基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法

摘要

本发明涉及一种基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法，在油气管道的每一个端口，各按一定间距装两个压力检测模块，用于采集在管道内传播的负压波，计算机接收各压力检测模块输出的负压波信号，根据各端口两个压力检测模块的输出信号，生成两个新的特征信号，以判定该端口的负压波是来自管道方向还是泵站方向，当所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机判定管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达管道各端口的时间差估计泄漏的位置，适用于单入口单出口管道泄漏的在线检测，也适用于带支线多端口管道泄漏的在线检测，能识别和消除泵站操作产生的负压波干扰。

说明书

技术领域

本发明属于信号检测和分析技术领域，涉及一种在线检测方法，特别涉及一种基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法。

背景技术

油气管道发生泄漏时，由于管道内外的压力差，泄漏点因流体(或气体)介质损失而引起局部流体密度减小，出现瞬间压力下降，紧邻泄漏点的高压流体分别从上下游两个方向迅速向低压的泄漏区填充，又引起泄漏点相邻区域的压力降低，重复这个过程，就产生了沿管道分别向上下游传播的瞬态负压波。

在管道两端分别安装压力传感器捕捉瞬态负压波信号。泄漏位置不同，负压波向上下游传播的距离不同，到达管道两端的时间差也不同，因此可以根据负压波的传播速度和到达管道两端的时间差来确定泄漏点的位置。负压波法检测管道泄漏的核心是负压波信号的识别。

识别负压波的方法很多，有时间序列分析法、残差法、长杆统计法、相关分析法和小波变换分析法等。时间序列分析法是系统实时对管道两端压力梯度信号的时间序列进行分析，根据一定的策略和设定的阈值进行预警和故障报警。时间序列分析法检测泄漏的优点是速度快、灵敏度高，缺点是不能对泄漏定位，常作为泄漏检测的辅助手段。基于Kullback信息测度的泄漏检测方法是一种典型的时间序列分析法。相关分析法是通过计算管道两端压力变化信号的相关函数来检测和定位泄漏。管道两端的负压波来自同一个泄漏源，具有相关性。没有泄漏时，两端压力变化信号的相关函数很小或等于零；有泄漏时，相关函数会明显增大。相关分析法的优点是简单实用、准确灵敏、计算量小，已被广泛使用。小波变换分析法是根据小波变换原理，用小波分析工具对信号进行变换，多尺度对信号进行分析。小波变换具有在时频域中观察信号局部特征的能力，可以在细节上观察管道压力变化，凸显突变点(压力下降沿)，确定负压波到达的时间。另外，也可以利用小波工具先对负压波信号进行分解，然后在细节上利用相关分析法对管道两端的负压波进行相关分析，提高泄露检测的可靠性和定位精度。

不仅管道泄漏产生负压波，泵站的正常操作(如开泵、停泵、调泵、切换阀门、中间支线管道调节等)也会产生负压波，因此有效识别并消除泵站操作产生的负压波的干扰是负压波法检测管道泄漏面临的一个难题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术思路是，在油气管道的每一个端口，各按一定间距安装两个压力检测模块，用于采集在管道内传播的负压波；计算机接收各压力检测模块输出的负压波信号，并根据各端口两个压力检测模块的输出信号，生成两个新的特征信号，以判定该端口的负压波是来自管道方向还是泵站方向；当所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机判定管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达各端口的时间差估计泄漏的位置。上述检测方法既适用于单入口单出口管道泄漏的在线检测，也适用于带支线多端口管道泄漏的在线检测，并且能够有效识别和消除泵站操作产生的负压波的干扰。

本发明采用的技术方案是：

一种基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法，包括以下步骤：

1)在油气管道的每一个端口，各按照一定间距安装两个压力检测模块，用于采集在管道内传播的负压波；

2)各压力检测模块和计算机相连，将采集的在管道内传播的负压波信号送给计算机进行分析和融合；

3)根据各端口压力检测模块输出的负压波信号，计算机分别为每一个端口生成两个新的特征信号，用于判断各端口的负压波是来自管道方向还是泵站方向；

4)当油气管道所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机判定管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达管道各端口的时间差估计泄漏点的位置。

