基于小波包分析的模拟天然气管道泄漏声发射定位

第37卷 增刊Ñ2009年 8月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版)J.H uazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.37Sup.Ñ Aug. 2009收稿日期:2009205208.作者简介:华 科(19842),男,硕士研究生,E 2ma il:huak07@.基于声波的输气管道泄漏检测与定位技术华 科1叶 昊1王桂增1陈绍萍2李国森2(1清华大学自动化系,北京100084;2中国石油化工总公司胜利油田,山东东营257001)摘要:研究了基于声波的输气管道泄漏检测与定位技术.该技术的主要优点是成本适中,不需站外节点,安全可靠.当管道发生泄漏时,利用短时傅里叶变换对采集到的上、下游的声音信号进行分析,提取泄漏特征并进行报警,根据泄漏到达上下游的时间差以及声波在管道气体中的传播速度计算泄漏点距上游端的距离.现场实验的结果表明,该方法非常有效,同时也说明了基于声波的输气管道泄漏检测与定位是可行的.关 键 词:输气管道;泄漏检测;定位;声波;傅里叶变换中图分类号:T P306.3 文献标识码:A 文章编号:167124512(2009)S120181203Study on acoustic based leak detection and localizationof nature gas pipelineH ua K e 1 Y e H a o 1 Wang Guizen 1 Chen Shaop ing 2 Li Guosen 2(1Department of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2Shengli Oilfield,China Petr oleum and Chemical Corpor ation,Dongying 257001,Shandong China)Abstr act:T he technique for leak detection and localization of nature gas pipeline based on acoustic sig 2nal in this is studied paper.The advantage of this technique is the low 2cost and security.When the pipe leaks,it emits acoustic signals and the signals transmit through the gas,shor t 2time Fourier tr ansform is used to analyze the acoustic signals of both the upstr eam and the downstream to extract the leak characteristic.Accor ding to the difference of the leak arrival time for both the upstr eam and downstream and the sound speed in the gas of the pipeline,we can get the localization of the leak point.T he field exper iments show that this method is feasible and useful.Key words:nature gas pipeline;leak detection;localization;acoustic;Fourier transform 管道是运输天然气的主要工具.由于管道老化、介质腐蚀、施工不当以及人为破坏等原因,近年来世界各地发生了不少天然气管道泄漏爆炸事故,造成了巨大的生命财产损失,并带来严重的环境污染.为了及时发现输气管道中的泄漏并对其进行准确定位以减少损失,研究输气管道泄漏检测与定位技术是非常必要的.尽管国内外已经有一些取得良好效果的天然气管道泄漏诊断方法的研究,如热红外成像法、漏磁检测法、光纤检测法等[1~3],但这些方法或者不能进行连续监测(如前两种方法),或者虽然灵敏度和精度高,但是需要站外测点(无法保证系统安全),并且价格昂贵(如后一种方法).基于声波的输气管道泄漏监测技术成本适中,并且在原理上具有无需站外测点、可实时监测、可区分泄漏和扰动等优点,已引起了人们的重视.但由于国外技术垄断,其价格极其昂贵.事实上,目前我国还没有在任何天然气长输管道上安装实用性好的、具有自主知识产权的、价格适中的实时泄漏监测系统.