长距离输油管道泄漏检测技术研究

文章编号 :1673-0291(2004)06-0082-05 长距离输油管道泄漏检测技术研究 丁 浩 ,张星臣 (北京交通大学 交通运输学院 ,北京 100044) 摘 要 :为了提升输油系统安全运行管理水平 ,研制开发泄漏监测技术具有重要意义 .泄漏判别方 法包括信号自动分段技术、残差法、相关法、长杆统计法和小波变换法 .经分析比较 ,结合小波变换 和相关分析法的特点 ,提出了一种新的泄漏识别方法———小波相关分析法 .小波相关分析法综合利 用了小波分析和相关分析的优点 ,能够精确定位泄漏位置 .将这套新方法运用于泄漏监测系统开 发 ,经现场试验 ,得到如下结论 :系统报警反应时间在 2 min以内 ;系统可报警泄漏量仅有输送量的 ±1 % ;系统泄漏定位精度达到管线全长的±1 % . 关键词 :输油管道 ;泄漏检测 ;泄漏定位 ;小波相关分析 中图分类号 :TE973 .6 文献标识码 :A Study of the Leakage Monitoring Technique on Long_Distance Oil Pipelines DINGHao, ZHANGXing_chen (School of Traffic and Transportation ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044 ,China) Abstract :The development of leakage monitoring technique with serious pipeline leakage occurring in oil fields for enhancing themanagement levelof pipelines isof significant .Leakage distinguishing tech- niques include the auto signal sub_section , residual error , cross correlation , long pole statistic , and wavelet transform techniques .A result comesout that the auto signal sub_section & long pole statistic leakage distinguishing techniques and the correlation_wavelet analysis leakage location techniques are suitable for leakage monitoring system .Wavelet_cross correlation analysis is utilized to locate the leak- age position .The two setsof techniques are used to the leakage monitoring system and a serial of con- clusions are given after field tests : the time of alarm is 2 minutes ; the leakage flow rate tested can be ±1 % of total flow rate ; the location can be ±1 % of the pipeline length . Key words :crude oil truck line ; leakage detection ;leakage location ;correlation_wavelet analysis 随着油田输油管道的增多和管龄的增长 ,输油 管道腐蚀、穿孔跑油事故不断发生 ,加之不法分子在 输油管上钻眼偷油破坏等原因 ,由此造成的资源浪 费和环境污染相当严重 ,给国家财产和环境带来了 巨大的威胁 ,因此 ,泄漏检测的研究对于输油管线的 生产运行管理具有重要意义 . 