面向管道泄漏的定位報警檢測系統設計

翟雙良

摘要：在氣體或者液體的運輸，管道運輸是主要的運輸方式，管道運輸在我國占有重要地位，具有成本低，節省能源，安全性高，供給穩定等特點。在運輸過程中，對管道是否泄漏以及泄漏位置的實時監測是保證管道運輸的安全性以及節省能源、保護環境的關鍵技術之一。本文針對管道泄漏及定位監測的需要，設計了一種管道泄漏定位報警檢測系統。本文設計的管道泄漏定位報警檢測系統對管道的安全運輸，提高運輸效率，減少管道維護成本能起到關鍵作用。

關鍵詞：應變式管道壓力傳感器;差壓式流量傳感器;定位報警;檢測系統

引言

管道泄漏定位報警檢測系統需要安裝在連續無分支的管道運輸起始端與末端，通過檢測管道壓力與流量的變換來判斷是否發生泄漏并定位泄漏位置并聲光報警，以地圖和文字方式顯示泄漏位置方便查找，可以顯示開始泄漏時間。檢測系統輔以流量檢測，可以減少漏報與誤報發生次數。本系統具有成本低，安裝方便，檢測靈敏度高，誤報幾率低等優點。

一、管道泄漏定位報警檢測系統概況

管道泄漏定位報警檢測系統需要安裝在連續無分支的管道運輸起始端與末端，通過檢測管道壓力與流量的變換來判斷是否發生泄漏并定位泄漏位置并聲光報警，以地圖和文字方式顯示泄漏位置方便查找，可以顯示開始泄漏時間。檢測系統輔以流量檢測，可以減少漏報與誤報發生次數。本系統具有成本低，安裝方便，檢測靈敏度高，誤報幾率低等優點。

二、應用場合及需求分析

本系統可以很好的適應幾乎所有使用管道運輸的場合，在液體運輸方面，如石油運輸、南水北調、北方暖氣輸送等等。氣體運輸也可以準確快速地檢測泄漏并定位泄漏點。管道運輸已經是我國的主要運輸方式之一，目前世界上長輸管道總長度己超過200萬km，但是由于管道設備老化（腐蝕）和人為原因（施工，破壞，偷盜等）。管道泄漏事故經常發生。一些暖氣供應公司，由于用戶私放管道熱水，使得管道壓力變小，可能導致供暖設備故障。在天然氣運輸，其泄漏不僅會對環境造成污染，而且還有一定的危險性。使用本設計系統可以及時的檢測泄漏并定位泄漏點，挽回損失，因此本系統具有極好的應用需求。

三、設計方案

負壓波檢漏法。當輸送管道發生泄漏的時候，以泄漏處為參考點，由于管道在泄漏處存在內外壓強差，使得泄漏處的液體或氣體快速流失，壓力突降，以泄露前的壓力作為參考標準時，泄漏時產生的減壓波就稱為負壓波，該負壓波以一定速度向首站和末站傳輸，經過一定時間，兩端檢測到負壓，根據檢測到的負壓力波的波形特征。就可以判斷是否發生了泄漏，再根據負壓波到達首站與末站的時間差，以及負壓波傳輸速度，就可以對泄漏點進行定位。負壓波檢漏法不需要數學模型，計算量小，適用于發生快速的、突發性泄漏的場合，并且大多數只用壓力信號，特別適合我國管道應用。采用負壓力波進行，泄漏檢測和定位主要有相關分析法、時間序列法和小波變換法三種。

測控系統結構及原理。在運輸管道的首站依次安裝一個流量傳感器與一個壓力傳感器，在管道末站依次安裝一個壓力傳感器與一個流量傳感器。原理：當首站加大運輸流量時，首站流量與壓力均會加大，末站流量與壓力也增大，當首站排量下調時，首站與末站壓力均會下降，且下降時間不同，與負壓波類似，但是由于末站與首站流量相同，即管道沒用發生泄漏，本系統可以避免這種誤報情況。由其他環境或認為因素引起的水壓波動基于此原理也可以避免誤報。當發生泄漏時，首站壓力下降，流量上升，末站壓力下降，流量下降。

系統的結構由信號產生電路，信號放大電路，數據采集電路，數據分析，顯示及報警這幾部分組成。其中信號產生電路即傳感器電路，由于傳感器產生的信號非常小，需要加放大電路和濾波電路來獲得可采集的信號，再由A/D轉換器采集并打包上傳數據，最后由控制室分析處理數據并當發生泄漏的時候進行報警。

壓力傳感器選擇，應變式壓力傳感器是當流體壓力變化時會使得測量部件產生彈性形變，使貼附到上面的應變片發生形變，從而使得應變片阻值發生改變，通過測量電阻值的變化量來測量壓力的大小。常用來測量流動介質的動態或靜態壓力。

應變式傳感器使用方便、原理簡單、成本也低，易于制造和生產。而且在本系統中，主要是對其壓力動態變化的測量，對其響應速度要求較高并且穩定性要求也較高，因此壓電式傳感器不適合，電容式傳感器的測量電路復雜以及比應變式生產工藝復雜將導致其成本高，所以本系統的壓力傳感器使用應變式壓力傳感器。

流量傳感器選擇，差壓式流量傳感器通過管道內的節流裝置，將管道內的流體瞬時流量轉換成節流前后的壓力差來測量。電磁式流量傳感器是根據法拉第電磁感應定律來測量導電性流體的體積流量的，但是本系統可能用于非導電的流體，故不能使用此傳感器。渦輪流量傳感器是通過安裝在管道中的一個可自由轉動的葉輪，通過測出葉輪的轉速來算出流速從而計算流量。由于需要測量管道的壓力，即再在節流裝置上加一個壓力傳感器即可組成差壓式流量傳感器來測量流體流量。

結論

管道泄漏的時候會在泄漏處產生一個向管道兩端傳輸的負壓波，計算負壓波到達首站與末站的時間差，由于負壓波的傳播速度與管道內流體速度也可以得到，通過上述公式可以計算出泄漏點的位置。

但是由于計算得到的時間差受采樣器的采樣頻率影響，用性能更好的采樣器可以提高系統精度，同時溫度變化會導致負壓波傳播速度的變化，需要對管道的溫度進行采集，對傳播速度進行相應的修正，可以更加精確的確定泄漏點位置。