所述的压力检测模块包括压力传感器、放大器、低通滤波器、模数转换器和微处理器等单元；

管道内的压力信号经压力传感器转换成电信号，经放大、滤波、模数转换和微处理器处理后，结果送给计算机；计算机首先对管道各端口的两个压力检测模块送过来的数据进行分析和融合，确定是否包含负压波信号及其方向；然后再将所有端口的处理结果进行分析和融合，判断管道是否发生了泄露及泄露点的位置。

所述管道可以是石油管道，也可以是天然气管道，还可以是输送其它流体或气体介质的管道。

本发明所述的管道泄漏检测方法不仅适用于单入口单出口管道泄漏的在线检测，还适用于带支线多端口管道泄漏的在线检测，并且能够有效识别和消除泵站操作产生的负压波的干扰。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的系统框图；

图2是本发明的第二实施例的系统框图。

下面结合附图和发明人依技术方案所完成的实施例，对本发明的原理作进一步的详细描述，本发明不限于这些实施例。

具体实施方式

本发明的基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法，包括以下步骤：

1)在油气管道的每一个端口，各按照一定间距安装两个压力检测模块，分别用于检测端口附近管道内的压力变化，并采集在管道内传播的负压波；

油气管道发生泄漏时，由于管道内外的压力差，泄漏点因流体(或气体)介质损失而引起局部流体密度减小，出现瞬间压力下降，产生沿管道分别向上下游传播的瞬态负压波；另外泵站的正常操作也会产生沿管道传播的负压波。在油气管道每一个端口附近的管道管壁上，各按照一定间距安装两个压力检测模块，用于检测各端口管道内的压力变化，并采集在管道内传播的负压波。

2)各压力检测模块和计算机相连，将采集的在管道内传播的负压波信号送给计算机进行分析和融合；

压力检测模块包括压力传感器、放大器、低通滤波器、模数转换器和微处理器等单元。压力传感器安装在管壁上，将管道内的压力信号转换成电信号输出到放大器；信号经放大器放大后输出到低通滤波器；低通滤波器的输出端接到模数转换器；微处理器对模数转换器输出的数据进行归一化处理后送到计算机进行数据分析和融合。

3)根据各端口压力检测模块输出的信号，计算机分别为每一个端口生成两个新的特征信号，用于判断各端口的负压波是来自管道方向还是泵站方向；

由于在管道的每一个端口，两个压力检测模块采集的是同一管道相邻位置的压力信号，因此两个压力检测模块的输出信号相关；同时由于两个压力检测模块之间存在一定的距离，沿管道传播的负压波经过它们的时间不同，因此可以根据两个压力检测模块检测到负压波时间的先后顺序确定负压波的传播方向，即负压波是来自泵站方向还是来自管道方向。

4)计算机根据管道所有端口检测到负压波的时间和方向，判断管道是否发生了泄露及其位置；

如果在管道各端口检测到的是经过不同传播路径的同一泄露(或泵站操作)产生的负压波，则各压力检测模块的输出信号彼此相关。当且仅当只有所有端口检测到的负压波信号均是来自管道方向，且彼此相关时，计算机判定管道发生了泄露，并根据在各端口检测到负压波的时间确定泄露点的位置。

在油气管道每一个端口附近的管壁上，各按照一定间距安装了两个压力检测模块；

每一个压力检测模块包括压力传感器、放大器、低通滤波器、模数转换器和微处理器等单元。压力传感器安装在管壁上，将管道内的压力信号转放成电信号输出到放大器；信号经放大器放大后输出到低通滤波器；低通滤波器的输出端接到模数转换器；微处理器对模数转换器输出的数据进行归一化处理后送到计算机进行数据分析和融合；

位于管道同一个端口的两个压力检测模块可以分别设置模数转换和微处理器单元，也可以共享一组模数转换和微处理器单元；

各压力检测模块采集在管道内传播的负压波信号的采样频率相同，且不低于20次/秒；

两个压力检测模块同时检测同一个端口附近管道内的压力变化，以判断管道内是否有负压波信号及其方向；

当油气管道所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机判定管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达各端口的时间估计泄漏点的位置；

对于单入口单出口管道，根据两个端口的负压波的传播方向，计算机判断管道是否发生了泄露；根据在管道两个端口检测到负压波的时间差和负压波沿管道传播的速度以及管道内介质的流速和方向，计算机估计管道发生泄露的位置：

