CN1246672C - 流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法与装置，属于故障诊断技术领域，采用的方法包括检漏和定位两个方面，检漏：采用输差-压力波耦合的方法；定位，采用瞬态压力波定位方法，计算出泄漏点的位置，其装置是在首末两站安装了压力、流量、温度检测的仪表，通过两个站的下位机定时采集信号，由局域网传送到本站的上位机，首末两站上位机之间通过高速无线通信网络交换实时数据，并配以GPS全球定位校时***，两个站将接收到的数据分别实时分析处理，进行工况分析及报警提示。

Description

流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法与装置

技术领域

本发明属于故障诊断技术领域，特别涉及一种用于对流体输送管道泄漏进行检测定位的方法及装置。

背景技术

长距离流体管道因流体泄漏，可能引起起火、***、毒害等情况的发生，造成巨大经济损失和环境污染，因此管道在线无损检测技术是管道工业发达国家竟相研制的高新技术，国内外曾经研究过的管道泄漏监测与泄漏点定位方法大体可以分为两类：一类是因泄漏引起的流量、压力等物理参数发生变化的管内流量状态检漏方法；另一类是直接检测流体(油、水、气)泄漏的管外检漏或检测管壁状况法。随着计算机技术、现代控制理论和信号处理技术的飞速发展，管内流量状况检测法在输油管道的实时监测及报警技术上逐渐占据了主导地位。较为成熟的技术有以下三个：流量监测法，压力梯度法，压力波监测法。负压波监测法是近年来国际上颇受重视且在实际运用中收到了较好效果的管道泄漏监测方法，再结合输油管道的机理模型和模式识别技术，能够精确定位泄漏故障点，但其产品价格高，阻碍了其实际应用。

发明内容

针对现有流体输送管道泄漏监测技术存在的问题，本发明提供一种尽可能少的对管道运行参数进行实时采样、智能化的、抗噪声干扰的、灵敏度高的、定位准确的、可适用于各种流体输送管路的、流体输送管道泄漏定位方法与装置，它能正确区分管道正常调节和发生泄漏故障不同的工况。

本发明的装置由压力(P)、流量(F)、温度(T)检测的仪表、下位机、上位机和局域网及GPS全球定位校时***组成。在首末两站安装了压力(P)、流量(F)、温度(T)检测的仪表，通过两个站的下位机定时采集信号，通过局域网传送到本站的上位机，首末两站上位机之间通过高速无线通信网络交换实时数据。两个站将接收到的数据分别实时分析处理，进行工况分析及报警提示。下位机由滤波板、A/D转换器、计数板(I/O板)、嵌入式微机和GPS接收板组成。下位机将实时数据通过网络传至上位机。上位机以WindowsNT为操作平台，包括实时显示、历史查询、数据存储、报警处理等功能。

现场的压力、温度信号通过传感器，以4-20mA的标准信号传送到下位机的A/D转换器，流量脉冲信号传入到下位机的计数器，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，存储为本地数据文件并传送到首站的数据库中，以备分析。

本发明装置各部分功能如下：

1)现场信号传感变送部分：主要是由高性能压力传感器和温度传感器，磁电式脉冲型流量计组成，负责将管线中的运行参数采集并传送；

2)信号转换电路A/D：信号转换功能由A/D转换板完成，A/D转换板为24路每路12位A/D转换器，转换时间10μs，采集速率高达50次/秒以上；

3)下位机：高可靠性的工业控制计算机，可以进行较大数据量的处理，它是***软件完成各项功能的基础；

4)上位机：收集本地下位机上传的数据，互传异地上位机收集的数据，分析工况；

5)高速无线通信网：高速无线以太网，微波传输；

6)GPS全球定位校时***：由一套卫星天线和GPS智能卡组成，可以准确无误地将多个数据采集***的***时钟同步起来，确保三点的数据采集为同一时间。

本发明是用智能传感器把压力、温度、流量信号送给滤波板电路滤波后，通过A/D转换板和计数板以中断方式采集数据传到上位机进行处理、分析和曲线的显示。然后把两个上位机处理后的数据通过微波网互传到对方工作站进行诊断和定位。