本研究基于声波的输气管道泄漏监测技术,开发了实验系统,并利用现场数据进行了验证.1 基于声波的输气管道泄漏监测系统结构当流体输送管道因老化、腐蚀、人为破坏等原因发生泄漏时,在泄漏处会产生声波信号.其低频信号能够沿着管道远距离传播.这样,只要在管道两端安装能够检测到泄漏声波信号的传感器并对传感器信号进行分析,就可以检测出两个传感器之间的任一位置发生的泄漏并对其进行定位.与输油管道中广泛应用的基于压力波的泄漏监测系统结构相同,基于声波的漏检测与定位系统的基本结构如图1所示,其中:L 为管道的长图1 音波泄漏检测与定位系统结构图度;O 为泄漏发生点;A 为上游端;B 为下游端.假设声波在管道气体中的传播速度为v,当泄漏发生时,由泄漏产生的声波传到A,B 点所用的时间分别为t 1和t 2,则泄漏位置可按下式计算[4]AO =(L +v $t)/2,(1)式中$t =t 1-t 2.从式(1)中可以看出,只要知道管道的长度、声波在气体中的传播速度以及泄漏时声波传播到上下游端的时间差$t,就可以对泄漏进行定位.因此,泄漏检测和定位的关键是从干扰和噪声背景中准确地检测到泄漏声波信号并确定其到达上、下游的时间差.2 输气管道泄漏监测实验系统2.1 硬件系统输气管道泄漏监测实验系统的硬件包含声波传感器、高速数据采集设备以及计算机平台等.现有的声波传感器一般都是在大气压下使用,因此很难适应管道内的恶劣环境,包括管道内的高静压、气流的冲击、介质中的杂质和腐蚀等,也不能满足工业管道对防爆、密封的要求.所以首先进行声波传感器的比较和选型.选择了3种类型的声波传感器或动态压力传感器.这些传感器都可以安装在工业管道上,并且承受工业管道的恶劣环境.经过在不同管道上的试验和测试,效果最好的是中国计量科学院研制的声波传感器.该传感器属于压电式动态压力传感器,量程为0~30MPa,工作介质温度为-20~85e ,固有频率在100kH z 左右[5].本文实验系统的数据采集设备采用了NI 公司的NI Compact DAQ.该设备具有采样率高、采样精度高、多采样通道、安装方便等优点,能满足高速采集系统的需求.由于传感器输出为4~20mA 的电流信号,因此为NI Compact DAQ 配置的模块是电流模拟量输入模块9203,具有8路电流输入通道,电流输入范围为-20~+20mA,8路总采样率为200kH z(高速采集系统中实际使用3路,因此每1路的最高采样率为66.7kH z),分辨率为16bit,操作温度范围为-40~70e .2.2 软件系统本研究的软件系统是基于NI 公司的Lab 2V IEW 平台开发的,它以数据采集平台为核心,周边功能包括数据存储、数据显示、数据采集同步启动控制、Matlab 数据接口、核心泄漏检测和定位算法等模块.系统上、下游的两台计算机从软件意义上还可分为服务器端和客户端.软件系统的数据采集平台用于控制数据采集设备、配置数据采集参数、完成数据的高速采集过程.软件数据采集平台与NI 公司的高速数据采集模块相配合,使原型系统可以最高以10kH z 的采样频率同时采集多路电压或电流信号.由于采样率高、存储的数据量大,为了提高数据存储的效率,系统采用T DMS 数据文件格式,提供分布式和集中式两种存储方式.在实时数据显示方面,程序主界面可以同时显示最多4路传感器的信号,实现波形缩放、拖动、移动游标等功能.此外,系统还提供了历史数据查询显示界面.为了减少泄漏定位误差,上下游的数据采集要同步启动,并且同步误差要尽量小.本系统以LabVIEW 提供的网络共享变量为基础,提供了定时和直接启动两种方式进行同步启动控制.在网络允许的情况下,数据采集平台可以采用直接启动控制方式,若网络条件不理想,则可选择定时启动方式.未来将在系统中引入GPS 同步时钟.为便于在Matlab 环境中进行数据分析和算法研究,系统还提供面向Matlab 的数据接口.核心泄漏检测和定位算法模块分别在上下游的计算机中根据采集到的信号进行泄漏检测,当上下游都检测到泄漏时,客户端计算机将检测到泄漏的时间通过网络发给服务器计算机,服务器计算机进一步根据泄漏声波到达上下游的时间差进行泄漏的定位,然后通过主界面给出报警.3 输气管道泄漏检测和定位算法当管道压力较低、泄漏较小,并且存在负荷变#182# 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第37卷化等扰动时,泄漏声波信号在远距离传输后会完全淹没在干扰和噪声中.另外,声波在管道中传播时会发生衰减,且高频信号比低频信号衰减得要快很多,只有低频的信号在输气管道的泄漏检测中起作用[6].为此,本文系统采用了基于时2频分析的泄漏检测与定位方法.该方法利用短时傅里叶变换求取信号的短时功率谱[7]:P (t,X )=Q f (u)w(u -t)e-j X ud u2(X I [X 1,X 2]),(2)式中:[X 1,X 2]为对泄漏敏感的频带范围;w(t)为窗函数;f (u)为原始声波信号.