对于带支线多端口管道，根据各端口负压波的传播方向，计算机判断管道是否发生了泄露；对于任意两个端口，根据负压波到达这两个端口的时间差，以及负压波在这两个端口之间管道内的传播速度和介质的流速及方向，计算机确定一个位置；这个位置或者是管道发生泄露的位置，或者是管道与支线管道连接点的位置。

以下是发明人给出的实施例：

参见图1，图1是本发明的第一实施例的系统框图，该实施例中管道1是单入口单出口的管道，输送的介质从始站21流向末站22。

在始站21附近管道1输入端11的管壁上，按照一定间距安装了压力检测模块111和压力检测模块112。压力检测模块111和112的输出分别是管道1输入端11附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速率和精度转换成的数字信号序列P_i1(n)和P_i2(n)。

在末站22附近管道1输出端12的管壁上，按照一定间距安装了压力检测模块121和压力检测模块122。压力检测模块121和122的输出分别是管道1输出端12附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速率和精度转换成的数字信号序列P_o1(n)和P_o2(n)。

压力检测模块111和112以及121和122中的信号采样速率均为f；

负压波在压力检测模块111和112安装位置之间管道内的传播时间为T_i，压力检测模块111和112采集同一个负压波输出的数字信号序列P_i1(n)和P_i2(n)之间的延迟等于Δn_i：

Δn_i＝T_i×f                                     (1)

负压波在压力检测模块121和122安装位置之间管道内的传播时间为T_o，压力检测模块121和122采集同一个负压波输出的数字信号序列P_o1(n)和P_o2(n)之间的延迟等于Δn_o：

Δn_o＝T_o×f                                        (2)

负压波在管道内的传播速度远大于介质的传输速度，因此，介质的传输速度和方向对管道内负压波在压力检测模块安装位置之间传输时间的影响很小，可以忽略。延迟Δn_i主要与负压波的传播速度、压力检测模块111和112安装位置之间的距离、以及采样速率f有关；延迟Δn_o主要与负压波的传播速度、压力检测模块121和122安装位置之间的距离、以及采样速率f有关。选择合适的采样速率f以及压力检测模块111和112、121和122安装位置之间的距离使延迟Δn_i和Δn_o是整数，并且使压力检测模块111和112与121和122安装位置之间的距离相等，从而使Δn_i和Δn_o相等。

计算机3利用压力检测模块111和112输出的数字信号序列P_i1(n)和P_i2(n)生成如下新的信号P_i(n)和P_i′(n)：

P_i(n)＝P_i1(n)-P_i2(n+Δn_i)                              (3)

P_i′(n)＝P_i2(n)-P_i1(n+Δn_i)                            (4)

Δn_i是常数，合成信号P_i(n)和P_i′(n)反映了管道输入端口11处压力信号的动态变化，并具有以下特性：

(1)在管道处于稳态时，P_i1(n)和P_i2(n)基本一致，P_i(n)和P_i′(n)在能量和幅值上分别是(或接近)0；

(2)对于来自上游泵站21操作产生的负压波，P_i′(n)是该负压波的差分信号，P_i(n)在能量和幅值上是(或接近)0；

(3)对于来自管道1方向的负压波，P_i(n)是该负压波的差分信号；P_i′(n)在能量和幅值上是(或接近)0。

合成信号P_i(n)和P_i′(n)可以作为判断输入端11附近管道内传播的负压波是来自管道1方向还是来自上游泵站21方向的特征信号。

计算机3利用压力检测模块121和122输出的数字信号序列P_o1(n)和P_o2(n)生成如下新的信号P_o(n)和P_o′(n)：

P_o(n)＝P_o1(n)-P_o2(n+Δn_o)                             (5)

P_o′(n)＝P_o2(n)-P_o1(n+Δn_o)                           (6)

Δn_o是常数，合成信号P_o(n)和P_o′(n)反映管道输出端口12处压力信号的动态变化，并具有以下特性：

(1)在管道处于稳态时，P_o1(n)和P_o2(n)基本一致，P_o(n)和P_o′(n)在能量和幅值上分别是(或接近)0；

(2)对于来自下游泵站22操作产生的负压波，P_o′(n)是该负压波的差分信号，P_o(n)在能量和幅值上分别是(或接近)0；

(3)对于来自管道1方向的负压波，P_o(n)是该负压波的差分信号，P_o′(n)在能量和幅值上分别是(或接近)0；

合成信号P_o(n)和P_o′(n)可以作为判断输出端12附近管道内传播的负压波是来自管道1方向还是来自下游泵站22方向的特征信号。

利用管道输入端口11处的特征信号P_i(n)和P_i′(n)，以及管道输出端口12处的特征信号P_o(n)和P_o′(n)，计算机3对管道内传播的负压波进行分类：

