負壓波檢漏技術在輸氣管線中的應用

張智

（中石油管道濟南輸油分公司，濟南250014）

隨著國內能源結構的不斷優化，清潔高效的天然氣在能源結構中所占的比例逐年加大，而天然氣的管道輸送是實現天然氣有效利用的最佳途徑。為此，國內近些年先后建設了西氣東輸、川氣東送等大型管線。由于這些管線的跨越距離很長，沿途所經過的地形多變，相當大的一部分地區很難實現人工巡檢。同時由于管線的腐蝕、老化及其他自然或人為損壞等原因，管線泄漏時有發生，給國家的財產造成巨大的損失，還會污染環境。因此，及時準確地發現管道的泄漏位置成為各油田及輸氣公司的重要工作內容之一。管道泄漏的檢測方法主要有［1］：

a）基于模型的泄漏檢測法。該方法需要建立復雜的管道運行數學模型，模型建立的準確程度將極大地影響泄漏檢測和定位的精度。

b）基于信號的泄漏檢測法?；谛盘柕臋z漏方法是建立在目前管道均采用SCADA系統的基礎上，由于SCADA系統可準確地采集管道沿線的運行參數，該方法具有極高的精度和良好的發展前景。筆者所介紹的負壓波檢漏技術正是一種基于SCADA系統信號的泄漏檢測法。

c）基于知識的泄漏檢測法。該方法還處于探索階段，很多檢測的機理有待進一步的研究。

1 負壓波檢漏技術的基本原理

如果管道的某個位置發生了氣體泄漏，便會在管道內外形成一定的壓差，管道內部流體會迅速流出，在泄漏點位置引起壓力突降。泄漏點周圍的氣體在壓差的作用下會向泄漏點流動，形成一個以泄漏點為中心的壓力波動，即負壓波。負壓波以一定的速度向泄漏點的兩端傳播，利用安裝在管道兩端的壓力傳感器可以檢測到壓力波動的信號，并根據兩端傳感器接收到負壓波的時間差就可以找到泄漏點的位置，基本原理如圖1所示。

圖1 負壓波檢測原理

假定ta，tb為負壓波傳播到上下游傳感器的時間，v1為負壓波在氣體中的傳播速度，Δt為首末端傳感器接收到負壓波的時間差，Δt＝ta－tb，那么泄漏點的定位公式可表達為

由式（1）可以看出，要準確地找到泄漏點，關鍵在于確定負壓波到達傳感器兩端的時間和對負壓波傳播時間的精確計算。

2 負壓波檢漏技術存在的主要問題

a）負壓波檢漏技術通常將負壓波在輸氣管道中的傳播速度確定為一個定值，即認為負壓波在輸氣管道中的傳播速度一般為聲波在輸送氣體介質中的傳播速度。而在實際運行的管線中，該傳播速度與氣體介質的密度、壓力、比熱和管道的材質及傳輸介質的流速等有關，不是定值。因此，利用式（1）進行定位必然會帶來較大的定位誤差。

b）管線運行的環境中不可避免地存在一些干擾，如電磁干擾、泵的振動、工況變化等因素。因此，由傳感器采集到的壓力信號附有大量的噪聲，這使得精確識別壓力突降點變得非常困難。壓力突降點的準確識別一方面決定了泄漏檢測的靈敏度和可靠性，另一方面決定了Δt的精度，從而影響定位精度。因此，要做到對泄漏點的準確檢測與定位，必須解決以上問題。

3 負壓波檢漏技術的優化

a）負壓波在天然氣管道中的傳播速度，傳統上被認為是聲波在介質中的傳播速度，它是一個定值。實際中由于系統狀態、工況等隨時在發生變化，負壓波的傳播速度絕非一成不變。因此，采用此值進行定位必然會帶來較大的定位誤差。根據能量守恒原理，負壓波傳播速度可表示為［2］

式中，v——負壓波波速，m／s；αp——氣體壓縮系數，Pa－1；ρ——氣體密度，kg／m3；D——管道內徑，m；E——管道彈性模量，Pa；e——管壁厚度，m。對于E很大或e很大的剛性管壁，D／（Eαp·e）一般為10－3甚至更小的數量級，在實際應用中，天然氣傳輸管道恰好具有此特性，故在滿足精度要求情況下式（2）又可適當簡化為：

