输气管道泄漏检测定位装置及其检测定位方法

摘要

本发明公开了一种基于瞬态模型法的管道泄漏检测定位装置及检测定位方法，属于故障诊断与流动安全保障技术领域。检测装置包括传感器组、信号前置处理设备、I/V板、采集卡、稳压电源、工况机；检测方法包括建立管内流体流动的数学模型，在一定边界条件下，利用计算机求解管内流动参数变化，然后将模型计算值与管端的实测值相比较，当实测值与计算值的偏差大于一定范围时，即认为发生了泄漏，并采用压力梯度法进行泄漏定位。本发明是基于瞬态模型而建立起的泄漏检测方法，投资较小，灵敏度高，适应性强，能有效地用于现场输气管道的天然气泄漏检测和泄漏点的检测与定位。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种管道泄漏检测定位装置及检测定位方法，尤其是使用瞬态模型法进行输气管道泄漏检测和定位，属于故障诊断与流动安全保障技术领域。

背景技术：

天然气管道泄漏检测方法大致分为三类：一类是基于磁通、涡流、摄像等通球技术的管内检测法，称为管道爬行机(Pig)。该方法定位准确，但对管道条件要求较高，实际使用时容易发生堵塞、停运等事故且无法在线检测。第二类是基于管线压力、温度、流量、震动等运行参数的外部检测法，应用较多有流量差、压力差、负压波以及声波法，这类方法费用较低并且可以连续在线检测，但定位的精度低，泄漏事故的漏报、误报率高，真正意义上的工程应用还需要做大量的工作。第三类是基于人工巡检开发的许多辅助手段，如：便携式/车载式红外、激光气体探测器，泄漏噪声探测器等仪器以及专门训练的动物等，该类方法劳动强度大且不能实现连续的实时在线检测。

经过大量调研并综合分析主要泄漏检测方法的评价指标，可以得出：

  检测方法  灵敏度  定位精度  检测时间  误报率  实用性  可靠性  性价比  管内智能爬机  高  高  较长  较低  较差  较高  中等  质量或体积平衡法  差  差  较短  最高  较差  较差  低  气体成像  高  中等  较长  高  较差  中等  低  探地雷达  高  高  短  高  较差  中等  低  压力梯度法  较高  中等  较短  中等  中等  中等  中等  负压波法  较高  较高  较短  高  较差  较差  中等  基于神经网络方法  高  高  中等  中等  中等  较差  低  统计决策法  较高  较高  中等  低  中等  中等  中等

  检测方法  灵敏度  定位精度  检测时间  误报率  实用性  可靠性  性价比  瞬态模型法  较高  较高  长  中等  较好  较高  中等  光纤传感技术  较高  高  较短  中等  较好  较高  中等  音波检测法  高  高  很短  低  较好  较高  中等

从上表中可以看出，瞬态模型法、分布式光纤法和音波检测法是比较好的泄漏检测技术。其中，分布式光纤法需要安装数据传输及光纤传感器和配套的软件系统，投资非常高，而且施工维护不便，光纤震动传感器属精密电子仪器，精确性要求高，精确度直接影响检测效果；音波检测法安装数据传输和音波传感器及配套的软件系统，投资会非常高，且易受外界环境的噪声干扰，要求高的滤波效果。而瞬态模型法具有以下优点：①能够利用现有的SCADA或DCS系统进行数据采集，无需增加另外的投资。②能够对流体的流量、温度和压力等动态特性建立数学模型，考虑管道的管长、直径和壁厚等物理特性以及输送介质的粘度和密度等特性。③能够通过体积补偿来检测正常的管线充填和卸压过程。在管道启动和停输的过程中也可以使用。④灵敏度高，能够检测出小于1％的泄漏，适应能力强。

所以，本发明选择使用瞬态模型法进行输气管道泄漏检测的设计。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种输气管道泄漏检测以及泄漏点定位的装置与检测定位方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于瞬态模型的输气管道泄漏检测以及泄漏点定位的装置的主要硬件包括传感器组、信号前置处理设备、I/V板、采集卡、稳压电源、工况机。传感器组由压力变送器、流量变送器和温度变送器组成，连接在要进行泄漏检测管段的起终点，直接与管道里面的气体接触，信号前置处理设备位于信号源附近，I/V板位于工况机附近，并与插在工况机主板上的采集卡相连。管段起终点需要采集的压力、流量和温度，经传感器组转变成电信号，后传到信号前置处理设备(有的与传感器集成在一起)，进行信号调理，然后经屏蔽线传输到与工况机相连的I/V板上，I/V板将4～20毫安电流信号转换为1～5伏电压信号，然后由采集卡采集，将数据传到工况机上进行显示处理，工况机中的数据采集程序用组态软件编写，稳压电源提供各仪器仪表所需要的直流电压。

