基于模型的輸氣管道泄漏檢測與定位系統

王軍茹　劉麗華　王巧玲

【摘 要】為了對輸氣管道的泄漏進行檢測和定位，提出了一種基于模型的泄漏檢測與定位方法。本系統是將基于氣體管道流動數學模型的方法同基于知識的檢測方法想結合，進行優勢互補的新型的氣體管道泄漏檢測方法。根據研究方法搭建實驗系統，實驗結果表明，系統可以準確地進行輸氣管道的泄漏檢測與定位。

【關鍵詞】輸氣管道；模型；泄漏檢測與定位

油氣管道泄漏所造成的人身傷害、環境污染以及經濟損失都是非常巨大的，因此各個國家都制定相應的法律法規對管道運行狀況進行檢測，確定安全檢測周期。同時各研究機構和高等院校也對管道泄漏檢測與定位相關技術進行研究，對管道實施檢測，可以準確掌握管道運行狀況，力求及時地發現泄漏、準確定位泄漏，延長管道的使用壽命，有效地減輕因泄漏事故造成損失和危害。世界上發達國家從上世紀50年代就開始進行管道泄漏的檢測和定位的研究工作，技術和產品也趨于成熟，一些公司也開發了管道泄漏檢測的軟件，但價格都比較昂貴，都需要數百萬美元。而我國的油氣管道又具有自身的特點，僅靠引進國外軟件并不能有效解決我國管道的現有問題，因此開發適合我國油氣管道運行狀況的泄漏檢測技術和方法，對我國經濟發展具有很重要的現實意義。

首先基于氣體管道傳輸的基本機理，建立管道的狀態空間方程，再將具有無限逼近非線性函數的神經網絡模型同機理模型相結合，補償機理模型的建模誤差，提出建立輸氣管道的混合模型，提高建模精度，有效地監測管道的運行狀況，并進一步準確地進行泄漏檢測和定位，搭建氣體管道泄漏檢測與定位實驗系統，完成系統軟件設計，對模型進行驗證。系統主要包含氣動管道回路、數據采集系統、數據采集系統界面、數據處理和分析組成，可以實現氣動管道回路上各個節點上壓力數據的采集，對采集的壓力數據分析以檢測輸氣管道中泄漏的發生并進行定位。

系統中的軟件部分包括數據采集程序和數據處理和分析程序，數據采集程序完成輸氣管道中各個節點在各種工況下的壓力數據，數據的分析和處理程序完成泄漏的判斷、報警并進行泄漏位置的判斷、定位。

軟件系統的實現平臺為以研華公司的IPC660工控機為中心數據采集系統，數據采集軟件采用LabWindows/CVI虛擬儀器開發平臺，壓力數據分析處理軟件采用MATLAB平臺實現。

1 系統組成

基于模型的輸氣管道泄漏檢測與定位系統是集油氣管道運輸、檢測技術、數據采集、自動控制技術、虛擬儀器技術于一體的軟件系統，它是由油氣管道泄漏產生的社會影響、經濟影響以及對環境和人身的危害角度出發，解決在油氣管道泄漏時如何快速采集泄漏數據并進行處理來定位泄漏位置。

泄漏檢測與定位系統由氣動回路和數據采集系統組成，系統氣動回路如圖 1所示，其中氣源為空氣壓縮機，可以產生壓力范圍為0～0.7MPa（表壓）的壓縮氣體，管道上多處安裝高精度壓力傳感器采集壓力信號，并且沿管道不同位置模擬了內徑大小不同的泄漏孔，管道末端通過安裝節流閥調節流量模擬不同工況，節流閥后接消音器通向大氣。

圖1 系統氣動回路

管道泄漏檢測數據采集系統如圖 2所示，該系統以研華公司的IPC660工控機為中心，數據采集與控制卡采用研華公司的PCL-812PG，這是一款基于ISA總線的MultiLab模擬量和數字量I/O卡，可以實現A/D、D/A轉換、數字量輸入、輸出及計數器/定時器功能。模擬量的輸入是通過螺絲端子板卡PCLD-780與數據采集板卡相連。

2 工作原理

基于模型的輸氣管道泄漏檢測系統的主程序流程圖如圖 3所示。在輸氣管道泄漏監測的過程中，當調用計算數學模型輸出壓力值和實際測量壓力值誤差不大時，認為管道運行狀態正常，即不存在泄漏；而誤差較大時，則出現泄漏，需要進一步檢測泄漏位置和確定泄漏量的大小。

