采用音頻控制系統的信息化蒸汽管網泄漏報警系統

朱慧峰

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)供熱系統是中國最大的熱網系統之一，其供熱管網大小管道全長近100 km，最長單管約10 km，分布在10 km2范圍內。該熱網系統主要的汽源點有煤電廠、2#乙烯水汽車間、催化余熱鍋爐等，有大小用戶上百家，規模用戶二十多家，除此之外，還包括了大量的食堂、浴室等采暖和物料支管伴熱系統。其低壓蒸汽供熱總量平均約1 100 t/h，中壓蒸汽供熱總量平均約275 t/h，其中包括4.2，3.5，1.3，0.6 MPa等幾個壓力等級的蒸汽。隨著上海石化的產業升級和原油深加工、精加工能力的不斷上升，新的化工裝置還在不斷建造，而新的蒸汽管網和伴熱系統同樣也越建越多。面對如此復雜而且越來越龐大的供熱管網系統，如何來保證這個系統能夠安全穩定的運行顯得尤為重要。靠野外巡檢工人每天去現場步行檢查來發現蒸汽管道的泄漏點，已經遠遠滿足不了日益龐大而復雜的管網系統的需要。因此，需要找到一個科學的可代替人工檢查管道泄漏的方法，并整合成為一個泄漏報警系統，以更少的人員來管理更大的供熱系統。科技的發展和新的電子技術工具的應用，為這種研究提供了可能。

1 音頻泄漏報警系統的原理

1.1 管道蒸汽泄漏的分類

蒸汽在化工裝置中的使用非常廣泛，蒸汽本身的性質就是高溫高壓，且無明火，蒸汽管道的泄漏一般可以分為4類。

(1)隱漏。隱漏也叫滲漏，這種類型的泄漏一般出現在泄漏的初級階段，大都發生在閥門、法蘭片或管道接口處。由于是非常細小的泄漏，在對管道進行巡查時基本看不出來，只有隱漏的水蒸氣和外界接觸遇冷，才會凝結出水滴滴下來。而通常閥門和管道都包裹了厚厚的保溫層，就是有水滴也大都遇到熱的管道和閥門而蒸發掉，只有很少一部分會滴下來，這類泄漏點只有非常耐心仔細地觀察才會被發現。

(2)小型泄漏。這種類型的泄漏一般發生在閥門、法蘭片墊片或管道等主體上，是由于受力不均勻，或者閥體管道接口出現細小的沙眼造成的。這類泄漏一般因為泄漏點較小，管道壓力較大，會發出比較尖銳的嘯叫聲，噴出白色的蒸汽。這類泄漏必須盡早發現，盡快處理，因為高溫高壓的蒸汽會對泄漏點產生一定的切割效應，造成泄漏點的逐步擴大。

(3)大型泄漏。這類泄漏一般出現在蒸汽管道發生小型泄漏后，沒有及時的發現和處理，造成了泄漏點的擴大；或者是蒸汽壓力管道突然遭到了較大的應力壓力沖擊，如負荷壓力突變、管道水沖擊等，使管道來不及伸縮造成的。這類泄漏一般會伴隨較大的蒸汽沖刷帶來的噪聲，同時噴出大量白色略帶透明的蒸汽。

(4)管道爆破。這類泄漏一般發生在管道接口、法蘭片連接部位，是出現較大撕裂破口或直接斷開造成的泄漏。這類泄漏破壞力大，噪聲巨大，伴隨著噴出大量透明蒸汽，需要對泄漏點立即進行隔絕處理。

1.2 音頻泄漏報警的原理

根據上文管道蒸汽泄漏的分類可以看出管道蒸汽在泄漏時的某些特征。從蒸汽的隱性泄漏來看，因為隱匿性強，不易被發現，這類泄漏危害性小，監測困難，甚至有時巡檢人員站在泄漏點面前也無法確定是否有泄漏的發生；而從小型泄漏、大型泄漏到管道爆破都有著一個共同的特性，就是在泄漏點因為壓強的緣故，在泄漏的破口處，都會伴隨著發出較為顯著的持續性強大噪聲。如果我們采用一種音頻采集設備，即類似那種偵測噪聲的電子儀器，在一片管道復雜的區域內設置一個音頻采集點，那么這個區域內無論哪根管道發生小型泄漏以上級別的蒸汽泄漏，都會觸發該儀器報警，提示巡檢人員盡快過來查找、確認、隔絕并消除泄漏隱患。那么對于一個類似上海石化這樣的供熱管網大小管道全長近一百公里的大型供熱系統，就不需要更多的巡檢人員以每天步行近100 km，來檢查該系統的每一個角落是否有泄漏的發生，不論光照是否充足，氣候或地形有多復雜，都可以時刻監測系統的每一個角落。