基于瞬态模型的泄漏检测和定位的方法是对输气管道中的气体建立严格的数学模型，并使用基于特征线法的快速瞬态数值模拟技术对非线性方程组进行数值求解，以实际测得的起终点压力和流量数据为基础，得到气体的流动参数(流量、压力和温度)随时间和管线长度的变化关系，然后将计算出的管线起、终点流量与管线传感器实测的起、终点流量进行比较，通过对两者之间的差值与泄漏判断阈值进行比较的方法进行泄漏判断，同时采用压力梯度对泄漏点进行定位，具体步骤如下：

(1)建立由流体流动的连续性方程、运动方程、能量方程和气体状态方程组成的输气管道瞬态模拟方程组。由于方程组是非线性的，需采用特征线法进行求解，得到管道沿线流量、压力与时间、距离的关系式，进而得出管线沿线各点任一时刻的压力、流量计算值。

(2)以管线泄漏工况数据作为基础，采用压力和流量信号波形特征参数统计的方法得到泄漏判断阈值，具体实现方式为：

①计算信压力流量号波形特征统计参数

a.平均幅值距离；

b.均方根距离；

c.斜率均值距离。

②确定波形结构统计判据

波形结构统计判据为上述三个距离的线性组合，其中，每个距离的权值根据检测要求和3个距离的重要度通过试验确定，改变它们可以改变阈值的大小。

(3)计算出管线起、终点实测和模拟的流量(压力)差值，并采用信号波形特性参数统计的方法计算出该差值的参数统计值，并与泄漏判断阈值进行比较，当参数统计值大于泄漏判断阈值时，就认为发生了泄漏，并发出泄漏报警信号。

(4)对于瞬态流动的情况，采用压力梯度法进行泄漏定位。压力梯度法的基本原理是：以现场实测的起点压力和流量数据作为边界条件，可以模拟出一条管线沿线的压力变化曲线；同样以现场实测的终点压力、流量数据作为边界条件，也可以模拟出一条管线沿线的压力变化曲线，这两条压力变化曲线必将有一个交点，而这个交点从理论上就是管线的泄漏点。

基于瞬态模型的泄漏检测和定位软件系统采用程序设计语言编写，程序可以和数据采集程序集成在一起。当采集卡将模拟信号转换为数字信号时，采集程序采集数据，进行数据的实时显示、保存，同时将数据转到泄漏检测和定位程序模块，进行泄漏检测和定位。

本发明达到的技术指标为：通过大量的测试和分析，在压力传感器的测试精度为0.25％，流量计量精度为0.15％条件下，基于模型法的泄漏检测系统的主要技术指标如下：误报率≤5％，漏报率为零；最小可检测能力为总流量的1％；检测的定位精度在两个传感器间距离0.1％以内；检测的响应时间在3分钟内；定位时间在泄漏发生后5分钟内。

本发明的有益效果是：通过建立与真实气体相吻合的气体流动方程组来求解管线内气体的流动参数，并使用了信号波形参数特征统计的方法对信号的特征进行统计来确定泄漏判断阈值，有效地提高泄漏判断的灵敏度，同时减小泄漏判断的误报率，可用于现场天然气管道的泄漏检测和泄漏点定位。