圖3 基于模型的輸氣管道泄漏檢測系統主程序流程圖

輸氣管道的數學模型是根據輸氣管道傳輸基本機理模型和經過神經網絡補償后的準確模型，用于輸氣管道運輸過程中沿管線各點壓力數據的監測。當管道中無泄漏發生時，通過模型計算得到沿管線上各點的參數，與安裝在管道上各個節點的壓力傳感器的測量值進行比較，誤差會比較小；但當管道中出現泄漏時，管道上多個點多個時刻模型法的輸出會出現較大誤差，這時就可以判斷管段中出現了異常。這是基于模型的氣體管道泄漏檢測的第一步。

在無泄漏的情況下，由于管道中存在的阻力，沿管流方向各個節點的壓力會沿某一壓力梯度方向平滑下降，而當管道中某處出現泄漏時，泄漏點前后的壓力會有突變，也即泄漏點前后壓力梯度會出現拐點，根據泄漏點前后壓力數據分析可以確定泄漏發生的管段，此為泄漏位置的粗略定位。這是泄漏檢測的第二步。

確定泄漏發生的管段后，在該管段上應用氣體管道水力計算方程來確定管段中泄漏發生的具體位置。這是泄漏檢測的第三步。

最后一步是進行泄漏量的估計。根據泄漏點之前管線上的實測壓力值，應用流量公式，可以計算出泄漏點前管線上的質量流量，泄漏點后的流量同樣可以計算出來，這兩個流量的差值即為管段中泄漏點處的泄漏量。

3 數據采集顯示

本系統采用的是美國國家儀器公司LabWindows/CVI虛擬儀器開發平臺實現數據采集和顯示。虛擬儀器的實質就是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式來表達輸出檢測結果，利用計算機強大的軟件功能來實現信號數據的運算、分析和處理，利用I/O接口設備來完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統。常見的虛擬儀器方案如圖4所示。

本系統中，以LabWindows/CVI編寫控制與數據采集軟件，采集管道不同位置的壓力信號，以采集四處壓力信號為例，如果需要觀測壓力信號的動態變化過程，則可設置四個示波器，同時還可根據需要設置若干控制按鈕。顯示當前時刻各個壓力傳感器所采集到的壓力數據，并進行存儲。

4 泄漏檢測與定位

管道的數學模型是基于管道傳輸基本方程建立起來的，會存在著一些誤差，本系統采用神經網絡補償模型存在的誤差。

4.1 氣體管道泄漏位置粗略定位

經過神經網絡補償后的模型用于管道運行狀態的監測，管道在無泄漏的情況下，沿管流方向的壓力是連續變化、逐漸衰減的，其中液體管道沿管線方向的壓力變化，即壓力梯度近乎為線性曲線；氣體管道的壓力梯度雖然沒有液體管道那樣好的線性，無泄漏時管道上的壓力梯度變化也是均勻光滑的，曲線斜率是逐漸變大的。無泄漏但管道末端用氣量發生改變的不同工況下壓力曲線的對比情況如圖5所示，其中橫坐標為實驗管道長度方向變量，縱坐標為各節點上壓力數據，采用的是管道穩態流動時各個時刻壓力數據平均值。可以看到不同工況時壓力梯度曲線上下浮動，但每一條曲線的下降趨勢基本一致，且變化過程比較光滑，沿管流方向曲線斜率逐漸增加。

當管道中出現泄漏時，壓力梯度曲線會發生變化，壓力曲線不再光滑，泄漏點前后壓力曲線會出現拐點。系統采集了不同泄漏位置，在同一位置不同泄漏量的壓力數據，其中泄漏位置為L1、L2和L3，即28.0m、37.0m和49.0m三種，同一位置安裝1.2mm、1.6mm和2.0mm三種不同直徑的泄漏小孔模擬不同的泄漏量。其中28.0m處出現泄漏時壓力梯度曲線如圖6所示，橫坐標為管道長度方向變量，縱坐標為各節點上壓力數據。據此可以判斷泄漏發生的管段。

4.2 泄漏點的精確定位

在同一位置安裝1.2mm、1.6mm和2.0mm三種泄漏小孔，也即泄漏量改變時對泄漏位置進行估算。管道上在28m處發生泄漏時泄漏位置估計情況如圖7所示。圖中橫坐標為采樣點，縱坐標為管道長度方向估計的泄漏位置。從圖中可以看到隨著泄漏孔徑的增大，估計位置與實際泄漏位置的誤差逐漸變小。

5 結束語

本系統是一種將基于氣體管道流動數學模型的方法同基于知識的檢測方法想結合，進行優勢互補的新型的氣體管道泄漏檢測方法。這套系統對于油氣管道的泄漏檢測與定位技術的發展具有十分重要的作用，其應用可以涵蓋管道運輸、檢測技術、自動控制技術、數據采集和分析處理、虛擬儀器技術等多個領域。

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[責任編輯：田吉捷]