2 音頻泄漏報警系統的組成

音頻泄漏報警系統一般由現場檢測儀、數據比較與分析、數據傳輸和終端比較報警顯示幾個部分組成。

2.1 現場檢測儀的工作原理

音頻泄漏報警系統一般設立現場監測儀，監測儀由微型電容式麥克風和運算放大器芯片組成，而采集的觸發信號源般用分貝來表示。

分貝常用于電子系統中增益和損耗的計算，絕大多數的頻譜分析儀和網絡分析儀都是用它們校準為分貝的顯示器來顯示測量結果。分貝用功率比來定義，公式如下：

A(dB)=10lg(ρ2/ρ1)

式中：A(dB)表示分貝數，ρ1和ρ2表示兩個功率。

如果功率ρ1和ρ2是從兩個電阻器R1和R2兩端的兩個電壓得到的，則

式中：V1和V2表示作用在R1和R2兩端的電壓[1]。

在正常情況下，檢測儀是以分貝數來監測周圍情況的變化。根據上述原理，微型電容式麥克風在接收到振動或受到氣流的摩擦時，由于振動使電容兩極板間的距離改變，會引起電壓的變化。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率，并通過換算得到了我們需要的分貝數。

2.2 數據比較與分析

如果把正常情況下周圍環境的分貝數確立一個絕對值，把它稱為凈空環境噪聲。如果出現了蒸汽泄漏，就會在周圍環境產生一個高于這個絕對值的觸發信號。并且這個數值反映在電腦上是一個逐步上升或長期穩定的高于凈空環境噪聲的信號，這個信號區別于其他聲音，如汽車鳴笛和敲打聲等短時間分貝數高于絕對值所觸發的信號，具體如圖1所示。

圖1 泄漏噪聲在環境噪聲中的表達

在正常無泄漏情況下，儀器收到的是只有凈空的環境噪聲。在蒸汽泄漏開始后，在某個泄漏時間點出現了泄漏噪聲，因為泄漏點壓強與金屬強度達到一種平衡，蒸汽泄漏的噪聲也會達到一定的恒定。隨著時間的推移，金屬強度不足以長期支撐蒸汽的壓強，破口將會逐步擴大，泄漏的噪聲也隨之變大。

而在現實情況中，大部分蒸汽管道并不處在絕對值信號相對較為弱小的情況下，也就是說相對環境比較嘈雜。在原本嘈雜的環境下如何測量到我們需要的分貝數，用來區分到底是環境噪聲還是泄漏噪聲。在這里引入了噪聲消聲原理。

2.3 自適應干擾對消

自適應干擾對消器由自適應濾波器與求和器組成，它有兩個輸入，主輸入也就是真正的蒸汽泄漏信號源輸入P，另一個是基準輸入R。I是干擾信號，Y是有用信號。當自適應濾波器的輸出Y與I等幅相同時，則干擾完全對消。當平衡破壞時，則有干擾輸出，誤差信號ε=I-Y的控制下，按照均方誤差準則改變自適應濾波器參數使平衡條件再次恢復達到干擾對消的目的[2]。自適應干擾對消原理如圖2所示。

圖2 自適應干擾對消原理

2.4 音頻相位對消消聲法

相位對消消聲法廣泛使用在音樂音頻軟件制作處理中。在正常情況下，泄漏聲源I是沒有的，我們接收的都是干擾聲源R，而干擾聲源R同時進入了相位延時器和信號比較處理器。聲音從本質意義上說是一種有頻率有振幅的聲波，高音部分頻率高而密集，低音部分頻率低而緩慢。而任何聲音發出的頻率和功率都是不同的，正如每個人發出的聲音，都是由各自的頻率功率組成的自己特有的聲紋，無法替代。所以，要消除某種干擾聲源，在電子聲波工藝處理上就要模擬出與之相反的聲波電子脈沖波形來對沖抵消，該聲波電子脈沖必須要盡量和原來的干擾聲源的聲波電子脈沖在功率、頻率、振幅等方面的參數基本相同，但方向相反才可以。我們采用的方法是無論干擾聲源有多么復雜和獨特，不需要進行建立新的模擬對應的功率、頻率、振幅，在不改變干擾聲源的功率、頻率、振幅的情況下，通過相位延時器，把干擾聲源頻率相位延滯了180°。那么干擾聲源R在通過了相位延時器后變成RY，干擾聲源還是原來的干擾聲源，功率、頻率、振幅都不會改變，只是相位延滯了180°，工作情況如圖3所示。

