智能音波技術在天然氣長輸管道泄漏監測中的應用

施曉紅

摘要：智能音波管道泄漏監測是采用先進的信號處理、模式識別和人工智能技術，監測氣體、液體、氣液混合以及多相流管道，相比其他管道泄漏監測技術，在靈敏度、可靠性、穩定性和降低誤報率等方面具有明顯優勢，是油氣管道的在線泄漏監測的有效技術手段。利用智能音波技術進行天然氣長輸管道在線監測，實現實時監測管道運行情況，及時發現并確定泄漏發生的位置，從而可以及時有效地進行應急處理，控制和減少因管道泄漏造成的損失。

關鍵詞：智能音波法；泄漏監測；數據采集

中圖分類號：C93 文獻標志碼：A文章編號：1673-291X（2012）15-0206-03

一、概述

管網運輸是油田主要的天然氣運輸方式，由于管道運輸具有高壓、易燃、易爆的特性，管道的安全管理極為重要，泄漏是管道運行中最主要的安全隱患，尤其是天然氣管道的泄漏將會造成中毒、火災、爆炸等嚴重事故，而近年隨著腐蝕泄漏、人為打孔偷盜等問題日益突出，加劇了管網安全運輸形勢的嚴峻性。因此，確保管網運輸安全，是所在區域和諧生活、健康環境的重要保證，是油田集輸儲運企業首要的政治責任、經濟責任和社會責任。

智能音波管道泄漏監測技術引入了先進的信號處理、模式識別和人工智能技術，可監測氣體、液體、氣液混合以及多相流管道。提高了管道泄漏監測系統的靈敏度、可靠性和穩定性，降低了誤報率，是目前最為先進的第四代管道泄漏監測技術。探討智能音波技術在天然氣長輸管道在線泄漏監測中的應用，實現實時監測管道運行情況，及時發現并確定泄漏發生的位置，從而可以及時有效地進行應急處理，控制和減少因管道泄漏造成的損失。

二、智能音波法的技術優勢

泄漏監測是管道監測特別是長輸管道監測的最重要方面，用音波對壓力管道進行泄漏監測是目前最先進、最可靠的泄漏監測技術。

一般管道監測方法都是監控管道運行的各種物理量變化來判斷管道是否發生泄漏，因此產生了流量法、實時模型法、負壓波法等管道泄漏監測技術。與這些方法相比，音波法具有明顯的優勢。

衡量管道泄漏監測技術（系統）三個最重要的性能指標是：靈敏度（可檢測的最小泄漏率以及漏報率）、誤報率（可信度）和定位精度，智能音波法和其他方法的性能指標比較（見表2）。

從表2可以看出，智能音波管道泄漏監測系統具有靈敏度高、可信度高、定位精度高、適應范圍廣、系統運行穩定、反應快速等優點。

根據被監控管道內流體的性質及管道的運行環境不同，智能音波技術可以監測地面管道、埋地管道和海底管道，還可以監控各種復雜的管網系統。

三、智能音波油氣管道泄漏監測系統工作原理

（1）管道泄漏瞬間，輸送介質在泄漏點產生具有一定特征的音波，并沿管道向兩端傳播。（2）采集終端通過安裝在管段兩端的傳感器接收到音波信號，經過預處理之后，與GPS 時鐘一起通過網絡傳送到服務器。（3）服務器進行實時識別處理（采用復雜統計模型的識別器），判斷管道是否發生泄漏，同時利用管段兩端數據采集處理終端接受到音波信號的時間差，計算出泄漏發生位置。（4）在每個環節利用人工智能技術過濾干擾，最終降低誤報率，提高了監控精度。

