管道流量泄漏计算机监测及算法实现

文章编号:1008-0570(2009)02-3-0263-03

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管道流量泄漏计算机监测及算法实现

computer detecting system of pipeline flux leak and its algorithm

（塔里木大学）

周鹏

ZHOU Peng

摘要:针对管道流量泄漏和管网突发性的爆管, 设计基于GSM 下远程泄漏监测与定位系统, 由管网监测终端实时采集管网流量、流速、流向和压力, 通过GPRS 网络实现远程数据传输, 综合运用负压波和流量监测法进行泄漏模式识别与漏点定位, 可及时、准确的发现和定位泄漏点。

关键词:泄漏监测; 定位; 管道流量; 工况分析中图分类号:TP393文献标识码:A

Abstract:Aiming at the feature of the underground booster and leakage of the pipeline flux, a remote leakage monitoring and locat -ing system based on GSM is developed .The parameters of pipeline network , i.e. flow, velocity, direction and pressure are collected by monitor terminal , the data transmission is realized by GSM network . with the signal processing methods , such as negative Press wave and flow detecting, accurate and prompt positioning of leakage location can be detected. The system can not only realize the leakage detection of low cost, networking by GPRS network but also provide a emergency platform of pipeline network. Key words :leakage monitoring; leakage locating; pipeline flux; working status analysis

1引言

随着西部油气田和海上油田的开发，大量的油气输送管道需通过人烟稀少的沙漠、沼泽或海底，一些输送站因位置偏远、分散，需解决输送站之间及输送站与中心站之间的数据通信问题。由于待接入点所处地理位置的特殊性，如采用有线局域网，不仅施工难度大，线路容易损坏，并且一次性建设投资大。而采用电话线作传输媒介，有速率低、误码率高和线路可靠性差等问题，不能达到输送管道泄漏检测系统传输实时数据的要求。近年来无线局域网技术（WLAN ）的发展和相关设备逐步成熟，为输送站和中心站联网提供了较为理想的解决手段。鉴于此, 研究管道流量泄漏在线监测与定位系统, 其采用智能监测终端监测管网节点流量、流速和压力, 通过GSM 无线网络将各网点数据不断送达监测中心系统, 并对管网检测参数进行计算、分析, 判断管网中是否有泄漏出现。流体介质在管道中传输时, 呈现出不同的参数特性, 在传输工况和管道状况维持不变的情况下, 管道首末端的参数(压力、温度、流量) 应维持在一定范围内波动; 如果管道状况发生变化(主要由于泄漏造成), 将打破这一平衡状态。根据此原理, 管道泄漏计算机在线监测系统在输送流体介质的管道首末两端, 采集管道中流体的监测信号; 然后根据信号的波动变化情况进行管道泄漏的在线检测乃至对泄漏点的定位。

测仪、系统计算机和数据通讯链路四部分组成，图1是系统总体构成示意图。在管道首末两端分别安装固定位置的压力、流量、温度传感器。在线采集每一时刻管道内通过流体的监测信号, 并将处理后的实时监测数据通过交叉网线传送到本站的上位计算机中, 供给系统实时分析。同时, 上位计算机利用本站数据与对方站上位机传送过来的数据进行工况分析, 根据逻辑判决结果与基于统计的比较, 确定是否发生管道泄漏。为保证不同物理地点采样的时间同步性, 首末两站下位机各安装一套GPS 接收装置, 负责对采样时钟校时。管道泄漏计算机在线监测系统软件采用模块化结构。

技术创新

2.2数据采集系统软件设计

2系统结构设计

2.1系统硬件结构

管道流量传输整个监测系统由放置在输送站和接收站的两套装置组成，每一站的装置包括信号采集器组、管道状态监周鹏:硕士副教授

基金项目:基金申请人:周鹏王伟; 项目名称:智能化仪表流量与泄漏在线监测及仿真技术的研究; 基金颁发部门:兵团科技局

图1系统总体设计示意图

管道泄漏计算机在线监测系统采用一些新的技术和算法, 例如一种基于小波变换的故障检测方法, 分布式采样系统时间同步技术。整个系统软件以Windows2003作为平台，结合Mat -

lab 工具、高速数据采集卡动态链接库的优点，由软件开发工具

VB 完成各个功能模块的调配控制和实现。对于高速数据采集

系统而言，主程序是系统的核心管理模块，主要利用操作系统的多任务性，实现程序对整个系统任务进行调度，使得程序能

(GG200715);塔里木大学校长基金青年资助项目(TDZKQN05002)

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正常、有序、稳定地工作，方便管理人员进行操作。系统管理模块主要是用来设置采集卡的参数，数据管理模块利用F9801高速瞬态记录仪对外部传输来的信号进行准确快速地采集，保证后续数据处理的实时性和准确性并完成将采集卡采集的数据转换成可方便处理的二进制代码文件和数据库源文件。数据分析模块是整个系统的核心模块，解决信号的处理与识别工作。