1)上游泵站操作产生的负压波：

上游泵站21操作产生的负压波沿管道1向下游传播。

在管道1输入端口11处，压力检测模块111和112采集到该负压波，输出数字信号序列P_i1(n)和P_i2(n)。计算机3利用P_i1(n)和P_i2(n)生成的特征信号P_i′(n)是该负压波的差分信号。

在管道1输出端口12处，压力检测模块121和122采集到该负压波，输出数字信号序列P_o1(n)和P_o2(n)。计算机3利用P_o1(n)和P_o2(n)生成的特征信号P_o(n)是该负压波的差分信号。

因此，特征信号P_i′(n)和P_o(n)均是上游泵站21操作产生的负压波的差分信号。并且，负压波沿管道1向下游传播，从管道1输入端口11处到输出端口12处的时间为T，特征信号P_o(n)比P_i′(n)延迟了Δn_L：

Δn_L＝T×f                                                  (7)

P_o(n+Δn_L)与P_i′(n)相关。

上游泵站21操作产生的负压波的识别方法如下：

如果在幅值和能量上，特征信号P_i′(n)远大于P_i(n)，P_o(n)远大于P_i′(n)，并且P_o(n+Δn_L)与P_i′(n)的相关系数最大，则计算机3判定该负压波是上游泵站21操作产生的负压波，置信概率为P_o(n+Δn_L)与P_i′(n)的归一化相关系数。

2)下游泵站22操作产生的负压波：

下游泵站22操作产生的负压波沿管道1向上游传播。

在管道1输出端口12处，压力检测模块121和122采集到该负压波，输出数字信号序列P_o1(n)和P_o2(n)。计算机3利用P_o1(n)和P_o2(n)生成的特征信号P_o′(n)是该负压波的差分信号。

在管道1输入端口11处，压力检测模块111和112采集到该负压波，输出数字信号序列P_i1(n)和P_i2(n)。计算机3利用P_i1(n)和P_i2(n)生成的特征信号P_i(n)是该负压波的差分信号。

因此，特征信号P_o′(n)和P_i(n)均是下游泵站22操作产生的负压波的差分信号。并且，负压波沿管道1向上游传播，从管道1输出端口12处到输入端口11处的时间为T′，合成信号P_i(n)比P_o′(n)延迟了Δn_L′：

Δn_L′＝T′×f                                          (8)

P_i(n+Δn_L′)与P_o′(n)相关。

下游泵站22操作产生的负压波的识别方法如下：

如果在幅值和能量上，特征信号P_i(n)远大于P_i′(n)，P_o′(n)远大于P_o(n)，并且P_i(n+Δn_L′)与P_o′(n)的相关系数最大，则计算机3判定该负压波是下游泵站22操作产生的负压波，置信概率为P_i(n+Δn_L′)与P_o′(n)的归一化相关系数。

3)管道1泄漏产生的负压波：

管道1泄漏产生的负压波沿管道分别向上、下游传播。

在管道1输入端口11处，压力检测模块111和112采集到该负压波，输出数字信号序列P_i1(n)和P_i2(n)。计算机3利用P_i1(n)和P_o2(n)生成的特征信号P_i(n)是该负压波的差分信号。

在管道1输出端口12处，压力检测模块121和122采集到该负压波，输出数字信号序列P_o1(n)和P_o2(n)。计算机3利用P_o1(n)和P_o2(n)生成的特征信号P_o(n)是该负压波的差分信号。

因此，特征信号P_i(n)和P_o(n)均是管道泄漏产生的负压波的差分信号。

管道1泄漏产生的负压波的识别和定位方法如下：

如果在幅值和能量上，特征信号P_i(n)远大于P_i′(n)，P_o(n)远大于P_o′(n)，并且P_i(n+Δn)与P_o(n)的相关系数最大，则计算机3判定该负压波是管道1泄漏产生的负压波，置信概率为P_i(n+Δn)与P_o(n)的归一化相关系数；泄漏的位置13距离管道1输入端口11处的距离l等于：