求取短时功率谱P(t,X )后,可以通过适当的算法构造残差信号,再根据适当的故障判决逻辑进行泄漏故障的判决,并根据上、下游检测到泄漏声波的时间差利用式(1)进行泄漏定位.4 基于现场试验数据的泄漏检测与定位结果在胜利油田某天然气管道上进行了现场泄漏试验.管道长5.8km,压力约为0.8MPa.为了操作方便,放气位置(泄漏点)位于下游端.每次放气持续30s,放气孔径约为3mm.泄漏时经过传播5.8km 后到达上游端的声波信号如图2所示,其图2 下游发生泄漏时上游的时域波形中相邻的细实垂线代表每次泄漏试验的起始和结束时间.图中的信号波动是由于管道负荷变化引起的.从图2可以看出,当发生泄漏时,从上游端的时域波形中根本无法看出是否有泄漏发生,这是因为泄漏声波信号在传播过程中发生了衰减,并且管道中有剧烈的混合波动.但是从图3可以看出,本文的算法可以有效检测到泄漏,并排除扰动的影响,其原因是泄漏中的低频成分可以远距离图3 下游泄漏时上游的谱分析图像传播,且扰动和泄漏具有不同的频域特征.对于图2和图3所示的试验结果,系统可以在泄漏发生后大约3s 内发出报警,定位误差分别为管长的3.10%和0.17%.值得注意的是,虽然本文系统具备了远程通信和在线监测能力,但由于试验现场没有网络条件,因此本文的试验并没有进行在线检测,而是将采集的数据读入系统进行离线测试.基于声波的输气管道泄漏检测与定位系统成本适当,并且在原理上具有无需站外测点、可连续实时监测、可区分泄漏和扰动等优点,具有广阔的应用前景.基于现场试验数据的测试结果表明了本文方法的有效性,以及基于声波的输气管道泄漏监测技术的可行性.参考文献[1]Hameed,Abdul Malhot ra V N.Detect ion of leaksfrom pr ocess pipes[J].P ipes and P ipelines Interna 2tional,1999,44(5):23232.[2]奚占东.新型天然气管道泄漏检测技术探讨[J].化工装备技术,2008,29(2):28229.[3]陈志刚,张来斌,王朝晖,等.基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法[J].传感器与微系统,2007,26(7):1082110.[4]邵 煜.泄漏监测系统软件平台的研究和开发[D].北京:清华大学自动化系,2007.[5]周海旭.基于声波的输气管道泄漏检测实验系统研究[D].北京:清华大学自动化系,2008.[6]Bassim M N,Tangri K.Leak detect ion in gas pipe 2lines using acoust ic emission[C]M P roceedings from Inter nat ional Conference on P ipeline I nspect ion.Ed 2monton:Canmet,1984:5292544.[7]周 霞,蔡坤宝.中医脉象信号的短时傅里叶分析[J].重庆大学学报,2003,26(10):47251.#183#增刊Ñ 华 科等:基于声波的输气管道泄漏检测与定位技术。

基于小波变换的管道泄漏声发射检测信号处理
吴志敏;周诗岽;江光世
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2012(34)11
【摘要】针对管道泄漏声发射检测信号中含有大量噪声导致定位精度低这一实际,研究了基于小波变换的声发射检测信号降噪技术,利用小波函数阀值降噪法对泄漏系统所采集的信号进行滤波处理,以保证采集到的瞬态信号有效性,并采用互相关分析法对泄漏点定位.10种工况下实验结果表明,采用小波变换对声发射检测信号处理处理后,管道的定位精度在5％之内,满足工程实际需要.
【总页数】3页(P21-23)
【作者】吴志敏;周诗岽;江光世
【作者单位】常州大学信息科学与工程学院,常州213016;常州大学油气储运技术省重点实验室,常州213016;中国石化管道储运分公司华东管道设计研究院,徐州221008
【正文语种】中文
【中图分类】TE973.1
【相关文献】
1.小波变换在管道泄漏声发射检测中的应用 [J], 龚斌;李兆南;鄢利群;徐欢
2.基于小波变换的管道漏磁检测信号处理 [J], 陈培玉;阙沛文
3.基于小波变换理论的电磁泄漏信号处理方法 [J], 张晶
4.基于多通道声发射检测系统的管道气体泄漏位置定位方法研究 [J], 徐源; 邢兰昌; 张树立
5.基于实验研究的油气钻采水平两相流管道泄漏声发射检测 [J], 张源;杜莎莎;顾纯巍;夏强;刘鹏谦;徐长航
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