《微计算机信息》(管控一体化)2009年第25卷第2-3期

于压力波速

和时间差Δt 的取得。由于系统的所有数据都由

计算机进行采集和处理，可求得泄漏点的定位公式为：

(3)

式中奇异点

的位置差(km)；

:采样时间(s)。

考虑管内液体流速对声波传播的影响，修正定位公式，引入管内流体流速u 。有以下方程：

3管道泄漏监测与定位

3.1瞬态负压波的产生机理

当流体输送管道因机械、人为、材料失效等原因发生泄漏时，其泄漏部分立即有物质损失，这引起故障场所的密度减小，压力下降，由于连续性，管道中的流体不会立即改变速度，流体在泄漏点和相邻的两边区域之间的压力差导致流体从上下游区域内向泄漏区填充，从而又引起与泄漏区相临的区域的密度和压力的降低。这种现象一次向泄漏区上下游扩散，这在水力学上成为负压波。沿管道传播的负压波包含有关泄漏的信息，由于管道的波导作用，它能够传播数十公里以上的较远距离。在管道两端安装的压力传感器捕捉到包含泄漏信息的负压波，就可以监测出泄漏。由负压波的传播速度和管道始末两端压力

将上式代入式（2），得到修正负压波定位公式

(4)

(5)

无论是对负压波速的修正还是对定位公式的修正，其目的均是为了减小由负压波波速和管道上下游分别捕捉到负压波到达的时间差Δt 定位引起的误差，以提高利用负压波进行泄漏点定位的准确性和可靠性。

3.3定位算法分析

计算机在线监测系统首次采用基于工况分析的逻辑判决故障检测算法, 只要确保系统在正常运行工况下启动, 就可以对输油管道进行连续的在线检测。计算出以样本统计均值为中心的各物理量检测值初始分布区域, 并以下一时刻检测信号落入该区域的概率来判别管道是否发生异常变化。如果下一时刻检测到的数据, 满足在附近某一定值窄幅波动的条件, 则将该数据保存到标准样本库, 并使用该数据修正各物理量的概率统计参数; 否则不保存也不修正。计算出任意满足参数修正条件时刻的最新统计参数，随着修正次数的增加, 利用以前数据得到的参数加权系数会越来越小, 因而可实现动态更新功能。依据现场工况变化的频繁程度, 可以调整A,B 的权值来实现更新参数的快慢。依据最新修正后的各物理量概率统计参数, 计算出一个以新的统计均值为中心的判域, 结合不同工况下各检测信号变化的特征, 可以准确判断管道是否发生泄漏。

在设定的检测精度下, 先计算出正常工况下首末站的压力检测数据和首末站输差(流量差) 的概率统计参数; 然后利用该参数对后续采样得到的数据进行检测, 在满足可以修正参数的前提条件下, 动态修正各物理量的统计参数; 通过逻辑判决算法判断每一时刻管道运行是否正常, 并结合定位结果综合判断故障产生原因。通常, 检测信号由确定性信号和噪声叠加而成, 其小波变换是两部分信号的小波变换之和。其中确定性信号边沿对应的小波变换的极值随着尺度的增大而增大或缓慢衰减; 噪声信号小波变换的极值将随着尺度的增大而迅速衰减。所以, 在大尺度下, 检测信号的小波变换中的极值点主要属于确定性信号的边沿, 因而可以准确提取确定性信号的边沿, 即负压波拐点。

技

术创新

传感器捕捉到的负压波到达的时间差，就可进行定位。为及时监测出泄漏，防止事故扩大，减少损失赢得大量宝贵时间，如何识别泄漏引发的负压波是提高负压波法检测准确性和灵敏度的关键技术之一。针对泄漏时压力传播现象的某些特征，可以采取适当的处理方法。泄漏所引起的压力波与人为地开关阀或启停泵时所产生的压力变化截然不同，根据压力波动的情况能比较容易判断出是否泄漏。当管线在距起点X 处发生泄漏时，该点的压力降低产生压力波动，这个压力降向首端的传播速度为

向两端传播，

-，向末端的传播速度为+。由于

泄漏而产生的压力波波动可以参照水击压力计算方法计算。由于液体流速的瞬时变化引起的压力值的变化为

(1)

式中：速度(m/s)；体流速(m/s)。

由于液体流速瞬时变化引起的压力变化；液体正常输油时液体的流速(m/s)；

突然改变后的液

的重度(kgf/m3) ；重力加速度(m/s2) ；负压波在该管路中的传播

3.2负压波泄漏监测及定位原理

负压波定位原理示意图2如示，设，为发生泄漏时刻，管道上、下游传感器分别捕捉到负压波到达时的时间(s),设为负压波传播速度(m/s),X为泄漏点到管道上游的距离(m),L为管道上下游之间的距离(m)。定位公式如图推导可得。

4现场实验结果

2007年5月8日开封仪表有限公司和新疆塔里木大学、新

图2负压波定位原理图

依照上图，由图中的已知条件进行推导：

疆新捷股份有限公司科技办联合组织第一次泄漏监测现场型式试验，克市首站管线总输量为800～1000方/小时，泄漏点位置在距离首站21公里处。试验从早上10点左右开始，到晚上7

, 最后整理得如下定位公式：

(2)

上式中为管输介质中压力波的传播速度，Δt 为上下游传感器接收压力波的时间差。

由此式可以看出，负压波用于泄漏监测与定位的关键就在

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点左右结束。主要试验泵站起、停泵和管道泄漏对管道内部状态(流量、压力等) 的影响，对克市首站和三号站的一个泵分别起、停，记录上、下游站的压力和上游流量数据。在常用运行方式下，改变泄漏阀门的开度以改变泄漏量，每次试验持续时间

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Professor, Master, Research Area:computer application teaching and scientific research.