本***的软件运行环境为NT SERVER或NT WORKSTATION***。软件部分主要包括数据采集与处理、网络传输、界面显示、报警处理、数据库管理、数据分析等。

1)数据采集：***将经过硬件转换电路转换以后的数字信号采到软件模块里；

2)网络传输：各子站数据通过网络传送到主站的计算机中；

3)界面显示：将采集到的压力、流量温度信号显示成实时曲线；

4)数据分析：分析最近一段时间的数据，通过输差曲线和负压波曲线相结合，判断***是否正常工作；

5)报警处理：接到数据分析的报警标志以后，对本次的报警数据进行排序、存盘，自动记录泄漏时的曲线特性，以区别站内卸油、站内倒阀门调排量时的曲线特性，逐步形成一个逼近真正泄漏曲线的数据库。普通情况的数据只需存储一定的时间(时间可以由用户自己设定)即可。并且可以提供声光报警，***会弹出相应的报警画面、显示报警数据，并打印报警曲线，以此来提示值班工人。

6)***功能设定模块：为用户提供一个CGI接口，完成一些可以由用户设定的功能，如：曲线量程、时间范围、曲线标识、打印等；用户可以进行报警数据列表查询，对报警时的压力、流量、输差历史曲线进行回顾、打印等操作。

本发明的方法包括信号采集、检漏和定位三个方面。信号采集，在管道两端各安装压力、流量、温度传感器及下位机***，实时采集并通过网络向上位计算机传输流体输送管道运行时的状况信号。检漏，采用输差—压力波耦合的方法，通过计算机实时计量管线两端的流量并计算出输差，对输差瞬间变化趋势进行分析，利用产生泄漏这一段时间内的输差曲线计算出漏失量。定位，采用瞬态压力波定位方法，计算出泄漏点的位置。利用GPS技术确保首末端下位采样计算机的时钟相同和首末端数据采集同步；利用小波变换，从噪声当中准确地提取出泄漏压力波信号序列的对应特征点，精确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的时间差。管内压力波的传播速度，采用模糊-神经网络技术对波速公式进行在线修正，建立工况知识库和波速估计模型，实时计算波速。用瞬态压力波定位方法和输差检漏法相耦合的办法进行分析。有效地降低了误报率，提高了***的准确性。

输差检漏法主要是根据油气储运理论中管线的输入量之和等于管线的输出量之和的原理。但实际上，进出口瞬时流量一般是不平衡的，原因在于流体的可压缩性、温度影响、流量计计量误差等多种因素。在正常情况下，这几方面所导致的输差是比较稳定的。如果出现输差的较大上升，输差的稳定状态就被破坏，就可大致断定管线有异常情况发生。通过计算机实时计量管线两端的流量并计算出输差，对输差瞬间变化趋势进行分析，就可以发现异常的流量损失。但由于现场工艺操作，如调阀，加压等过程中经常会导致输差上升，其现象与泄漏相似，因此，单纯采用输差检漏法会导致频繁的误报警。为了提高***报警的可靠性，我们结合压力波监测方法，提高了***报警的准确性。此外，还可以对产生泄漏这一段时间内的输差曲线计算出漏失量。当管道发生泄漏时，泄漏点处由于管道内外的压差，流体迅速流失，压力下降。泄漏点两边的流体由于存在压差而向泄漏点处补充，这一过程依次向上下游传递，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波(减压波)。当负压力波传递到首末两站时，产生压力传感器采样值的下降，压力采样值开始下降的时刻，称为压力拐点产生的时刻，该点称为压力拐点。例如压力波在原油中传播的速度一般为1000~1200米/秒左右，只要管道两端的压力传感器准确地捕捉到包含泄漏信息的负压波，就可以监测出泄漏，并能够根据负压波传播到两端的时间差和压力波的传播速度进行定位。该方法具有很快的响应速度和较高的定位精度。定位公式为

