長距離輸油氣管道泄漏監測與準實時檢測技術研究

鄭恩文

摘要：在實驗研究基礎上，采用巴特沃茲濾波方法去除信號中的噪聲干擾，將基于傅立葉方法的故障診斷方法引入長距離輸油氣管道泄漏監測與準實時檢測技術中，對可以反映油氣的泄漏壓力信號的相關特征向量指標進行了系統研究。該方法對實驗得到的壓力信號進行快速傅里葉變換，解決了對時域信號向頻域轉化的難題，進而通過對加窗后重構的新序列進一步分析，就能根據不同頻域內的特征向量值完成對產生泄露原因的識別。并在后期的實際應用中取得了相對較好的效果，同時在上述研究基礎上，對總結油氣管道泄露檢測與準實時檢測技術進行分析，為該技術的進一步發展與完善提供指導性建議。

關鍵詞：巴特沃茲濾波方法;傅立葉方法;泄露監測;快速傅里葉變換。

中圖分類號：TE973.6 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0020-05

油氣運輸中的管道泄漏現象，不僅會造物質損失和污染環境，更加可能帶來十分重大的人員傷亡。然而近些年來，相關的油氣管道泄漏事故卻多有發生，故而為了更好的對管道安全運行加以保證并且將油氣泄漏事故所帶來的危害降低到最小，油氣泄漏檢測技術快速成為近年來工程研究的重點項目。

眾所周知，長距離油氣泄漏的管道檢測技術是一項涉及到多個領域的跨學科復雜課題-引，其具體涉及到熱力學、流體力學、信號學、檢測學、傳感技術、信號處理、微弱信號檢測等多個相關學科方向，是近年來冉冉升起的學術要點，更是學術難點。

1長距離油氣輸送方式及調節

通常所說的長距離油氣輸運方式指的是，沿著油氣輸運管道的各個泵站與泵站，以及管道與泵站之間的關聯關系。由于相鄰的兩個泵站之間的連接方式各不相同，導致設備的選擇、泵站內的工作流程、管理水平以及水平也均不相同。而長距離油氣的輸運方式通常有三種，一般可以歸結為，旁接油罐、通過油罐以及從泵到泵（圖1）。

1）這里所說的旁接油罐油氣運輸方法，指的是當上一泵站來油氣時，油氣將會同時進入到油氣泵或者油罐，也就是油罐與主要油氣干線呈并聯關系。基于這樣的設計，如果相鄰的兩個泵站的油氣量較為均衡的時候，油氣罐內部的液面則相對平穩，可以使得罐內因蒸發而帶來的油氣損失減少，而當上下兩個泵站之間的輸運量不能保持平衡的時候，油氣罐就可起到一個緩沖的作用。

2）通過油罐的油氣輸運方式則通常是指，當上一泵站有油氣進入罐內后，油氣泵再由油氣罐內部抽取油氣，并且經過加壓后將其輸運到下一個相鄰的油氣泵。在上述通過油罐的輸送方式下，多個油氣罐則可以在數量無法保持不平衡的時候起到一定的調節作用，同時又可以將油氣管路中在輸運過程中帶來的部分空氣排出，這樣就可以起到沉淀大量雜質的效果。然而，考慮到油氣罐內流體在運輸過程中會受到劇烈的擾動，將會導致因蒸發帶來大量的油氣損耗。綜上，該種輸運形式被較多的使用在投產過后的試運行階段中，這是由于該階段下整個運行機構尚且無法很好地協調，故而各個泵站間的輸運量的相對波動是很大的，在這種情況下，油氣罐可以起到一個很好的緩沖的作用，同時，上一泵站的來油在罐內可以進行雜質以及空氣的排放，這將進一步保證泵站內的設備可以相對安全的運行。在此前前提下，當全部運輸線上各個環節均達到協調后，即可以將油氣輸運方式更改為從泵到泵或者旁接油罐。

3）最后，從泵到泵的的輸送方式通常是指，將相鄰泵站中的通過上一泵站的所來油氣全部輸運到下一油氣泵中。其中，運輸線路中的相鄰泵站之間的輸油泵則應用密閉輸送，即接力傳送。這樣的設計使得運輸線路結構更加簡單，因此就可以避免油氣經過中間的泵站時帶來的的蒸發損耗。