（843300新疆阿拉尔塔里木大学农业工程学院）周鹏

(Institute of Agricultural Engineering , Tarim University , Alar Xinjing , 843300) ZHOU Peng

通讯地址：（843300新疆阿拉尔市塔里木大学农业工程学院）

周鹏

（收稿日期：2009.01.13）（修稿日期:2009.02.15）

20分钟左右，记录上、下游站的压力、流量数据；每次试验中间间隔不少于20分钟左右，以使管道建立平稳运行状态和进行下一次的试验准备, 最后改变运行方式，分别在不同的泄漏量进

行试验，记录上、下游站的压力、流量数据。

试验结果及分析：11点52分克市首站停泵，之后进行泄漏试验，至下午1点左右结束，克市首站起泵，泄漏时压力波形和流量变化如图3所示。5月8日晚克市首站试验过程中管线总输量为800～1000方/小时, 大部分泄漏量大约为总流量的1%。本次试验共进行10次，对大于0.5方/小时的泄漏量，系统在泄漏发生后2～3分钟内报警，相关分析报警在小波变换报警之后

（上接第166页）

Scenario in Powerline networks [A].Proceedingsof the4th Interna －tional Symposiumon Powerline communica -tions and its Applica －tions[C].Limerick,Ire-land,April5th-7th,2000:131-138.

祖成. VLAN 技术在电力线通信系统中应用[J].微计[3]梁荣林、

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[6]高金辉等. 低压电力线载波通信干扰因素的解决方法[J].河南师范大学学报(自然科学版),2007(05):89-92.作者简介：吴慎山（1949—），男（汉族），河南孟州市人，河南师范大学物理与信息工程学院, 教授，硕士生导师，教育部中南地区电子信息基础课程教学研究会常务理事，中国师范院校电子学会常务理事；河南省电工技术学会常务理事, 主要从事通信、电路与系统研究与教学；付会凯（1980—），男（汉族），河南长葛市人，河南师范大学物理与信息工程学院硕士研究生(新乡学院机电工程学院助教) ，研究方向为通信、电路与系统。Biography:WU Shen -shan （1949—）,Male （Han nationality ）, College of Physics ＆Information Engineering, Henan Normal U -niversity, Professor, major in Communications 、circuits and sys -tems

(453007河南新乡河南师范大学物理与信息工程学院) 吴慎山

付会凯

（453007河南新乡新乡学院机电工程学院) 付会凯

1～2分钟。泄漏量大于5方/小时的泄漏试验中，不同方法定位误差在1公里范围内，定位误差在1.4%以内。

图3试验测试图

5小结

自2007年5月系统投入试运行，能够自动排除干扰信号和识别工况变化，该系统可监测5～10立方/小时左右的泄漏量

技术创新

(约为总输量的1%左右) ，定位误差在1公里的范围内；系统能

基本上消除泵站扰动的影响。本文创新点是论文以管道流量泄漏为应用对象，将压力和流量联合判别应用于管道流量泄漏监测中，并通过捕捉压力波的突降时刻进行泄漏点的定位，采取两种搜索方法数值积分求解泄漏点位置; 运用小波变换对管道流量泄漏在线监测的基本原理和算法的实现进行研究，分析瞬变数值解法的特征线方法，对管道流量瞬变过程进行建模分析。随着我国西部大开发及西气东输工程的实施，将有大量的油气管道投入建设和运行，为将泄漏事故造成的各种危害减少到最小，需要研究泄漏在线监测技术的算法以达到更高的泄漏监测灵敏度和更准确的泄漏点定位精度，本文设计的计算机在线监测系统, 在开封仪表有限公司已经投入生产, 每年带来经济效益达1500万元, 完全符合工业现场要求，管道流量泄漏监测系统的研究和开发具有很大的实际意义和应用价值。

(TheCollege of Physics ＆Information Engineering, Henan Normal University,Henan Xin xiang 453007,China) WU Shen-shan FU Hui-kai

(TheCollege 0f Mechanical and Electrical Engineering,Xin xiang University,Henan Xin xiang,453003,china) FU Hui-kai 通讯地址：（453007河南师范大学物理与信息工程学院）

吴慎山

（收稿日期：2009.01.13）（修稿日期:2009.02.15）

参考文献

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作者简介：周鹏（1970－），男（汉族），河南信阳人，塔里木大学副教授，硕士，主要从事计算机应用方面的教学与科研工作。

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