小波變換法在輸油管道泄漏檢測中的應用研究

張 濱，曹江濤，張 一

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001）

管道輸送技術在石油、天然氣等流體中有著廣泛的應用。但是近今年來由于人為破壞、管道腐蝕等原因，管道泄漏事故經常發生，造成了巨大損失和環境污染。另外，長輸管道距離長，沿途環境比較惡劣，決定了檢測方式多為人工定期巡檢，限制了泄漏檢測與定位的實時性與準確性。因此輸油管道泄漏檢測的研究與應用成為亟待解決的問題。

通常用于泄漏檢測的方法可分為直接和間接檢測法。直接檢測法多為人工巡檢。間接檢測方法有物質平衡法、壓力梯度法、負壓波法等，這些方法各有其優缺點[1]。

文中簡單介紹了幾種泄漏檢測的方法，重點介紹了負壓波法在輸油管道泄漏檢測系統中的應用及其定位算法。并對負壓波定位方法中的關鍵參數，即首、末兩端壓力傳感器接收到壓降信號的時間差，利用小波變換法進行了深入的研究與分析，并在Matlab上進行了相應的模擬仿真，結果表明該方法切實可行、定位準確，達到了對精度的要求。

1 管道泄漏檢測方法概述

1.1 物質平衡法

管道質量平衡技術是檢測管道泄漏[2-3]的一種基本方法，它是許多現代管道泄漏檢測技術的基礎。該方法主要通過檢測管道進出口的體積流量、溫度、壓力等參數計算出相應的質量流量或直接檢測管道進出口的質量流量，并估算出管道內剩余液體的質量變化量，根據進出管道流體的質量差來判斷是否發生了泄漏。這種方法簡單直觀、易于實現，但不能及時檢測出管道泄漏，也不能實現對泄漏點的定位且誤報警率高。對于單入口、單出口管線，其基本計算公式為：

式中：M0(t)— 管道的泄漏量，kg/s

M1(t)— 管道入口質量流量，kg/s

M2(t)— 管道出口質量流量，kg/s

Mc(t)— 管道內液體隨溫度、壓力等參數的變化量。

1.2 壓力梯度法

在理想情況下，管線的壓力隨管線長度線性變化，當發生泄漏到再次到達穩定值后，沿管線壓力變化將如圖1所示分布。若用p1和p2計算出上游管段的壓力梯度，用p3和p4計算出下游管段的壓力梯度，二者在泄漏點處具有相同的邊界條件，從而可以計算出泄漏點的位置。壓力梯度法只需要在管道沿線的各個截斷閥處安裝相應的壓力檢測裝置，該方法簡單、直觀，不僅可以檢測出泄漏事故的發生，還可以確定出泄漏點的位置。但因為實際沿線壓力梯度呈非線性分布，以至壓力梯度法的定位精度不高。測量點x1和x2，x3和x4之間距離的大小直接影響檢測的靈敏度，此外，對于長距離輸送管道，由于需要布置較多的壓力傳感器和信號同步傳輸裝置，導致整套檢測系統耗資較大。因此壓力梯度法可以作為一項輔助方法與其他方法一起使用。

圖1 梯度法泄漏定位原理Fig.1 Gradient method of leakage localization principle

1.3 負壓波法

負壓波法是應用比較廣泛的一種泄漏檢測方法，其基本原理是：當管道發生泄漏時，在泄漏點處會引起壓力突變，形成一個負壓波，該波以一定的速度向管道兩端傳播，安裝在上、下游之間的壓力傳感器根據檢測到的壓力值變化即可判定出是否發生了泄漏。并根據兩端傳感器接收到該波的時間差及負壓波在介質中的傳播速度就可以進行定位。其定位原理圖如圖2所示。

圖2 負壓波定位原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of locating principle of negative pressure wave

設站間管道長度為L(m)，泄漏點距上游壓力傳感器的距離為x(m)，管道傳輸介質中負壓波的傳播速度為v(m/s)，上、下游傳感器接收到負壓波的時間分別為 t1，t2(s)，上、下游傳感器接收到負壓波的時間差為△t(s)，則有：

如考慮到管內介質流速對負壓波傳播的影響，修正定位公式，引入管內流體流速u，則有：

分析以上公式可以看出負壓波法用于泄漏檢測與定位的關鍵在于泄漏點處產生的負壓波到達上、下游壓力傳感器的時間差△t的獲取。該方法存在以下兩個問題：

1)由于現場存在大量干擾、工況變化等因素，使得壓力傳感器采集到的壓力信號含有大量噪聲，如何從含噪信號中提取有用的負壓波信號對精確確定壓力突變時刻、提高定位精度具有重要意義；

2)由于現場負壓波信號突變量較小且含有噪聲，難以精確確定出壓力波形出現拐點的具體位置，而壓力波形突降點的準確識別決定了泄漏檢測的靈敏度和精度。

對于以上問題，本文擬用小波變換法對管內壓力信號進行消噪處理，并將信號進行多層次、高低頻率的重構與分解，進而消除噪聲，重構出原始信號波形，找出壓力信號波形拐點的位置，實現精準定位。

2 小波變換在泄漏檢測系統中的應用

2.1 小波變換法簡述

小波變換作為應用數學的分支發展于20世紀80年代后期，是一種信號的時間—尺度分析，在時頻中具有表征信號局部特征的能力，同時又是一種信號的多分辨率的時間—頻率分析，具有很多優良的特性。作為一種新的信號處理技術小波變換已經在許多工程領域得到了廣泛的應用。