目前 ,国内的长输管线大都没有泄漏自动检测 系统 ,主要靠人工沿管线巡视、生产数据或路人报 告 ,难以对泄漏事故采取及时有效的处理 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 .由于 硬件和软件两方面技术限制 ,已建设的泄漏检测系 统存在检测灵敏性较差、定位能力较弱和误报警率 较高等方面的缺陷[1 ,2] .跟据国内长输管线运行的 实际情况 ,本文作者重点研究的对象为长输管线外 部检测方法 ,用于实时监控并对泄漏准确报警和精 收稿日期 :2004-06-28 基金项目 :山东省火炬计划项目 :输油管道实时监控及测漏系统(2003041030) 作者简介 :丁浩(1960—) ,男 ,河南邓州市人 ,博士生 ,石油大学(华东)经济管理学院副教授 .email :DING_WENYA @ 163 .com 张星臣(1960—)男 ,河南人 ,教授 ,博士 ,博士生导师 . 第 28 卷 第 6期 2004 年 12 月 北 京 交 通 大 学 学 报 JOURNALOFBEIJING JIAOTONGUNIVERSITY Vol .28 No .6 Dec .2004 确定位 ,以应对突发性原油泄漏事故 . 1 泄漏检测技术分析比较 1 .1 常用的泄漏检测技术 原油长输管线泄漏检测方法很多[3] ,比较常用 的有自动分段技术、残差法、相关法、长杆统计法、小 波变换等 .每种方法都有一定的优越性 ,但同时又有 一定的缺陷 .在具体应用的时候 ,可以采用多种方法 结合起来 ,根据现场实际情况 ,通过试验确定最佳的 检测方法[4 ,5] . 小波变换法检测泄漏是跟据根据小波变换原 理 ,用小波分析工具对信号进行小波变换 ,可以得到 信号的“近似”与“细节”.“近似”部分与原信号很相 似 ,“细节”部分却能凸显原信号的突变点 .“细节”部 分的峰值与原信号的突变剧烈程度有关 ,突变越剧 烈 ,峰值越大 .当峰值超过预设的阈值时 ,判断管道 发生泄漏 .据此 ,可以通过“细节”的峰值大小判定是 否有泄漏发生 . 1 .2 泄漏检测方法的效果分析 5 种泄漏检测技术各有其优缺点 .为了现场泄 漏监测系统的需要 ,现对各种方法作一个概略的分 析 ,总结出每种方法的特点 ,以便在系统开发时有针 对性的选择合适的方法 . 图 1 所示为两组稳态压力信号和泄漏时压力信 号的变化 ,稳态信号均值分别为 2 .13 kPa、0 .30 kPa ,泄漏后新的信号平稳段均值分别为 2 .0 kPa、 0 .27 kPa ,下降幅度分别为 0 .13 kPa、0 .03 kPa . (a)信号 1 (b)信号 2 图 1 压力信号变化曲线 Fig .1 Change curver in pressure signals at time for different cases 为了分析各种泄漏检测方法的灵敏性和准确 性 ,将当前信号的平均幅值按照固定幅度逐渐升高 , 并保持稳定段信号不变 .然后运用前述 5 种方法对 其进行泄漏分析 .其中 ,相关法需要用到两组相关信 号(信号 1 和信号 2) ,其它的方法只需其中的一组 信号即可检测出泄漏信息 .结果见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1(表中幅值的 变化都是针对信号 1 的) . 根据表 1 ,可得出 :自动分段法能检测出泄漏最 低压力降为 0 .005 kPa ;残差法为 0 .070 kPa ;相关 法为 0 .005 kPa ;长杆统计法为 0 .030 kPa ; 小波变 换法为 0 .050 kPa . 表 1 泄漏检测技术比较分析结果 Tab .1 Comparison between different leakage detectionmethods 增加幅度 /kPa 压力降 /kPa 是否检测到泄漏 自动 分段法 残 差 法 相 关 法 长杆 统计法 小波 变换法 0 .020 0 .110 Y Y Y Y Y 0 .040 0 .090 Y Y Y Y Y 0 .060 0 .070 Y Y Y Y Y 0 .080 0 .050 Y N Y Y Y 0 .100 0 .030 Y N Y Y N 0 .125 0 .005 Y N Y N N 根据以上 5 种方法的对比研究 ,总结出以下几 点基本结论 : (1)多种方法都能够在一定程度上检测出管道 泄漏 ,但是每种方法的灵敏度是不相同的 .