圖3 相位延時消聲儀工作情況

當泄漏聲源I和干擾聲源R混合轉換成一個IR的電子信號進入信號比較處理器后，和經過遲滯后的信號RY進行相位比較對消，通過波形來顯示干擾效果，具體見圖4。

圖4 干擾聲源對消效果

從圖4可以看出：虛線部分是延滯后的對消聲源，正是因為使用的對消聲源來源于干擾聲源的本身，所以除了相位不同，頻率振幅甚至功率也是一模一樣的，才能利用干擾聲源來消除干擾聲源的目的。

3 數據采集、識別、比較和音頻工作范圍測量

3.1 原始數據樣本的采集、識別與比較

如果得到一個音頻，要判斷分析該音頻是否是蒸汽泄漏狀態下的音頻數據，那么環境音頻原始數據就顯得非常重要。首先要在音頻監測系統安裝使用前，采集各個安裝地的音頻數據，建立一個音頻樣本特征庫，也就是圖3中的干擾聲源R。該音頻樣本特征庫數據包括：正常情況下的環境音頻樣本特征、風雨天環境音頻樣本特征、晚間環境音頻樣本特征等。在樣本特征庫建立以后，當一個音頻信號IR輸入，判斷它是否是泄漏狀態，可以通過圖5的運作模式，進行數據信息的提取、識別和判斷[3]。

圖5 信息提取和識別

在圖5中，當環境音頻輸入后通過A/D轉換，提取到該音頻的信息特征，并將該音頻的信息特征與該地已經采集到的音頻樣本特征庫數據進行比較。當有異常數據和樣本庫數據不匹配時，就表示該地有異常聲音出現，如果數據是短時間出現異常，稍后數據恢復正常，那么有可能是汽車、人的行為，機械工作造成的聲音干擾。而蒸汽泄漏的聲音不會只在短時間出現，而是隨著時間的推移，泄漏破口會逐步加大，聲音特征比較恒定，且將會越來越大。根據這個蒸汽泄漏聲音的特性，可以通過計算機識別判斷，將有可能的泄漏點信號輸出到終端顯示上，以提醒有關人員進行相關的檢查隔絕操作。

3.2 音頻設備的數據采集和實際工作范圍測量

以上海石化某個1.3 MPa的蒸汽管道為例，以疏水器排放來模擬管道泄漏產生的噪聲，通過手持式工業級數字噪聲計，測得凈空環境噪聲為：模擬人耳61.4 dB，機械噪聲68.6 dB，對于零距離排放噪聲，把疏水器開啟程度調整到100 dB。然后每間隔1 m，分別測量模擬人耳和機械噪聲的衰減程度和最大有效噪聲監測距離。比較情況見表1。

表1 不同距離下模擬人耳和機械噪聲情況

從表1可以看到：在前3 m距離音頻噪聲衰減較快，但是越往后，隨著距離的加長，噪聲衰減的較為緩慢。到了距離噪聲源30 m的地方還能可靠地測量到清晰的噪聲。這是單方向的噪聲檢測數據，也就是說如果在距離泄漏點30 m的距離設立一個噪聲檢測點，可以清晰地偵測到檢測點前后左右直徑為60 m范圍內的所有蒸汽泄漏的聲音。這是手持式的數字噪音計測量的結果，如果是采用固定式的噪音計，靈敏度會更高，測量的距離將更遠。

