原油管道运输在世界经济中起到重要的作用,但是由于管道老化、泥石流、打孔盗油等诸多原因,输油管道经常发生泄漏。不管是从社会和经济的角度还是从环保和能源的角度来看,管道泄漏的监测和定位都是非常必要的。

　管道泄漏检测技术发展至今,已经涌现出许多方法,大体上可以分成基于硬件的方法和基于软件的方法两类。基于硬件的检测方法主要有:直接观察法、泄漏检测电缆法、示踪剂检测法和光纤泄漏检测法,其中基于光纤传感器的管道泄漏检测方法越来越受到人们的重视。基于软件的管道泄漏检测方法主要有:负压波法、压力梯度法、实时模型法、质量平衡法、统计决策法、应力波法和声发射法,其中,由于负压波法只需要在管道两端安装压力变送器,具有仪表施工量小、成本低、安装、维护方便的特点,因此得到了广泛应用。

　但是,目前各种管道泄漏检测技术都没能很好地解决泄漏检测响应速度、系统鲁棒性和可靠性、泄漏检测灵敏度、定位精度和系统成本之间的关系,其关键问题是没能很好地解决泄漏检测灵敏度和减少泄漏误报之间的矛盾。究其原因是泄漏检测和定位技术缺乏自适应性,而且泄漏检测系统的性能很大程度上取决于数据采集仪表 的精度和分辨能力,从而可靠性和鲁棒性差。

　但是,在目前的泄漏检测和定位方法中,尚没有一种方法既能保留负压波法所采用的压力变送器那样施工量小、成本低、安装维护方便的优点,又具有泄漏检测灵敏度高、泄漏点定位精确,同时具有自适应检测能力的管道泄漏检测与定位方法。

　只有在保留泄漏检测仪表施工量小、成本低、安装、维护方便的前提下,在提高检测仪表的灵敏度的基础上,解决了泄漏检测和定位的自适应性问题,才能进一步解决管道泄漏检测灵敏度和降低误报率之间的矛盾,从而使系统稳定、鲁棒和灵敏。

　基于压电式动态压力变送器信号特征的管道泄漏检测

　1、基于压电式动态压力变送器的泄漏信号特征

　对实测信号分析表明,基于压电式动态压力变送器的长输管道泄漏检测,其泄漏信号的特征主要体现在动态压力信号中特定频率点的功率谱、信号能量及信号幅值3个特征量。因为功率谱和信号能量两个特征量完全可以由动态压力信号分析获得,所以系统仅需要采集动态压力信号,无需沿管线逐个安装测量和通信模块,不会造成成本的提高。

　这里所指的信号功率谱,是指特定频率点的功率谱。当管道发生泄漏时,特定频率点(0.3904Hz)的信号功率谱会出现异常增大。信号能量是基于压电传感器的特性提出来的。当压电传感器没有受到外界扰动时,其输出信号为零,一旦有外界力的作用,其信号会发生正负相间的上下波动。对实测信号分析表明,基于压电传感器的管道动态压力信号的分布大致服从均值为零、方差为o2的高斯分布。

    由于动态压力信号可以分为正负相间的上下波动的一个个区间,定义信号幅值为负的区间信号能量之和为负,定义信号幅值为正的区间信号能量之和为正,顺序能量比率图就是反映当前区间能量与一段时间以来信号能量之和的比例,它是一个相对量。由这些图可以发现,发生泄漏前后,特定频率点的功率谱对比、信号波形对比及顺序能量比率对比非常明显。图中信号能量采用的是单位信号平均量,即单个采样点的平均信号能量。由于不同的首、末站压力条件下,不同位置的泄漏信号传递到泄漏监测仪的信号形状差异很大,用单位信号能量能够比较全面地反映泄信号的各个特征,它们比用波峰、波谷等参数进行模式识别方法更简单、实用、方便。

　基于压电式动态压力变送器的管道泄漏检测,采用顺序能量比率结合信号功率谱的3o检验法进行。其具体策略是:根据泄漏检测分辨率要求设定一个顺序能量比率的阈值(符号为负,表示信号幅值为负的下跳信号),一旦某个区间的顺序能量比率超过这个阈值,并且其功率谱和单位信号能量都符合3o检验准则,则可以判断管道发生了泄漏。泄漏位置(泄漏信号到达上、下游的时间差△t)的确定采用相关方法来实现。

    根据上述方法对同一位置的7个管道泄漏模拟信号进行了泄漏检测、定位分析,结果如表1所示(表中是相对于同一GPS时间的时间偏移量)。管道运行工况为:首站工作压力为1.8MPa,末站为0.2MPa。一个10mm直径的孔用于泄漏模拟,动态压力变送器的采样周期为10ms。根据表中数据可以算出时间差的平均值为38.79s,其中最大的泄漏信号传播时间差值为0.240s,即最大定位误差约为120m。