基于多壓力傳感器負(fù)壓波的管道檢測法*

王 正，王洪誠，傅 磊，穆帥歡，王 蕾

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500;2.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610500)

0 引 言

近年來，一些研究機(jī)構(gòu)對負(fù)壓波檢漏法進(jìn)行了實(shí)用化研究，雖然在多條管線的泄漏檢測中成功地應(yīng)用了負(fù)壓波檢漏法，但是其中不乏多種問題出現(xiàn)［1，2］。國內(nèi)外負(fù)壓波檢漏法的研究主要集中在負(fù)壓波信號識別上，如，利用相關(guān)分析、小波分析、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波和模式識別等來提高定位精度和泄漏預(yù)報(bào)精度。

本文提出了一種基于多壓力傳感器負(fù)壓波的管道檢漏法［3］，通過對流量、壓力等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控，結(jié)合泵站前后的壓力傳感器來合力判斷是否為真實(shí)泄漏引起壓力變化和泄漏點(diǎn)初步的定位，并及時關(guān)閉相關(guān)閥門，同時發(fā)出報(bào)警信號，通知工作人員快速有效地做出反應(yīng)，將損失降到最小。

1 負(fù)壓波法

1.1 負(fù)壓波定義

目前，國際上應(yīng)用較多的管線泄漏檢測和漏點(diǎn)定位方法是負(fù)壓波法。當(dāng)某處管道上突然發(fā)生泄漏時，由于管道內(nèi)的流體壓力一般遠(yuǎn)大于管道外的大氣壓力，在內(nèi)外壓力差的作用下管道內(nèi)的流體從泄漏點(diǎn)迅速流失，泄漏點(diǎn)兩邊相鄰區(qū)域的壓力高于泄漏點(diǎn)處的壓力，這種壓力差導(dǎo)致泄漏點(diǎn)上下游的流體向泄漏點(diǎn)處區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，從而又引起兩側(cè)區(qū)域的流體密度減小和壓力降低，這種從泄漏點(diǎn)處沿管道依次向上、下游方向擴(kuò)散的現(xiàn)象，叫做負(fù)壓波［4，5］，其傳播的速度在不同規(guī)格的管線中并不相同。

1.2 單壓力傳感器負(fù)壓波法檢測與定位

負(fù)壓波法是根據(jù)傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形進(jìn)行泄漏判斷，泄漏位置是根據(jù)負(fù)壓波傳播到上下游的時間差來估算［6］。

在輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)中，管道的1，2 站兩端裝有2 只壓力傳感器，接收系統(tǒng)中傳來的壓力值。定位原理如圖1 所示，設(shè)管道長為L，泄漏點(diǎn)為RX(RX點(diǎn)是管道上面的任意一點(diǎn))，負(fù)壓波傳播速度為v，管道內(nèi)流體流速為v0，一般v 比v0大3 個數(shù)量級以上。

圖1 泄漏點(diǎn)的定位原理圖Fig 1 Principle diagram of leak point positioning

在上圖中假設(shè)泄漏點(diǎn)RX處產(chǎn)生的壓力波傳到1 站的時間為T1，傳到2 站的時間為T2，則有

當(dāng)液體管道出現(xiàn)泄漏時，其兩個端點(diǎn)的壓力會劇烈下降，根據(jù)兩個端點(diǎn)壓力傳感器所檢測到劇降的時間差

即可估算泄漏位置

其中，L 為管道長度，m;X 為泄漏點(diǎn)到首端距離，m;v 為管道中負(fù)壓波的傳播速度，m/s;vo為流體速度，m/s;ΔT 為1，2 站端壓力波到達(dá)時間差，s。

若測出ΔT，即可由式(4)求得泄漏點(diǎn)RX距離1，2 站之間的距離。

1.3 單壓力傳感器負(fù)壓波法檢測的缺點(diǎn)

當(dāng)管道中某處發(fā)生泄漏時，管道內(nèi)會產(chǎn)生負(fù)壓波，單壓力傳感器負(fù)壓波檢測法的關(guān)鍵不僅在于能否正確檢測到該負(fù)壓波，而且要看能否正確辨別該負(fù)壓波是否為泄漏所引起。在管道輸油系統(tǒng)中，可能產(chǎn)生負(fù)壓波的除泄漏引起外，還可由工況調(diào)整引起管道內(nèi)壓力變化而產(chǎn)生負(fù)壓波，如，調(diào)泵、起泵、停泵等，系統(tǒng)誤報(bào)常常是由這些工況調(diào)整的干擾引起的，造成系統(tǒng)虛警率提高，所以，只有解決好虛警問題才能體現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性［7～9］。