在旁接油罐以及通過油罐這兩種輸運方式中，每一個泵站以及與其相鄰的下一個泵站間的油氣管道均可以形成一個獨立的水力機構，這樣使得各個泵站在很短的時間內就可以各自調整內部的多個運行參數，同時不會對其它的泵站造成直接的影響。這體現了，分布在主油氣線路上的油氣罐帶來的緩沖作用，提高了整個管路調節的靈活性。然而，上述方式均無法在長距離的管路運輸中保證油氣輸運主泵可以以正壓來進泵。這導致每一個泵站都需要設置相應的給油氣系統，故而油氣罐存在帶來的缺陷也是不可忽略的，即導致輸運過程趨于復雜化，進而需要增加一定的操作人員，更使得經營以及投資的相應費用大幅增加。

對比來看，從泵到泵的油氣輸運方式則將所有的站與整個運輸線路的管路整合成為統一的單個動力系統，這樣各個泵站的輸運特征則僅僅受到總特征以及整體流量的影響。可以明顯看出，基于該設計下，各個站的流量將保持等量，個別泵站的進出油氣流量發生突變，則會導致其它所有的泵站流量均隨之出現對應的浮動。同時，各個泵站的進出口壓強也存在相互影響的現象，舉例來講，某一泵站的相鄰前一泵站所輸人的壓力大于兩個泵站之間的線路所耗散的壓力，那么消耗后的剩余壓力則會轉變為其相鄰的下一站的進口壓力，這將會導致下站的輸出壓力在原基礎上升高。綜上，各個站均需要設置相對可靠的自動保護措施以及自動調節系統。通過上述分析可以得出，從泵到泵的輸運方法具有能源損耗較少，工藝流程更加簡單，節省了油氣設備以及節約了人力資源的巨大優勢。然而現在我國的大部分油氣運輸過程還在繼續使用旁接油罐或者通過油罐的輸運方法。

2泄漏監測與準實時檢測的相關數學模型

2.1巴特沃茲濾波降噪方法

在旁接油罐、通過油罐的油氣輸運方式中，各個油氣罐對管道內壓力具有一定的緩沖作用，可以類比于電路中電容產生的作用，即對管道內壓力的驟然變化提供一定的濾波和降噪作用。而多個油氣罐的結構設置則使得油氣通路內部介質的壓力相對較低，經過大量計算總結得出，該壓力通常可以通過將閥組帶來的壓損與油氣罐內的流體高度壓相加得到，這將會導致基于管道壓力變化來檢測油氣泄漏的方式的要求變得更高。另一方面，考慮到輸運管道中隨機出現的工業測量帶來的干擾以及設備固有的噪聲干擾，去噪方法的提出也尤為重要。因此，本工作中經過大量的實際研究得出大量實驗數據，并基于上述數據，對應上述兩種噪聲干擾給出濾波去噪的方法：采取巴特沃茲濾波方法來過濾去除多種噪聲干擾。

巴特沃滋濾波器一的設計流程可以簡述為三個部分，首先按照油氣泵壓力具體數據及泄漏檢測具體要求來給出濾波器的對應性能參數。并在此基礎上通過巴特沃滋方法不斷逼近設定好的性能參數，也就是通常所說的確定巴特沃滋器的單位脈沖函數或者系統響應。最后，對設計的數字系統進行檢驗，監測濾波器能否達到先前制定的性能標準，如果結果并不理想，則反復修改先前步驟，直到得到符合標準的檢測結果，即完成巴特沃滋濾波器的設置。

由上述研究工作可知，本研究中對壓強數據的處理的主要是將低頻的噪聲信號過濾掉，為了起到降噪效果，采用高通濾波器，而通常研究中大多使用低通濾波器，其特性由圖2所示。

在前人的研究過程中，巴特沃茲、橢圓以及切比雪夫濾波器應用的最為廣泛，而基于對相關壓力參數的靈敏度的考慮，在眾多研究結構下，可以得出，巴特沃茲濾波器靈敏度是最好的，其次則為切比雪夫，效果最不理想的則是橢圓濾波器，同時考慮到巴特沃茲濾波器具有最低的計算階次，其可作為長距離輸油氣管道泄漏監測與準實時檢測技術研究中降噪濾波器的最佳選擇，其后我們通過Matlab軟件完成了低通濾波器向高通濾波器的轉換。

波動幅度的平方函數是上述巴特沃茲濾波方法中的重要參數，其定義式如下：

本研究中，我們應用MATLAB軟件對巴特沃滋濾波器進行編寫，并得出對油泵壓力信號進行降噪后的效果圖如下：

2.2快速傅里葉分析提取特征壓力信號

為了對長距離輸油氣管道內的油氣泄漏所引發的壓力驟然下降，和因為泵站調節等因素造成的壓力波動進行識別和區分，本文中應用快速傅里葉分析方法代替傳統的傅里葉方法，來對特征壓力信號進行重構，完成時域信號向頻域的快速轉變，并對泄露故障進行識別。

