iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

羅 宇，施 劍

(江蘇中海達(dá)海洋信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210032)

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iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

羅 宇，施 劍

(江蘇中海達(dá)海洋信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210032)

一、引 言

用次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)(acoustic leak detection system)對壓力管道進(jìn)行泄漏監(jiān)測是目前最先進(jìn)、最可靠的泄漏監(jiān)測技術(shù)。次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有靈敏度高、誤報率低、定位精度高等優(yōu)點。中海達(dá)iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用次聲波管道泄漏監(jiān)測技術(shù)，能準(zhǔn)確迅速發(fā)現(xiàn)泄漏，并確定油氣管道泄漏位置。iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的推出和應(yīng)用，必將大大提高管道泄漏監(jiān)測的性能和質(zhì)量，為管道的安全運行提供強有力的保障。

二、iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要設(shè)備有：ACU(acoustic controller unit)、泄漏監(jiān)測服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

1.ACU終端

ACU終端安放在站場或閥室、控制室，主要功能是采集次聲波信號并傳輸?shù)叫孤┍O(jiān)測服務(wù)器，能夠通過管道內(nèi)流體采集聲波信號，將信號進(jìn)行調(diào)理，通過GPS授時完成系統(tǒng)的同步采集，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ACU會實時顯示站場的次聲波信號波形，便于人工分析和處理；同時，通過先進(jìn)的信號處理和模式識別方法判斷該聲波信號是否為泄漏信號。ACU還具有自檢功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測傳感器、GPS等設(shè)備的工作狀況。ACU終端包括次聲波傳感器、GPS和信號處理機等部件。

2.泄漏監(jiān)測服務(wù)器

泄漏監(jiān)測服務(wù)器由硬件和軟件兩部分組成。硬件一般使用高性價比、高穩(wěn)定性的PC服務(wù)器；軟件是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的iSafe管道泄漏監(jiān)測軟件。

該服務(wù)器主要是將不同地點的ACU數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，通過軟件與ACU通信，建立并維護(hù)各ACU的通信信道；利用各GPS時鐘信號對其發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確時間同步。系統(tǒng)軟件可從SCADA系統(tǒng)獲取流量、壓力、在線密度等參數(shù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，降低誤報率。系統(tǒng)軟件處理和識別各ACU的次聲波數(shù)據(jù)，判斷管道是否發(fā)生泄漏。依據(jù)管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及次聲波信號到達(dá)各ACU的時間差，計算泄漏位置。

系統(tǒng)軟件具有自動診斷功能，能夠?qū)嚯娮詥樱瑢νㄐ沛溌贰⒙暡ú杉PS等模塊進(jìn)行自動診斷、報警、提示。人機界面可查看系統(tǒng)的具體參數(shù)，如果系統(tǒng)工作不正常可發(fā)現(xiàn)出錯部位及原因。

3.通信系統(tǒng)

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)使用計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。ACU的次聲波數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到泄漏監(jiān)測服務(wù)器，監(jiān)控終端與泄漏監(jiān)測服務(wù)器也通過通信網(wǎng)絡(luò)相連接。iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)通常直接使用管道SCADA系統(tǒng)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)。為保證網(wǎng)絡(luò)通信可靠性，建議系統(tǒng)通信使用已有光纖網(wǎng)絡(luò)。

4.軟件接口

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)、人機界面及其他第三方軟件采用OPC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可通過OPC接口從SCADA系統(tǒng)獲取壓力、溫度和流量等數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，降低誤報率；可通過OPC接口向人機界面軟件，如Citect、IFix和Labview等提供系統(tǒng)運行狀態(tài)及管道泄漏報警燈信息，用戶在人機界面的各種操作也通過OPC接口傳遞給iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)核心模塊；支持通過OPC接口與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，具有高度的靈活性，包括負(fù)壓波法管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、管壁聲波預(yù)警系統(tǒng)、管道光纖預(yù)警系統(tǒng)、模擬仿真系統(tǒng)等。

5.其他組件及要求

每個ACU都包含1套GPS，因此需要安裝GPS天線，GPS天線需要安裝在屋頂?shù)刃l(wèi)星信號無遮擋的位置，同時GPS天線都包含1個GPS避雷器，防止GPS受到雷擊而損壞；包含1個低噪聲直流電源，采用220 V/50 Hz交流電作為輸入，輸出24 V直流電源給ACU、傳感器等設(shè)備進(jìn)行供電；信號鏈路上包含浪涌保護(hù)器，防止瞬時傳輸信號線的浪涌電壓，從而保護(hù)后級電路不受到浪涌電壓的損壞。