2 多壓力傳感器基于負(fù)壓波的泄漏檢測

2.1 雙壓力傳感器基于負(fù)壓波法泄漏檢測

雙壓力傳感器法原理圖如圖2 所示。在泵1 站一端安裝2 只壓力傳感器A1 和A2，分別為泵1 近端和遠(yuǎn)端;在泵2 站的一端也安裝2 只壓力傳感器B1 和B2，分別為泵2 遠(yuǎn)端和近端。當(dāng)泵1 站有工況調(diào)整時，引起的壓力波按時間的先后順序依次通過泵1 近端、泵1 遠(yuǎn)端、泵2 遠(yuǎn)端、泵2 近端。當(dāng)泵2 站一側(cè)有工況調(diào)整時，引起的壓力波按時間的先后順序依次通過泵2 近端、泵2 遠(yuǎn)端、泵1 遠(yuǎn)端、泵1 近端。當(dāng)輸油管線中間發(fā)生泄漏時，引起的壓力波在泵1 站的一側(cè)是泵1 遠(yuǎn)端先接收到，泵1 近端后接收到，在泵2 站的一側(cè)也是泵2 遠(yuǎn)端先接收到，泵2 近端后接收到，因此，根據(jù)1，2 站2 只壓力傳感器接收到的壓力波的先后順序，就能可靠地區(qū)分壓力波的起因是因工況調(diào)整還是管道泄漏。

圖2 雙壓力傳感器法原理圖Fig 2 Principle diagram of double pressure sensor method

雙壓力傳感器負(fù)壓波法泄漏檢測的判斷模式見表1。

表1 判定模式Tab 1 Decision model

此方法也存在一定缺陷，譬如:當(dāng)泄漏發(fā)生在油庫兩個檢測點(diǎn)A1，A2 之間并且距離A1 近端(B2 近端)非常接近的時候，就會認(rèn)為泄漏是因1 站(2 站)工況調(diào)整引起，造成系統(tǒng)漏報(bào)率提高。

2.2 多壓力傳感器基于負(fù)壓波法泄漏檢測原理

多壓力傳感器法原理圖如圖3 所示。多壓力傳感器法原理是基于雙壓力傳感器法基礎(chǔ)之上，多壓力傳感器法連接了泵站前與泵站后的4 只傳感器合力進(jìn)行判斷。在泵1站前端安裝2 只壓力傳感器C1 和C2，分別為泵1 前遠(yuǎn)端與泵1 前近端;在泵1 站后端安裝2 只壓力傳感器A1 和A2，分別為泵1 后近端與泵1 后遠(yuǎn)端;在泵2 站前端安裝2 只壓力傳感器B1 和B2，分別為泵2 前遠(yuǎn)端與泵2 前近端;在泵2 站后端安裝2 只壓力傳感器D1 和D2，分別為泵2 后近端與泵2 后遠(yuǎn)端。當(dāng)泵1 站和泵2 站有工況調(diào)整和管道中間發(fā)生泄漏時，判斷方法類似雙壓力傳感器法。當(dāng)泄漏發(fā)生在站前或者站后兩個檢測點(diǎn)之間時候，譬如:發(fā)生在A1 與A2 之間并且距離A1 近時，壓力波按照時間先后順序依次到達(dá)泵1 后近端、泵1 后遠(yuǎn)端、泵1 前近端、泵1 前遠(yuǎn)端、泵2 前遠(yuǎn)端、泵2 前近端、泵2 后近端、泵2 后遠(yuǎn)端。但當(dāng)泵1 站有工況調(diào)整時，壓力波按照時間先后順序依次到達(dá)泵1 前端C1，C2 以及后端A1，A2 幾乎同時到達(dá)、泵2 前遠(yuǎn)端、泵2 前近端、泵2 后近端、泵2 后遠(yuǎn)端。這樣就可以正確作出判斷，雙壓力傳感器法中的漏報(bào)情況得以解決。