連續小波變換的時間—尺度特性可以有效地檢測信號的奇異性。信號在其突變點處通常是奇異的，利用小波變換的極值點可以檢測出信號的邊沿。小波變換還可以抑制噪聲波形，在強噪聲背景下還原出信號的原始波形。將小波變換的這一原理用于動態系統的故障檢測，可以提高故障檢測的靈敏度和克服噪聲能力[5]。

2.2 輸油管道泄漏點的定位仿真

通過應用小波對壓力信號波形的突變點進行檢測，根據管道兩端壓力傳感器采集到的壓力信號進行定位仿真[6]。圖3為某原油管道發生泄漏時首端壓力傳感器所采集的壓力信號，采樣頻率為。

圖3 管道泄漏事故壓力信號Fig.3 Pressure signal of pipeline leakage accident

如圖3所示，當管道發生泄漏時，壓力信號由于受到現場的各種干擾，使其完全淹沒在噪聲之中，很難看出壓力信號波形的原始走勢，更難以確定信號出現拐點的具體位置，進而確定不出壓力信號波形突降的時刻，無法進行定位。

采用Matlab編程，利用小波分析的方法對壓力信號進行消噪、重構以及細節信息的還原來確定拐點的具體位置。在小波變換函數中，有許多具有不同類型、性質的小波族，應用不同的小波族處理同一數據也會產生不同的結果，相應的也會對定位的精度產生一些影響，故選用哪一種小波基也是需要考慮的因素[7]。以下仿真采用的是daubechies小波，簡稱db；首先采用db5小波對壓力信號波形進行低頻段5個層次的重構，如圖4。

圖4 低頻重構信號Fig.4 Signal reconstruction of low frequency

a1～a5為壓力信號波形在低頻段5個層次的重構，可以看出信號在分解到第5層，即a5已經較為明顯的還原出了壓力信號波形的原始走勢，并在第3 000 ms采樣點左右出現了壓降，意味著管道發生泄漏。但低頻段重構出的近似信號很容易丟失信號原有的細節信息，因此還需對信號進行高頻段的重構來更加精確的提取出信號的細節信息。下面同樣采用db5小波對壓力信號波形進行7個層次的高頻分解，如圖 5。

圖5 高頻重構信號Fig.5 Signal reconstruction of high frequency

圖5 中d1～d7反映了信號在高頻段的細節特征，當壓力信號波形被分解到第7層，即d7時，可以明顯看出信號在第3 200 ms采樣處發生了尖峰突變，再結合圖4中a1～a5的低頻重構信號，確定出壓力信號在第3 200 ms采樣點處產生壓降，即管道發生泄漏。后將第3 200 ms采樣點處所對應的具體時間記為t1，即可得到首端壓力傳感器接收到泄漏信息的具體時間，同理根據末端壓力傳感器的壓力信號波形分析計算出t2，即可得到時間差△t，再代入到負壓波法的定位公式中，計算出泄漏點的具體位置，實現對漏點的定位。

3 結論

本文將負壓波檢測法與小波變換法相結合，采用多頻段的小波分解與重構來捕捉壓力信號波形的具體特征。實驗證明，基于此法的輸油管道泄漏檢測定位系統簡易可行，極大的提高了信號的可檢測性及精度。

[1]金 偉.油氣輸送管道泄漏檢測技術[J].輕工科技,2012(5):41-42.JIN Wei.Oil and gas pipeline leak detection technology[J].Light Industry Science and Technology,2012(5）:41-42.

[2]周 勇,張 杰,何燕皓,等.輸油管道檢測技術研究[J].內蒙古石油化工,2011(3):102-104.ZHOU Yong,ZHANG Jie,HE Yan-hao，et al.Research on pipeline leak detection technology [J].Inner Mongolia Petrochemical Industry,2011(3):102-104.

[3]申陳州.輸油管道泄漏檢測技術淺析[J].湖南農機,2010,5(37):71-74.SHEN Chen-zhou.Analysis of pipeline leak detection[J].Hunnan Agricultural Machinery,2010,5(37):71-74.

[4]李恩斌,李長俊,彭善碧.應用負壓波法檢測輸油管道的泄漏事故[J].哈爾濱工業大學學報,2009,11(41):285-287.LI En-bin,LI Chang-jun,PENG Shan-bi.Leakage detection for oil pipeline based on negative pressure wave theory[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2009,11(41):285-287.

[5]倪 偉,黃 飛,伏乃林.小波在輸油管道泄漏檢測定位系統中的應用研究[J].儀表技術,2009(9):19-21.NI Wei,HUANG Fei,FU Nai-lin.Research of the application of wavelet transform in a system for oil pipeline leak detection[J].Instrumentation Technology,2009(9):19-21.

[6]吳 偉,蔡培升.基于MATLAB的小波去噪仿真[J].信息與電子工程,2008,3(6):220-222.WU Wei,CAI Pei-sheng.Simulation of wavelet denoising based on MATLAB [J].Information and Electronic Engineering,2008,3(6):220-222.

[7]鄭 均,候銳鋒.小波去噪中小波基的選擇[J].沈陽大學學報,2009,2(21):108-110.ZHEN JUN,HOU Rui-feng.Section of wavelet base in denoising of wavelet transform [J].Jounal of Shenyang University,2009,2(21):108-110.