4 音頻檢測設備安裝點分布、數據傳輸及投資估算

4.1 音頻設備安裝點分布與數據傳輸

音頻檢測設備的安裝相對簡單，價格非常便宜，但調試比較復雜。以上海石化的蒸汽管網系統為例，雖然整個蒸汽管網長度將近100 km，但大多數管道是由許多根蒸汽管、伴熱并排安裝在一些統一的龍門桁架上。管道鋪設集中，且管道之間距離較近，在這種管道之間安裝一個音頻檢測點，可以同時檢測該范圍內的多根管道的泄漏情況；也可以在管道、焊口、閥門、法蘭片、彎頭補償器等密集且容易泄漏的地方安裝檢測點；在一些地形復雜、距離較遠，平時巡查不易、攀爬不便的地方，比如在桁架高處的管道設置安裝點；而在一些多為直管不易泄漏的地方，或者在巡查方便的地方，少設置或不設置檢測點。在安裝時，主要是做到防雨防潮，而且要有電源，可以適當借用化工裝置的電源、儀表電源、采用太陽能面板、蓄電池等電源。在安裝好音頻監測點以后，在某些不易攀爬或危及巡查人員安全的位置，也可以配合安裝監控攝像頭一起使用，在音頻泄漏報警以后，及時調閱監控攝像頭來查看是否有蒸汽泄漏冒煙情況發生，以盡快消除安全隱患。

對于數據的傳輸，一般的化工企業都有固定的儀表信號傳輸管道路徑和儀表小室，可以借用。在儀表小室安裝數據分析中繼點，及時分析比較樣本數據庫，排除干擾數據，把有效的數據傳回終端電腦。因為大多數誤報數據、干擾數據已經在前期通過了樣本比較和干擾對消等消聲處理，因此實際需要傳輸的數據并不是很多，所以對數據傳輸的要求不是很高，也可以通過一般的有線或無線信道來傳輸。還有一種方法是在終端電腦設立樣本數據庫，所有的數據通過電信部門或移動數據網絡定時定期傳輸上來，而現在大部分的噪聲傳感器都被設計制造成這種自帶無線數據上傳功能。一旦有泄漏發生，音頻檢測點就會將接收到信號并傳輸，在終端電腦統一進行對比判斷所接受數據，會根據報警數據比對分析，找出真正的泄漏報警信號，通過發送過來的檢測點的位號，找到泄漏位置。

4.2 音頻設備投資估算

根據表1，通過實地檢測得到的數據，我們知道噪聲檢測儀的有效檢測直徑是60 m。而上海石化供熱管線單管最長不超過10 km，總的分布范圍不超過10 km2，管道主要集中在大堤路、衛六路、金一路北側等一些管廊上。根據管道主要集中走向，以及管道的重要性，去除不重要的和不易泄漏的管道或人工巡檢方便位置的檢測點，把需要檢測的管道距離以30 km為基礎檢測長度來計算，大概需要安裝500個噪聲檢測儀。以某品牌掛壁式高靈敏度噪聲傳感器為例，該噪聲傳感器測量范圍30～130 dB，分辨率0.1 dB,具有GPRS/4G無線信號傳輸功能，運營支持中國移動、中國聯通2G/3G/4G手機卡,并具有防水外殼，價格在400元左右。500個噪聲檢測儀的成本約為20萬元，如果以所有數據傳回終端進行比較和干擾對消，購置電腦等音頻處理軟件及設備需要30萬元，再加上軟件開發、設備安裝調試費用，總投資在150萬元左右。

5 音頻監測系統的利弊與未來展望

如果視頻監控是人類眼睛的視力的延伸，那么音頻的監測就是耳朵聽力的延伸。音頻監測對蒸汽管道系統的泄漏能夠起到有效的長期的監控作用，降低操作人員的勞動強度，提高員工工作的安全性。同時在大型化工企業內，只要是壓力管道、壓力容器，如乙烯管道、氫氣管道都可以進行泄漏有效監控。因為這些壓力管道和壓力容器如果出現泄漏，都會因為壓強的原因，在破口處發出較大的噪聲。因此，在安裝蒸汽管道的音頻監控的同時，也對在監控點附近的其他壓力管道和容器的運作，起到了實時的泄漏監控的作用。但與此同時，音頻監測存在最大的問題是對非管道泄漏所造成的干擾噪聲的消音處理。外在的自然界天氣聲音、機動車的鳴號、人為的室外工作的機械聲、電動機運轉聲等，都會對音頻監測的準確性造成誤判。所以，消音設備和軟件要時常進行更新，找出更多的聲音樣本進行比對，以消除誤報警。同樣，也可以根據管道泄漏的聲音特征，如聲音持續時間長、變化不大、且只會越來越響等特性，從軟件開發比對上來區別其他等雜音。可以根據更加先進的音頻的頻譜測量，來進行超過了耳朵的感知范圍聲音的監測，以發現一些大型高速運轉的機械設備，在出現細微的金屬疲勞或內應力變形時，發出各種我們無法聽到的次聲波異響，從而對設備的安全運行情況進行早期有效的干預，確保設備安全。