附图说明：

图1为本发明基于瞬态模型的输气管道泄漏检测及定位装置。

图2为本发明基于瞬态模型的泄漏检测和定位方法示意图。

图3为本发明泄漏检测算法框图。

图4为本发明压力梯度法定位原理图。

图5为本发明基于瞬态模型的泄漏检测和定位程序流程图。

图1中：1a-压力变送器，1b-压力变送器，2a-流量变送器，2b-流量变送器，3a-温度变送器，3b-温度变送器，4a-信号前置处理设备，4b-信号前置处理设备，5a-I/V板，5b-I/V板，6-带内部采集卡的工况机，7-稳压电源，8-屏蔽线。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，参照附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，一种基于瞬态模型的输气管道泄漏检测以及泄漏点定位的装置，包括传感器组、信号前置处理设备4、I/V板5、带内部采集卡的工况机6、稳压电源7和屏蔽线8。传感器组由两台压力变送器1a和1b、两台流量变送器2a和2b及两台温度变送器3a和3b组成，分别连接在要进行泄漏检测的管段的起终点，直接与管道里面的气体接触，两台信号前置处理设备4a和4b位于信号源附近，两块I/V板5a和5b位于工况机附近，并与插在工况机6主板上的采集卡相连，稳压电源7与两块I/V板5a、5b相连，为各仪器仪表提供所需要的直流电压。压力变送器、流量变送器和温度变送器采用4-20mA电流输出，量程与所检测管道中的气体介质有关，一般信号前置处理设备被厂家集成在变送器中，若没有可单独购买与传感器组匹配的前置处理设备。I/V板和采集卡6一同使用美国国家仪器公司产品，这在采用LabView编制信号采集程序时可带来方便，根据采集的信号路数，选择适当的I/V板和采集卡，本发明中有6路模拟信号输入，可采用型号为PCI-6229M的数据采集卡，该卡含有32路16位的模拟输入通道(250kS/s)、4路16位模拟输出(833kS/s)、48路数字I/O和2个32位计数/定时器。I/V板选取与采集卡相匹配的CB-68LP型。稳压电源7需要采用有恒压、恒流输出的直流电源，附图1中采用GW INSTEK GPS-3303C型稳压电源，屏蔽线8根据购买的传感器组可买通用的两线或三线屏蔽线，工况机6采用现在通用配置即可。

管段起终点需要采集的压力、流量和温度，经传感器组转变成电信号，后传到信号前置处理设备，进行信号调理，然后经屏蔽线8传输到与工况机相连的I/V板上，I/V板将4-20毫安电流信号转换为1-5伏电压信号，然后由采集卡采集，将数据传到工况机6上进行显示处理，工况机中的数据采集程序用LabView语言编写。LabView在信号采集、传输和处理方面具有强大的功能，使用方便简单，可为系统开发节省大量的人力和时间，利用它可以实现如下系统功能：远程监测、数据保存、声光报警、历史数据回放、参数设置、管理权限等。

图2为一种基于瞬态模型的泄漏检测和定位方法示意图，图中，PMT为压力、流量、温度传感器，RTU为远程终端设备，在要进行泄漏检测的管段两端采集压力、流量和温度信号并保存到SCADA数据库，将采集的数据作为管道模型的输入。管道模型是由流体流动的连续性方程、运动方程、能量方程和气体状态方程组成的严格的数学模型，方程组是非线性的，需采用特征线法进行求解，根据输入数据得出管道沿线流量、压力与时间、距离的关系式，进而得出管线沿线各点任一时刻的压力、流量计算值。将实际采集的数据与管道模型的计算值进行对比分析和处理，然后将结果反馈到SCADA，进行处理。实际采集数据与管道模型计算值的对比分析和处理包括泄漏检测和泄漏定位。

图3为泄漏检测算法框图，将实际测量的管线起终点数据和通过管道模型计算出的起终点数据作差，然后求取作差后的数据序列的信号波形特征统计参数(平均幅值距离、均方根距离、斜率均值距离)，定义波形结构统计判据为上述三个距离的线性组合，其中，每个距离的权值根据检测要求和3个距离的重要度通过试验确定，在确定没有发生泄漏时，得出的波形结构统计判据即为泄漏判断阈值，可通过改变三个距离的线性组合权值改变阈值的大小，在平常的泄漏检测中，得出的波形结构统计判据为参数统计值，将参数统计值与泄漏判断阈值比较，当参数统计值大于泄漏判断阈值时，就认为发生了泄漏，并发出泄漏报警信号。

图4为压力梯度法定位原理图，曲线1是管道未发生泄漏时的实测的沿线压力曲线，曲线2是以实测的起点压力、流量、温度作为边界条件模拟出的管道沿线的压力变化曲线，曲线3是以实测的终点压力、流量、温度作为边界条件模拟出的管道沿线的压力变化曲线，曲线2和曲线3必将有一个交点，这个交点从理论上就是管线的泄漏点。

图5是基于瞬态模型的泄漏检测和定位程序流程图，是信号由硬件部分采集后的后续处理部分，主要在工况机中实现，包括数据采集程序和泄漏检测及定位程序两部分。数据采集程序担负将采集卡采集的数字信号在工况机上显示、储存和发送的任务，由LabView语言编写；泄漏检测及定位程序是数据处理的主要部分，由泄漏判断、泄漏定位和历史数据回放等模块组成。泄漏判断方法如附图3所示，泄漏定位方法如附图4所示，历史数据回放是将以前由数据采集程序或泄漏检测及定位程序保存的数据重新在工况机上显示，供查看管道以前的运行状态。