自动分段 法和相关法能够在压力降 0.005 kPa时也能检测到 泄漏 . (2)残差法和小波变换法的灵敏度较低 ,其能检 测出的最低压力降只能达到 0 .07 kPa和 0 .05 kPa . (3)相关法检测泄漏需要两组信号 ,这是由它本 身的算法原理决定的 ,其它检测方法只需要一组信 号 .但是为了保证检测的准确性、减少误报警 ,可以 同时检测管道两端的信号 ,可以设计为只有两组信 号同时产生压力降时才认为管道有泄漏发生 . (4)各种算法的效率是不同的 .相对而言 ,自动 分段法和长杆统计法的计算速度最快 ,效率最高 .残 差法的效率最低 ,因为残差法的算法里面包含有多 次最小二乘运算和线性拟合算法 . (5)小波变换受信号局部突变影响大 ,容易引起 误报警 ,所以在泄漏检测时一般不选用这种方法 ,但 小波变换的优势是泄漏定位 . 综上所述 ,每种方法都有各自的优缺点 ,选用自 动分段法或长杆统计法进行泄漏判别是一种行之有 效的方法 .同时这些方法的使用并不是相互排斥的 , 38第 6 期 丁 浩等 :长距离输油管道泄漏检测技术研究 可以运用几种方法联合进行判别 ,而且能够提高判 断的准确性 .例如 ,可以在线性拟合斜率为负的基础 上 ,运用自动分段法进行分析处理 ,既能提高运算效 率、又能增加判别的准确度 ,该法简单高效 ,适用于 在线监测系统 . 2 漏定位技术比较分析 在泄漏定位判别时 ,可以通过小波变换细节提 取出信号突变点的位置 ,但是细节的极值点与信号 突变点总有一定的偏移 ,从而给泄漏定位带来一定 的误差 .结合相关法的优点 ,基于两信号的相关性 , 两信号的近似和细节也分别具有相关性的特性 .作 者提出了小波相关分析法 .小波相关分析法的基本 原理就是先对信号进行小波分解 ,然后对分解的细 节进行相关分析 ,细节相关分析的结果能够准确反 应出两信号的相关性和延迟时间 .因此这种方法同 时具有小波变换和相关法的优点 . 下面从稳定性、灵敏性和准确性 3 个方面进行 就相关分析法、小波变换和小波相关分析法 3 种方 法在泄漏定位中的效果进行比较分析 .图 2 是某管 线泄漏波形图 . (a)信号 1 (b)信号 2 图 2 泄漏后压力信号变化情况 Fig .2 Change of pressure signals with time for different cases after leakage 这组泄漏信号正常平稳段与泄漏平稳段差值较 大 ,信号 1 压降占正常平稳段压力的 3 .0 % ,信号 2 压降占正常平稳段压力的 3 .3 % ,总体起伏很大 .但 是下降沿斜率绝对值较小 ,下降平缓 .两信号之间的 时间差为 32×50 ms . 表 2 是对图 2 所示信号的统计分析结果 .为了 获得 3 种方法的稳定性、灵敏性和准确性的相关信 息 ,对图 2 所示信号进行截取 ,基准长度为 2 000 ,长 度变化量为 200 ,延迟Δt单位为 50 ms .分析结果评 价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 就是计算时延与实际时延的差值 . 表 2 3 种定位算法比较表 Tab .2 Comparison among the locationmethods 截取 长度 小波分析 延 迟 极小值延迟 极大值延迟 相关分析 小波相关分析 2000 - 53 17 1 31 2200 33 17 0 30 2400 34 17 0 33 2600 34 17 0 35 2800 34 17 0 35 3000 - 842 17 0 13 3200 52 17 0 29 3400 52 17 0 33 3600 79 - 736 0 39 3800 52 17 0 32 4000 52 17 0 32 4200 52 17 0 32 4400 52 17 0 32 (1)稳定性分析 .小波分析法极小值延迟随信号 长度变化很大 ,极大值延迟较稳定 ,但也出现异常 点 .相关分析延迟数据大部分为零值(没有延迟) ,表 现稳定 .