本文應用上述方法對長距離油氣輸運過程中的加速度數據和油氣泵內的壓力數據進行了處理與分析。結果表明，由于長距離油氣輸運的驗過程中各種信號的采集量均較為旁大，故而直接應用傅立葉變換會導致計算量過大，對計算機的內存和以及CPU的處理速度要求相對很高。因此，從正常輸運過程，即非泄漏過程的采集數據中截取數段數據，同時在泄漏過程中截取數段數據，并將多端不同情況下的信號進行快速傅立葉處理，是本文采用的可行且節約計算資源的處理方法。在我們的研究中窗函數中的hamming窗被應用于數據的截取，并且根據大量測試，將窗口的長度設置成69個采樣的信號點，這里為了證明在長距離有氣泄漏檢測研究中過濾降噪處理的必要性，我們在對濾波后得到的正常油氣輸運數據進行快速傅立葉轉換的基礎上，對沒有經過濾波的正常信號同樣作出快速傅立葉轉換，并將兩種情況下的計算結果進程對比，對比結果如圖5中所示。

同時，對應于上述操作，從油氣泄漏情況下的數據中截取局部數據，并對其進行快速傅立葉轉換，這部分操作也同樣使用了hamming窗，窗函數的尺度與上述操作中相等，并同樣給出濾波前后油氣泄漏情況下數據的對比分析，對比結果見圖6。

聯合觀察圖5、圖6，我們可以分析得出，在上述的兩種輸運狀態，即正常輸運和發生油氣泄漏的輸運過程中，兩種狀態下的到的采集數據的能量均集中分布于2500Hz以下的低頻率區域，然而在油氣泄漏現象較為頻繁出現的3000Hz-24000Hz頻率分布帶內則無法觀察到明顯的處理信息。通過研究分析我們得出，從長距離油氣輸運實驗中我們所檢測得到的流動加速度信號以及泵站壓力信號中，是以較低頻率的信號占據了較為重要的地位，而這些較低頻率的信號的成分卻是基本由各種各樣的噪聲信號組成的，這樣以來，研究中較為重要，且具有價值的油氣泄漏時對應的特征信號，反而由于所處頻帶較高而被能量較高的低頻信息所掩蓋，而無法正常顯示，不能得到很好的分析，也就是通常認為的信噪比較低。

而為了將信噪比例有效的提高，我們在前面的研究中采用了巴特沃滋濾波器進行濾波，較為有效的將泵站信號中低于2500Hz的各種低頻率信號消除，而后在此基礎之上使用快速傅立葉處理，對信號進行時域向頻域的轉換。如圖5中右邊的兩個經過濾波后的云圖所示，由于圖5中給出的數據是基于正常油氣輸運狀態下實驗采集得到的，在該狀態下并沒有相應的油氣泄漏現象發生，因此可以在圖中看出，在時頻分布中油氣泄漏具有發生可能的時頻區域內并不出現可觀察到的云圖成分，也就是無法提取出相應的油氣泄漏特征，這個現象同樣可說明快速傅立葉轉換所得到的結果是合理且相符于實際情況的。進一步分析圖6，泵站的壓力信號在通過濾波后于0.012處出現瞬態沖擊。對比實驗分析，這與油氣泄露產生的時間點基本符合。

3油氣管道泄露監測與自動控制系統設計

長距離輸油氣管道泄漏監測與自動控制系統具體如圖7所示。系統在監測到泄露信號之后，搜集泄露信息，并對泄露信息進行處理，進行故障報警。現場根據報警顯示確定泄露點，并進行泄露原因識別和泄露故障處理。系統檢測泄露點處理完畢之后恢復正常運行狀態。

4結語

本文針對長距離油氣輸運過程中的泄漏檢測進行了較為深人的研究，結果表明，在對長距離輸油氣管道泄漏監測與準實時檢測的研究中，直接使用快速傅立葉變換，由于各種非泄漏噪聲的低頻數據在整體能量分布上占據了主要部分，會導致信噪比降低，是無法區別提取管道泄露信息的，進而無法進行準時的檢測，在研究過程中需要通過對流動加速度以及壓力信號進行濾波降噪處理，應用巴特沃茲濾波器消除在能量上占據主要地位的低頻信號段，再聯合使用快速傅里葉變換，則能夠成功的從流體的加速度數據以及泵站的壓力數據中有效的提取出油氣泄露相關數據特征。在此基礎上，本文進一步設計了長距離油氣管道泄漏監測自動控制系統。