$X=\frac{L-V*\mathrm{\Δt}}{2}$

其中：X-泄漏点距起始端的距离，m；

      L-管线全长，m；

      Δt-压力曲线拐点的时间差，s；

      V-压力波波速，m/s；这类方法都是基于管输介质中压力波的传播速度V为定值这一前提作出的，V决定于管壁的弹性和液体的压缩性，国外针对热输流体管道的研究较少，国内的研究也均忽略了V的变化。事实上随着管道中流体温度的变化，密度和液体的压缩性也会有所变化，V并不是一个定值。应用上式作定位计算会带来一定的误差。管内压力波的传播速度决定于液体的弹性、液体的密度和管材的弹性：

$V=\sqrt{\frac{K/\mathrm{\ρ}}{1+\left[(K/E)(D/e)\right]C_1}}$

式中：

V-管内压力波的传播速度，rn/s；

K-液体的体积弹性系数，Pa；

ρ-液体的密度，kg/m³；

E-材的弹性，Pa；

D-管道直径，m；

e-管壁厚度，m；

C₁-与管道约束条件有关的修正系数；

t-温度，℃。

液体的体积弹性系数为其压缩系数的倒数，随品种、温度、压力的不同而不同。例如我国大多原油具有高含蜡、高粘度、高凝点的特点，需要加热输送。由于管道传输距离长，散热明显，首末端温差较大，一般能达到几十摄氏度，末端有时接近凝点，原有的物性随温度会有较大不同。

公式中体积弹性系数K和密度ρ都是随原油温度变化而变化的，重写公式如下：

$v=\sqrt{\frac{K\left(t\right)/\mathrm{\ρ}\left(t\right)}{1+\left[(K\left(t\right)/E)(D/e)\right]C_1}}$

上述公式描述了波速和温度密度以及管道特征之间的关系，但其中大部分参数都很难准确获得，在实际使用时需要根据现场情况进行调整。本发明采用模糊-神经网络技术对波速公式进行在线修正，建立工况知识库和波速估计模型，实时计算波速。

(a)精确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的时间差，需要准确地捕捉到泄漏压力波信号序列的对应特征点。而由于不可避免的工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等因素，采集到的压力波信号序列附加了大量噪声，如何从噪声当中准确地提取出信号的特征点是定位的关键。我们针对具体管道采样信号的特点，利用小波变换及反变换处理被噪声污染的采样信，不仅对原始信号做了有效的滤波，而且稳定地提取了压力波的下降拐点，适用于各个站信号。

小波分析是近20年来非常活跃的一种信号处理方法。它能够在时间一频率域联合分析信号的特征，具有对噪声不敏感、能分析信号的任意细节等特点，被誉为“数学的显微镜”。

因为高频信号通过的时间短，而低频信号通过的时间长，所以物理上我们希望信号处理的结果在高频具有高的时间分辨率和低的频率分辨率，在低频具有低的时间分辨率和高的频率分辨率。我们注意到尺度函数在时域中压缩信号时，其中心频率和带宽增加；而信号持续时间越长，频带越窄，这正好符合我们的要求，由此我们选择平移的尺度函数 作为展开理论中的基函数，这样的展开则称为小波变换。Ψ(t)叫做基本小波，a为尺度因子，b为时移。连续小波变换(CWT)的定义为

$\mathrm{CWT}(a,b)=\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}\∫s\left(t\right)\mathrm{\ψ}*\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}$

小波变换的特点是品质因数为常数， $Q=\frac{2\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0},$ 而且对实信号s(t)，只要Ψ(t)是实函数，小波系数也必为实数。为了能在计算机中实现小波变换的计算，必须处理离散的信号和小波。

(b)用压力波拐点捕捉法计算泄漏点，如果两端计算机有时差就谈不上精确定位。对于两点***，可以定义其中一端的计算机为主机，每天通过通讯链路定时向另一端的从机发送时间信息。我们可以编写了自动修改从机的***时间的程序，能够使管道两端计算机有精确一致的时钟，精度达到ms级。但***点数较多的时候，就需要有一个统一的时间基准，各个站都向这个统一的时间基准看齐。成型的GPS技术可以解决这个问题，精度高，设备简单，经济可靠。