小波相关分析只有两个值偏离较远 ,但是基 本上都在 32 附近摆动 .所以小波相关分析是这 3 种 方法中稳定性最好的 . (2)灵敏性分析 .可以看出小波分析方法对数据 长度有要求 ,在信号长度很短的时候计算结果是错 误的 ,在信号长度增长过程中 ,由于带来了某端信号 局部的突变 ,也使得结果发生错误 .相关分析法得到 的延迟基本为零 ,说明该方法对信号突变反应迟钝 , 灵敏度很低 .小波相关分析法在信号长度很短的情 况下也能得到正确的结果 .所以小波相关分析法具 有优越的灵敏性 . (3)准确性分析 .从表 2 中可以看出 ,小波分析 方法的准确性较差 ,相关法得到的结论是错误的 ,只 有小波相关分析法计算出来的延迟与实际延迟 32 ×50 ms最接近 .在这 3 种方法中 ,第 3 种方法准确 程度是最高的 .其原理是 ,小波分析对突变信号很敏 感 ,只要有局部的突变就会在相应的位置产生极值 , 这样会造成某些误判 ,同时小波分析产生的极值位 置与实际的突变位置并不一致 ,有一定的误差 .而相 关分析是对全局信号的分析 ,它的运算结果与信号 的每一个值有关 .所以小波相关分析可以滤掉小波 48 北 京 交 通 大 学 学 报 第 28 卷 分析带来的某些局部极值带来的影响 ,从而正确反 应两信号序列之间的时间延迟 . 作者用大量的现场数据和模拟数据验证了上面 的分析结果 . 3 泄漏监测系统及其现场应用分析 3 .1 系统框架 一条长输管道往往设置数座中间站 ,每两个站 间管段作为一个独立的监测单元 .这样可以避免大 部分站内操作干扰 .每个站上的信号采集设备、工控 机及其信号发送设备组成一个工作站 .各工作站把 信号传输到中心控制室的工控机 .中心控制室的信 号接收设备和工控机组成一个服务器 .这样就组成 了一个以工作站———服务器为核心的监测系统 .如 图 3 所示 . 图 3 泄漏监测系统整体结构图 Fig .3 Integrated frame of leakage detection system 工作站与服务器之间网络采用星形拓扑结构 , 通信有多种方式 :无线网卡、微波等适合于有线网络 不方便敷设的站点 ;在已建局域网的地方可直接利 用现有网络 ;有电话线的地方可利用 MODEM传输 信号 .信号传输方式的选择依据技术要求、现场条件 和经济效益等的综合分析决定 .辽河油田高渤输油 管道泄漏监测系统选择了无线网卡和电话线作为信 号传输方式 . 3 .2 现场应用分析 辽河油田高渤输油管线全长 32 km ,管内径 426 mm ,壁厚 6mm ,管材弹性模量为 206 .9×109 Pa ,管 材的泊松系数为 0 .30 .输油量在 250 m3/h左右 .首 站(高一联)压力为 1 .93 MPa ,末站压力为 1 .64 MPa .首站油温为 80 ℃左右 ,末站油温为 45 ℃左 右 ,对应的压力波波速分别为 1 028 m/s和 1 087 m/s ,平均波速为 1 058 m/s . 2002 年 9 月 ,开始现场施工 ,安装了现场工作 站数据采集系统、无线网络系统和中心控制室服务 器系统 ,12 月将硬件设备全部安装完毕 ,随后安装 软件系统 ,完成数据采集和软件调试工作 .随后在 2003 年 1 月进行了两次现场试验 ,取得满意效果 . (1)首站调泵降压试验 .第一次试验以首站(高 一联)调泵模拟泄漏 ,将首站压力由 1 .93 MPa按一 定的压力降迅速下调 ,产生一系列压力下降沿 .对试 验数据进行总结分析 ,泄漏定位和结果误差见表 3 . 对检测到的泄漏信号 ,小波变换、相关法和小波相关 法都能对泄漏信号进行准确定位 .小波相关法定位 最小值为 0 .19 km .小波变换的最小定位误差为 0.30 km ,相关法的最小定位误差为 0 .40 km ,小波 相关法的定位误差为 0 .19 km ,占整个管线长度的 0.6 % ;压力降越明显 ,定位越精确 . (2)中间站开孔放油试验 .第二次试验为中间站 开孔放油试验 ,距高一联 23 km处开孔放油 ,模拟 泄漏 ,一共进行了 8 次放油试验 ,泄漏量按照大小顺 序整理 ,结果见表 4 .检测出的最小泄漏量为 0 .8 m3/h ,小于总输量 250 m3 /h的 1 % .