室外設(shè)備的防爆等級為ExdIIBT4，防護(hù)等級為IP67，也根據(jù)現(xiàn)場使用要求定制。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.高靈敏度次聲波傳感器技術(shù)

次聲波傳感器是油氣管道在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，能真實地檢測出聲發(fā)射源的所有信息。

此外對于長距離油氣管道，泄漏次聲波在到達(dá)監(jiān)測終端前需要沿著管道進(jìn)行長距離傳輸。經(jīng)過傳輸介質(zhì)的衰減和吸收，次聲波信號強度十分微弱。為降低系統(tǒng)的漏報率，必須研制高靈敏度的油氣管道泄漏次聲波傳感器，以實現(xiàn)管道不停輸狀態(tài)下，可靠地獲取油氣管道的次聲波信號。

2.高精度時間同步技術(shù)

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)利用GPS/北斗的PPS脈沖信號對ACU采集的次聲波信號進(jìn)行高精度時間同步。利用GPS/北斗的同步信號進(jìn)行分布式時間同步具有同步精度高、費用低等優(yōu)點。經(jīng)測試，該系統(tǒng)最大時間同步誤差不高于1 μs，技術(shù)優(yōu)勢明顯。

3.次聲波信號處理技術(shù)

對于管道運行過程中的背景噪聲和管道操作過程中產(chǎn)生的各種干擾，iSafe系統(tǒng)采用譜減法濾波和自適應(yīng)次聲波傳感器陣列等多種方法進(jìn)行噪聲抑制。

管道內(nèi)背景噪聲是變化比較緩慢的信號，該系統(tǒng)具有的背景噪聲估計算法可有效地跟蹤管道運行過程中的背景噪聲變化。在有效估計到噪聲頻譜參數(shù)的情況下，系統(tǒng)采用譜減法濾波進(jìn)行背景噪聲抑制，具有明顯的效果。

對于啟停泵、開關(guān)閥等管道操作干擾，該系統(tǒng)采用次聲波傳感器陣列技術(shù)進(jìn)行處理。該技術(shù)在管道上同時安裝多個傳感器，并行采集次聲波傳感器信號。多個次聲波傳感器構(gòu)成陣列，干擾信號通過自適應(yīng)陣列信號處理方法得到有效抑制。

4.信號檢測技術(shù)

iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別器實時處理并識別管道的運行狀態(tài)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是強大而靈活的統(tǒng)計模型，能有效地描述復(fù)雜的信號模型。iSafe系統(tǒng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來描述泄漏次聲波及各種干擾信號，解決了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型訓(xùn)練、實時識別，以及在針對實際管道的運行優(yōu)化等一系列問題，從而提高了系統(tǒng)識別微弱信號的靈敏度，降低了誤報率。

四、應(yīng)用案例

某石油技術(shù)服務(wù)有限公司針對19條油氣混輸集輸干線設(shè)計了iSafe次聲波泄漏檢測系統(tǒng)，并以其中的一條管線作為測試段，測試系統(tǒng)性能。測試管段基本信息見表1。

表1 紅河油田油氣混輸管網(wǎng)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)

該測試管段為油氣混輸管道，含氣量為20%左右，有較大幅度的波動。油氣混輸管道輸送不穩(wěn)定、噪聲較大，給管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本次測試的目的是了解iSafe次聲波泄漏檢測系統(tǒng)在未調(diào)試優(yōu)化情況下在油氣混輸管道的監(jiān)控性能。測試過程中，通過切換管道輸送流程模擬管道泄漏。整個測試期間，iSafe系統(tǒng)對紅一聯(lián)和紅一轉(zhuǎn)站內(nèi)各種操作和泄漏進(jìn)行了有效的監(jiān)測。

測試結(jié)果表明，iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)在未經(jīng)調(diào)試及參數(shù)優(yōu)化條件下，可以成功檢測到模擬泄漏，等效最小可測泄漏孔徑約5～15 mm；且能成功監(jiān)測到紅一聯(lián)站內(nèi)3＃螺旋板式換熱器泄漏及后續(xù)流程切換及換熱器搶修等事件，驗證了iSafe對多相流油氣混輸管道泄漏監(jiān)控的靈敏性、有效性、可靠性和準(zhǔn)確性。

五、結(jié)束語

中海達(dá)iSafe次聲波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用了高靈敏度次聲波傳感器、高精度時間同步、信號處理和信號檢測等多種先進(jìn)技術(shù)，具有檢測靈敏度高、定位精度高、反應(yīng)速度快、誤報率低等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于原油管道、成品油管道、天然氣管道、化學(xué)品管道和水管道的泄漏監(jiān)控。

(本專欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)