全球卫星定位***(global positioning system，缩写为GPS)是美国政府建立的以军事目的为主的无线电定位***，由空间部分、地球站和用户设备组成。空间部分有21颗工作卫星和3颗备用卫星，工作卫星分布于6个轨道平面上，每个轨道上4颗卫星。任一时间任一点GPS接收机可以同时收到4颗卫星的信息，连续得到动态目标的三维位置、三维速度和时间。目前，空间技术、信号处理、信号最佳接收、精密时钟等技术可使测时精度达几十纳秒。自1992年美国GPS全面投入运行以后，GPS时钟广泛应用于电网运行调度、雷电时差定位、输电线故障定位、电网状态监测、继电器保护等等工业控制中。

该发明可以有效及时发现管线泄漏、盗窃现象，避免国家财产蒙受损失和水、气资源的巨大浪费、避免因为泄漏和偷盗造成环境污染；可以对管线进行实时监控，随时掌握压力、温度、流量，避免造成管线超压或排量过低等现象、避免安全生产事故、经过一些具体的修改可以适用于输送不同流体介质管道的泄漏监测，例如城市供水主干管网、排污主干管网、天然气(煤气)主干管网等，在大部分流体输送管道的泄漏检测和定位方面都具有广阔的应用前景。

本项发明(流体管道泄漏智能故障诊断与定位的方法与装置)和同类定位***相比较具有定位精度高、反应速率快、完全消除漏报误报现象。达到的技术指标有如下几点：

1.可测量单段管线最大长度：50千米

2.泄漏点定位误差：小于被监控管线全长的2％；泄漏监测灵敏度：大于管道输量2％的泄漏量可报警。

3.报警准确率：准确率100％，无漏报误报现象；报警反应时间：小于55秒。

4.可估算泄漏量：误差小于实际泄漏量的2％左右。

5.流动监测仪，可以进一步提高定位精度。

6.具有良好的人机界面，可在管道地图上显示泄漏点的位置；可长期存储管道的运行数据，自动生成报表，并可随时查询打印。

7.可方便地扩展其他监测功能，可大范围联网使用。

该***的研制成功与推广应用将具有巨大的社会、经济效益：

1.“流体输送管道泄漏监测***”只要经过一些具体的修改就可以适用于输送不同流体介质管道的泄漏监测，例如城市供水主干管网、排污主干管网、天然气(煤气)主干管网等，在流体输送管道的泄漏检测和定位方面都具有广阔的应用前景。