由此可見，壓力波的傳播速度主要與流體密度和壓縮系數相關。眾所周知，氣體密度受壓力和溫度影響很大，而氣體的壓縮系數也與這兩個物理量有很大關系。隨著輸氣工藝的發展，天然氣的管道輸送正朝著大口徑、高壓力的方向發展；加之傳輸管道距離長，溫度變化也不可忽略。因此，壓力波速的研究必須考慮壓力、溫度對流體密度和壓縮系數的影響。

b）定位公式的修正。考慮管內氣體流速對壓力波速的影響，上游實際接收到的壓力波傳播速度為v－u，下游為v＋u，故：

式中：u——氣體流速，m／s，計算時可采用氣體的平均流速。由式（1）得修正后的定位公式為

由于系統的所有數據都由計算機進行采集和處理，故式（6）又可寫為

式中：ts——采樣時間，s；Δd——奇異點的位置差，m。

4 噪聲消除及壓力突降點的捕捉

4.1 小波消噪

在實際泄漏檢測定位中，必須準確地獲取到由于管道泄漏所引起的壓力突降特征點，才能精確地確定泄漏點，得出負壓波傳播到首末端傳感器的時間差，從而提高負壓波檢漏技術的可靠性、靈敏性和精確性。但是由于在管道運行的現場必然會存在電磁干擾、泵的振動等影響檢測靈敏性的因素，傳感器獲得的聲信號就含有大量噪聲。因此，如何在繁復的聲信號中準確地找到標識壓力突降點的信號是負壓波檢漏技術的關鍵點。為了很好地解決這個問題，大多數檢漏采用小波變換技術，該技術具有良好的消噪能力和時頻局域特性，可以很好地對附加有其他噪聲信號的負壓波信號進行消噪處理和奇異點的識別。在傳感器獲得的信號中，有用的負壓波等信號通常表現為一些變化比較平穩的信號或者低頻信號，而噪聲信號則通常表現為高頻信號。

小波變換技術的基本消噪原理：可對傳感器獲取的復合信號進行逐層的小波分解，將高頻區域的噪聲信號逐漸消除，再以門限閥值等形式對小波系數進行處理，最后對所得到的信號記性重構，從而得到去除了噪聲的有用信號。小波變換技術最關鍵的一環就是如何選取閥值和對閥值進行量化處理，得到顯示壓力突降的負壓波信號，它直接關系到信號處理的質量。

小波降噪處理方法：強制降噪處理、默認閾值降噪處理及給定軟（或硬）閾值降噪處理。

4.2 壓力突降點的捕捉

小波變換由于在時域和頻域內同時具有良好的局部化性質，可聚焦到對象的任何細節，而被稱為數學分析的“顯微鏡”。利用連續小波變換的時間2尺度特性，可以有效地檢測信號的奇異性。其原理是引用數學上表征函數局部特征的李氏指數（Lipschitz指數）作為一種度量，當信號在奇異點附近的Lips2chitz指數α＞0時，其連續小波變換的模極大值隨尺度增大而增大；當α＜0時，則隨尺度的增大而減小。噪聲對應的Lipschitz指數遠小于0，而信號邊緣對應的Lipschitz指數大于或等于0，因而利用小波變換可以區分噪聲和信號邊緣，有效地檢測出強噪聲背景下的信號邊緣。

5 仿真驗證

采用上述檢漏優化算法對某輸氣管道的漏點進行了仿真計算，管道數據如下：管道全長L＝170km，管道規格650mm×8.8mm，首端壓力9MPa，溫度為50℃，末端壓力為5.6MPa，溫度為30℃，假定管道在30.5，100.7，155.2km處發生泄漏，具體的仿真結果見表1所列。

表1 某輸氣管道檢測數據優化比較

由仿真結果可見，與原始算法相比，優化算法明顯地提高了漏點定位的精度。

6 結束語

筆者研究了負壓波法在天然氣輸氣管道泄漏檢測與定位應用中存在的問題，分析了在輸氣管道中影響負壓波傳播速度的因素，修正了定位公式，同時利用小波技術對泄漏信號進行了消噪并捕捉了壓力突降點，從而提高了檢測與定位的精度，仿真實驗證明了改進方法的有效性。

［1］ 陳華波，涂亞慶.輸油管道泄漏檢測方法綜述［J］.管道技術與設備，2000，50（01）：38－41.

［2］ 鄧鴻英，王毅.負壓波管道泄漏檢測與定位技術［J］.油氣儲運，2003，22（07）：30－33.

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