从表 4 中可以 看出 ,小波相关法的最小定位误差为 0 .15 km ,占管 线长度的 0 .47 % ;小波相关法能对较小的泄漏量作 出精确定位 ;泄漏报警的反应时间很快 ,能在 2 min 内发出报警信号 ;泄漏量越大 ,定位精度越高 . 表 3 高一联第一次模拟泄漏结果及误差 Tab .3 The first simulation error results for No .1 GaoGathering station 序号 压力降/MPa 泄漏定位/km 小 波 相 关 小波相关 小波 相关 小波相关 定位误差/km 占管线 长度/ % 定位误差 /km 占管线 长度/ % 定位误差 /km 占管线 长度/ % 1 0 .002 - 6 .00 16 .00 16 .00 6 .00 18 .75 16 .00 50 .00 16 .00 50 .00 2 0 .010 0 .85 16 .01 0 .35 0 .85 2 .66 16 .01 50 .03 0 .35 1 .09 3 0 .020 0 .34 0 .60 0 .30 0 .34 1 .06 0 .60 1 .88 0 .30 0 .94 4 0 .030 0 .40 0 .50 0 .28 0 .40 1 .25 0 .50 1 .56 0 .28 0 .88 5 0 .040 - 0 .30 0 .40 0 .20 0 .30 0 .94 0 .40 1 .25 0 .20 0 .63 6 0 .050 0 .30 0 .45 0 .19 0 .30 0 .94 0 .45 1 .41 0 .19 0 .60 58第 6 期 丁 浩等 :长距离输油管道泄漏检测技术研究 表 4 高渤线第二次放油试验结果及误差 Tab .4 The error results of second test for Gao_Bao Line 序号 泄漏量 /(m3·h- 1 ) 泄漏定位/km 小 波 相 关 小波相关 小波 相关 小波相关 定位误差/km 占管线 长度/ % 定位误差 /km 占管线 长度/ % 定位误差 /km 占管线 长度/ % 1 5 .00 23 .20 23 .20 23 .15 0 .20 0 .63 0 .2 0 .63 0 .15 0 .47 2 4 .10 23 .29 23 .30 23 .19 0 .29 0 .91 0 .3 0 .94 0 .19 0 .59 3 3 .00 23 .25 22 .80 22 .90 0 .25 0 .78 0 .2 0 .63 0 .10 0 .31 4 2 .50 23 .60 16 .00 22 .87 0 .60 1 .88 7 .0 21 .88 0 .13 0 .41 5 2 .10 22 .70 16 .10 22 .80 0 .30 0 .94 6 .9 21 .56 0 .20 0 .63 6 1 .30 23 .60 16 .00 23 .30 0 .60 1 .88 7 .0 21 .88 0 .30 0 .94 7 0 .80 24 .10 16 .00 23 .30 1 .10 3 .44 7 .0 21 .88 0 .30 0 .94 8 0 .54 30 .00 16 .00 16 .00 7 .00 21 .88 7 .0 21 .88 7 .00 21 .88 4 结论 比较了自动分段、残差法、相关法、长杆统计法、 小波变换法等泄漏检测方法的优劣 ,提出小波相关 分析法 .小波相关分析法综合利用了小波变换和相 关运算的优点 ,在泄漏定位算法中发挥关键作用 ,准 确、灵敏、稳定 ,有很高的利用价值 .其定位误差在 0 .3 km以内 ,小于管线长度的 1 % . 系统能对小流量泄漏报警 ,可检测出最低泄漏量 为 0 .8 m3/h ,到达管线流量(250m3/h)的 1 % 以下 . 参考文献 : [1] lan Reeve.SCADA for Pipeline Monitoring and Control [R] .C&L ,November ,1987 . 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