2.将有效并及时的发现管线泄漏、盗窃现象，避免国家财产蒙受损失和石油、水、气等资源的巨大浪费。

3.可以对流体输送管线进行实时监控，随时掌握压力、温度、流量，避免造成管线超压或排量过低等非正常运行现象，避免安全生产事故。

4.将实现管线的自动检测，有效提高科学管理水平、降低人工巡线劳动强度，具有良好的社会效益。

5.***一次投资，短期内即可收回成本，而且长期收益。

附图说明：

图1为本发明装置整体结构示意图，

图2为本发明装置首(末)站***结构示意图，

图3为本发明软件流程图，

图4为本发明装置滤波电路原理图，

图5为本发明方法输差检漏原理图，

图6为本发明方法输差检漏与定位用泄露时的输差曲线和负压波曲线图。

具体实施方式：

参阅图1本发明的装置由在首、末两站安装的压力(P)、流量(F)、温度(T)检测的仪表、上位机、下位机和局域网及GPS全球定位校时***构成。

参阅图2，该装置将首站或末站管道中流体的压力、温度、流量分别通过相应的压力、流量、温度检测仪表转换成标准的电信号(压力、温度为4～20mA电流信号，流量是脉冲信号)。下位机由滤波板、A/D转换器、计数板(I/O板)、嵌入式微机和GPS接收板组成。4～20mA标准电流信号经滤波板滤波后，送入A/D转换器，变成数字信号。流量脉冲信号经滤波板隔离整形后，送到计数板(I/O板)中。嵌入式微机在GPS定时同步脉冲的驱动下，定时从A/D转换器、计数板(I/O板)中读取数据，并通过10M以太网传到该站上位机。首末两站上位机，接到下位机的数据后，经过处理，通过高速无线通信接口与无线通讯线路相接，实现数据交互。上位机软件运行环境为NT server和NT wokstation***。下位机运行环境为DOS***。参阅图3软件主要由数据采集，网络传输、界面显示、数据分析、报警处理和***功能设定组成。

数据采集将经过硬件转换电路转换以后的数字信号采到软件模块里，网络传输将各子站数据通过网络传输到各站的计算机中；界面显示将采集到的压力、流量温度信号显示成实时曲线；数据分析，分析最近工作；报警处理，接到数据分析的报警标志以后，对本次的报警数据进行排序、存盘、自动记录泄漏时的曲线特征，以区别站内卸油、站内倒阀门调排量时的曲线特性。并可提供声光报警、打印报警曲线等功能；***功能设定为用户提供一个CGI接口，完成一些用户设定的功能。

Claims (6)

1、一种流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法，包括信号采集、检漏和定位三个方面：其特征在于信号采集，在管道两端各安装压力、流量、温度传感器及下位机***，实时采集并通过网络向上位计算机传输流体输送管道运行时的状况信号；检漏，采用输差一压力波耦合的方法，通过计算机实时计量管线两端的流量并计算出输差，对输差瞬间变化趋势进行分析，利用产生泄漏这一段时间内的输差曲线计算出漏失量；定位，通过小波变换获得由泄漏产生的瞬态压力波到达管线两端传感器的时间差，通过模糊-神经网络技术实时获得瞬态压力波波速，采用瞬态压力波定位方法计算出泄漏点的位置。

2、根据权利要求1所述的流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法，其特征在于所说的瞬态压力波定位方法中管内压力波传播速度的计算，采用模糊-神经网络技术对波速公式进行在线修正，建立工况知识库和波速估计模型，实时计算波速，波速公式如下：

$v=\sqrt{\frac{K\left(t\right)/\mathrm{\ρ}\left(t\right)}{1+\left[(K\left(t\right)/E)(D/e)\right]C_1}}$

式中：

V-管内压力波的传播速度，rn/s；

K-液体的体积弹性系数，Pa；

ρ-液体的密度，kg/m³；

E-管材的弹性，Pa；

D-管道直径，m；

e-管壁厚度，m；

C₁-与管道约束条件有关的修正系数；

t-温度，℃。

3、根据权利要求1所述的流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法，其特征在于所说的瞬态压力波定位方法中应用小波变换信号处理方法，准确地提取泄漏压力波信号序列的对应特征点，精确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的时间差。

4、根据权利要求1所述的流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位的方法，其特征在于所说的瞬态压力波定位方法中利用GPS技术以毫秒级确保首末端下位采样计算机的时钟相同和首末端数据采集的同步。

5、一种实施权利要求1所述方法的流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位装置，由压力、流量、温度检测的仪表、下位机、上位机、和高速无线通信网及GPS全球定位校时***组成，现场信号传感器变送部分主要是由高性能压力传感器和温度传感器，磁电式脉冲型流量计组成，负责将管线中的运行参数采集并传送给下位机；两个站的下位机以中断方式定时采集信号，通过局域网传送到本站的上位机，首末两站上位机之间通过高速无线通信网络交换实时数据，两个站将接收到的数据分别实时分析处理，依据各自对工况分析的结果判断是否给出报警提示。

6、根据权利要求5所述的流体输送管道泄漏智能故障诊断与定位装置，其特征在于下位机由滤波板、A/D转换器、计数板、嵌入式微机、GPS接收板组成。

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