圖3 多壓力傳感器法原理圖Fig 3 Principle diagram of multi-pressure sensor method

根據(jù)壓力波到達(dá)先后順序進(jìn)行判斷，多壓力傳感器負(fù)壓波法泄漏檢測的判斷模式見表2。

表2 多壓力傳感器法判定模式Tab 2 Decision model of multi-pressure sensor method

根據(jù)上表的分析判斷，此方法可以避免雙壓力傳感器中出現(xiàn)的漏報(bào)情況的發(fā)生，并且可以根據(jù)負(fù)壓波到達(dá)先后順序進(jìn)一步確定泄漏點(diǎn)的位置，因此，不僅可以降低虛警率為系統(tǒng)正常運(yùn)行減少故障，還可以為泄漏點(diǎn)定位提供有效數(shù)據(jù)。

3 仿真驗(yàn)證

采用上述基于多壓力傳感器負(fù)壓波的檢測方法對某輸油管道進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，管道數(shù)據(jù)如下:管道全長為34 km，管道直徑為300 mm，1 站與2 站之間距離為32 km，A1 與增壓泵，A1 與A2，C2 與C1，C2 與增壓泵，B1 與增壓泵，B1 與B2，D2 與D1，D2 與增壓泵等之間的距離都為0.5 km，1 站流體壓力4.8 MPa，2 站流體壓力3.6 MPa，1 站流體溫度為60 ℃，2 站流體溫度為50 ℃，負(fù)壓波傳播速度為1 100 m/s，流體的流速為3 m/s。管道在如下幾種條件下引起壓力變化，s 表示泵站離傳感器距離，T1表示忽略流體流速的情況下負(fù)壓波到達(dá)各個傳感器的時間，T2表示正常情況下負(fù)壓波到達(dá)各個傳感器的時間。

1)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對1 站進(jìn)行模擬工況調(diào)整，引起壓力變化;時間測試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 時間測試數(shù)據(jù)Tab 3 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可以得出:當(dāng)1 站工況調(diào)整時，壓力波按照時間先后順序依次到達(dá)C2 與A1，C1 與A2，B1，B2，D1，D2，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波幾乎同時到達(dá)1 站前端和后端。

2)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對2 站進(jìn)行模擬工況調(diào)整，引起壓力變化;時間測試數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 時間測試數(shù)據(jù)Tab 4 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可以得出:當(dāng)1 站工況調(diào)整時，壓力波按照時間先后順序依次到達(dá)D1 與B2，D2 與B1，A2，A1，C2，C1，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波幾乎同時到達(dá)2 站前端和后端。

3)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對A2 與B1 之間且距離A2點(diǎn)10 km 處進(jìn)行模擬管道泄漏，引起壓力變化;時間測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 時間測試數(shù)據(jù)Tab 5 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可以得出:距A2 點(diǎn)10 km 處發(fā)生泄漏時，壓力波按照時間先后順序依次到達(dá)A2，A1，C2，C1，B1，B2，D1，D2，不管是否考慮管道流體流速影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波是先到達(dá)1 站后端，然后再到達(dá)1 站前端。

4)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對A1 與A2 之間且距離A1點(diǎn)0.2 km 處進(jìn)行模擬管道泄漏，引起壓力變化，當(dāng)距離A2近時與(3)相同;時間測試數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 時間測試數(shù)據(jù)Tab 6 Time test data

通過上表數(shù)據(jù)可得出:距A1 點(diǎn)0.2 km 處發(fā)生泄漏時，壓力波按時間先后順序依次到達(dá)A1，A2，C2，C1，B1，B2，D1，D2，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波是先到達(dá)1 站后端，然后再到達(dá)1 站前端。

5)測試條件:在仿真系統(tǒng)中對B1 與B2 之間且距離B2點(diǎn)0.2 km 處進(jìn)行模擬管道泄漏，引起壓力變化，當(dāng)距離B2近時與(3)相同;時間測試數(shù)據(jù)如表7 所示。

通過上表數(shù)據(jù)可得出:距B2 點(diǎn)0.2 km 處發(fā)生泄漏時，壓力波按時間先后順序依次到達(dá)B2，B1，D1，D2，A2，A1，C2，C1，不管是否考慮管道流體流速的影響都可以得到相同結(jié)果，并且還可以看出壓力波是先到達(dá)2 站前端，然后再到達(dá)2 站后端。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于多壓力傳感器負(fù)壓波的管道泄漏檢測方法，通過仿真分析證明了該泄漏檢測方法的正確性，不僅能夠有效解決系統(tǒng)漏報(bào)警問題，并且還能為系統(tǒng)泄漏點(diǎn)的精確定位提供有效幫助，明顯優(yōu)于其他兩種檢測方法。

表7 時間測試數(shù)據(jù)Tab 7 Time test data

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