四、智能音波油氣管道泄漏監測系統的組成

智能音波油氣管道泄漏監測系統主要分為數據采集處理終端、泄漏監測定位服務器和監控終端，同時系統運行需要計算機網絡（運行TCP/IP 協議）支持。

1.數據采集處理終端。傳感器：實時將管道中的聲波信號轉換為電信號，傳輸給前端處理模塊。天然氣長輸管道智能音波泄漏監測系統可采用定制的傳感器，有效解決微弱音波信號的捕捉問題，為系統的可靠運行奠定基礎。前端處理模塊：在微小泄漏孔徑的情況下，泄漏點產生的音波信號及其微弱，經過長距離傳輸將進一步衰減。前段處理模塊的功能就是信號的放大和噪聲抑制。采集模塊：將信號做AD 轉換，變為可用計算機處理的數據。GPS：獲取精準的時間，泄漏監測定位服務器用來計算泄漏位置。采集主機：安裝采集程序，把音波信號轉換為數字域的多通道信號，再通過維納濾波、自適應濾波等先進的信號處理方法進行預處理，去除背景噪聲和各種干擾信號，最后和GPS 信號一起通過網絡傳送給泄漏監測定位服務器。

2.泄漏監測定位服務器。泄漏監測定位服務器由硬件和軟件組成，硬件一般使用高穩定性的服務器，軟件可選用 DOLPHIN SERVER V2.1。硬件要求：（1）操作系統：Windows XP SP2，SP3 / Windows Server 2003 / Windows Vista；（2）處理器：2.0 GHz Pentium IV or equivalent or higher；（3）內存：1 GB RAM；（4）硬盤：4 GB Available HDD Space。軟件功能：（1）讀取配置信息，建立 OPC 項并更新，為人機界面提供數據。（2）將采集終端的配置信息通過網絡傳遞給采集終端。（3）建立并維護各采集終端的通訊信道。（4）向遠端的OPC 廣播或者發送OPC 數據。（5）利用各采集終端的 GPS 時鐘信號對其發送的數據進行精確時間同步。（6）依據管網的拓撲結構，對比和匹配各采集終端的數據，判斷管道是否發生泄漏。并根據音波信號到達各采集終端的時間差，計算泄漏位置。（7）保存各個數據采集終端傳送來的原始數據以及中間數據，以便進一步分析處理。

3.監控終端。監控終端安裝客戶端程序和人機界面程序（含底層組態軟件），實時顯示管道的運行狀態，當發生泄漏時及時報警。可以配置多臺監控終端與泄漏監測定位服務器相連，監控終端也可和泄漏監測定位服務器共用一臺計算機。硬件要求：（1）操作系統：Windows XP SP2，SP3 / Windows Server 2003 / Windows Vista；（2）處理器：800 MHz Pentium III or equivalent or higher；（3）內存：256 M RAM；（4）硬盤：40 M Available HDD Space；（5）顯卡：DX 9.0c Compatible graphics card；（6）聲卡：16-bit Sound Card；（7）其他：還需要滿足人機界面程序所使用組態軟件的配置要求。

4.通訊系統。使用計算機網絡（運行TCP/IP 協議）。數據采集處理終端的數據通過通訊網絡傳送到泄漏監測定位服務器，監控終端與泄漏監測定位服務器也通過通訊網絡相連接。各個數據采集終端和監測定位服務器之間需要網絡平臺支撐，可以利用現有網絡。采集終端與服務器之間傳送的數據已經過加密，可以通過公網傳輸。另外系統應有嚴格的數據完整檢查和出錯重傳機制，保證每條數據都準確可靠地傳遞。如果系統出現故障，可以進行遠程調試。

5.關鍵技術。（1）通訊數據加密，支持跨網段傳輸；（2）發送數據緩存，接收數據應答，數據校驗，丟包數據重傳，保證每條數據正確可靠傳輸；（3）支持復雜管網（樹狀、環狀等），在分支位置可以不設采集終端；（4）支持運行時刻參數修改和音速校準（不需要重新啟動程序）；（5）可配置是否生成本地 OPC 服務器；（6）可連接任意多采集終端；（7）支持斷點續傳。

五、結束語

智能音波油氣管道泄漏監測系統的優勢：（1）全球最先進的泄漏監測技術。（2）智能音波法各項性能指標都比其他泄漏監測方法優越。（3）可監測氣體、液體、氣液混合以及多相流管道（其他泄漏監測技術一般只能監測液體管道）。（4）本地化的技術支持和維護。

參考文獻：

[1]DOLPHIN智能音波管道泄漏監測系統[J].自動化博覽，2009，(3).[責任編輯 王玉妹]