲取流量、壓力、在線密度等參數，以進一步提高系統可靠性，降低誤報率。系統軟件處理和識別各ACU的次聲波數據，判斷管道是否發生泄漏。依據管網的拓撲結構及次聲波信號到達各ACU的時間差，計算泄漏位置。

系統軟件具有自動診斷功能，能夠對斷電自啟動，對通信鏈路、聲波采集、GPS等模塊進行自動診斷、報警、提示。人機界面可查看系統的具體參數，如果系統工作不正常可發現出錯部位及原因。

3.通信系統

iSafe次聲波管道泄漏監測系統使用計算機網絡進行通信。ACU的次聲波數據通過通信網絡傳送到泄漏監測服務器，監控終端與泄漏監測服務器也通過通信網絡相連接。iSafe次聲波管道泄漏監測系統通常直接使用管道SCADA系統現有的通信網絡。為保證網絡通信可靠性，建議系統通信使用已有光纖網絡。

4.軟件接口

iSafe次聲波管道泄漏監測系統與SCADA系統、人機界面及其他第三方軟件采用OPC標準進行通信。

iSafe次聲波管道泄漏監測系統可通過OPC接口從SCADA系統獲取壓力、溫度和流量等數據，以進一步提高系統可靠性，降低誤報率；可通過OPC接口向人機界面軟件，如Citect、IFix和Labview等提供系統運行狀態及管道泄漏報警燈信息，用戶在人機界面的各種操作也通過OPC接口傳遞給iSafe次聲波管道泄漏監測系統核心模塊；支持通過OPC接口與其他系統進行通信，具有高度的靈活性，包括負壓波法管道泄漏監測系統、管壁聲波預警系統、管道光纖預警系統、模擬仿真系統等。

5.其他組件及要求

每個ACU都包含1套GPS，因此需要安裝GPS天線，GPS天線需要安裝在屋頂等衛星信號無遮擋的位置，同時GPS天線都包含1個GPS避雷器，防止GPS受到雷擊而損壞；包含1個低噪聲直流電源，采用220 V/50 Hz交流電作為輸入，輸出24 V直流電源給ACU、傳感器等設備進行供電；信號鏈路上包含浪涌保護器，防止瞬時傳輸信號線的浪涌電壓，從而保護后級電路不受到浪涌電壓的損壞。

室外設備的防爆等級為ExdIIBT4，防護等級為IP67，也根據現場使用要求定制。

三、關鍵技術

1.高靈敏度次聲波傳感器技術

次聲波傳感器是油氣管道在線監測系統的核心技術之一，能真實地檢測出聲發射源的所有信息。

此外對于長距離油氣管道，泄漏次聲波在到達監測終端前需要沿著管道進行長距離傳輸。經過傳輸介質的衰減和吸收，次聲波信號強度十分微弱。為降低系統的漏報率，必須研制高靈敏度的油氣管道泄漏次聲波傳感器，以實現管道不停輸狀態下，可靠地獲取油氣管道的次聲波信號。

2.高精度時間同步技術

iSafe次聲波管道泄漏監控系統利用GPS/北斗的PPS脈沖信號對ACU采集的次聲波信號進行高精度時間同步。利用GPS/北斗的同步信號進行分布式時間同步具有同步精度高、費用低等優點。經測試，該系統最大時間同步誤差不高于1 μs，技術優勢明顯。

3.次聲波信號處理技術

對于管道運行過程中的背景噪聲和管道操作過程中產生的各種干擾，iSafe系統采用譜減法濾波和自適應次聲波傳感器陣列等多種方法進行噪聲抑制。

管道內背景噪聲是變化比較緩慢的信號，該系統具有的背景噪聲估計算法可有效地跟蹤管道運行過程中的背景噪聲變化。在有效估計到噪聲頻譜參數的情況下，系統采用譜減法濾波進行背景噪聲抑制，具有明顯的效果。

對于啟停泵、開關閥等管道操作干擾，該系統采用次聲波傳感器陣列技術進行處理。該技術在管道上同時安裝多個傳感器，并行采集次聲波傳感器信號。多個次聲波傳感器構成陣列，干擾信號通過自適應陣列信號處理方法得到有效抑制。

4.信號檢測技術

iSafe次聲波管道泄漏監測系統采用了基于人工神經網絡的識別器實時處理并識別管道的運行狀態。人工神經網絡模型是強大而靈活的統計模型，能有效地描述復雜的信號模型。iSafe系統用人工神經網絡來描述泄漏次聲波及各種干擾信號，解決了人工神經網絡結構設計、模型訓練、實時識別，以及在針對實際管道的運行優化等一系列問題，從而提高了系統識別微弱信號的靈敏度，降低了誤報率。

四、應用案例

某石油技術服務有限公司針對19條油氣混輸集輸干線設計了iSafe次聲波泄漏檢測系統，并以其中的一條管線作為測試段，測試系統性能。測試管段基本信息見表1。

表1 紅河油田油氣混輸管網泄漏監控系統

該測試管段為油氣混輸管道，含氣量為20%左右，有較大幅度的波動。油氣混輸管道輸送不穩定、噪聲較大，給管道泄漏監測系統帶來了極大的技術挑戰。本次測試的目的是了解iSafe次聲波泄漏檢測系統在未調試優化情況下在油氣混輸管道的監控性能。測試過程中，通過切換管道輸送流程模擬管道泄漏。整個測試期間，iSafe系統對紅一聯和紅一轉站內各種操作和泄漏進行了有效的監測。

測試結果表明，iSafe次聲波管道泄漏監控系統在未經調試及參數優化條件下，可以成功檢測到模擬泄漏，等效最小可測泄漏孔徑約5～15 mm；且能成功監測到紅一聯站內3＃螺旋板式換熱器泄漏及后續流程切換及換熱器搶修等事件，驗證了iSafe對多相流油氣混輸管道泄漏監控的靈敏性、有效性、可靠性和準確性。

五、結束語

中海達iSafe次聲波管道泄漏監測系統采用了高靈敏度次聲波傳感器、高精度時間同步、信號處理和信號檢測等多種先進技術，具有檢測靈敏度高、定位精度高、反應速度快、誤報率低等優點，可廣泛應用于原油管道、成品油管道、天然氣管道、化學品管道和水管道的泄漏監控。

(本專欄由中海達和本刊編輯部共同主辦)