基于小波变换法的天然气泄漏检测和定位研究定稿

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1、基于小波变换法的天然气泄漏定位研究The Research on Location of the Leak of Natural Gas Based on the Wavelets Analysis学科专业：制冷及低温工程研 究 生：熊 壮指导教师：杨昭 教授天津大学机械 学院二零零九年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢

2、意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日中文摘要随着经济的快速发展以及“西气东输”工程的逐步实施，我国天然气管道的铺设必将迅速增加，因正常腐蚀及人为因素的破坏，管道泄漏的事件时有发生，而管道的泄露会造成人身伤害

3、、环境的污染以及国家经济财产的损失。为了将损失降低到最低限度，需要在泄漏事件发生后迅速的进行检测，并能精确的指出泄漏位置。目前泄漏检测与定位的方法主要可以分为三类：基于模型辨识的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。在信号处理方法中由于小波变换具有良好的时频特性，能迅速的捕捉并精确定位奇异点，因此本文选择了基于小波分析的负压波法作为泄漏检测与定位的方法。本文在泄漏定位公式的推导中，提出使用经过改进的泄漏定位公式，同时提出分别计算泄漏点前后两段的燃气平均流速来代替整个管线燃气平均流速来进行定位计算。在定位算法实现的方法上，采用Romberg算法和二分搜索法相结合。 在对负压波信号的处理上，通

4、过仿真实验比较和分析了小波变换和傅立叶变换，提出采用从整体到局部的搜索法来确定压力突变点，该方法相比于传统的方法能获得更高的精度，也不会减慢系统分析的速度。在泄漏检测方面，提出实时模型法和小波变换相结合的方法，这样可以大大提高系统运行速度。最后，通过实验对循环迭代算法和Romberg算法进行了比较验证，Romberg算法效果更好，误差在495米，获得了较好的效果。关键词：天然气，泄漏定位，负压波，小波变换，Romberg积分算法ABSTRACTAlong with the economy in our country is greatly developing and the project

5、of “Transport The Nature Gas from The West to East” is being carried on, the number of nature gas pipe will be increased. Because of normal corrosion and human destroying, the accident of gas pipeline leak often happened. The leak of gas pipeline will cause many people hurt, large area pollution and

6、 national fortune damaged. In order to minimize the loss, we need to detect and locate the leak point immediately.Method of modern leak diagnosis mainly sorts into three: methods: based on parse pattern, method based on signal processing and method based on knowledge. In the method of signal process

7、ing, because the wavelets analysis has satisfactory time-frequently distinguish ability, and it can rapidly catch and accurately locate break point of pressure signal. This paper chooses the negative pressure wave method based on the wavelets analysis to detect and locate the leak.In the process of

8、computing the formula of the leak location, improved formula is proposed, at the same time, this paper advises to adopt the gas average flow velocity of front-leak point and leak point-back subsection respectively, which replaces the mean gas average flow velocity of the whole pipelines. In the meth

9、od of realizing the arithmetic of locating the break point, Romberg and dichotomy searching are adopted。 In the process of pressure signal analysis, this paper compares and analyze the Fourier analysis and the wavelets analysis by simulation experience; meanwhile, this paper proposes to adapt a meth

10、od, which is from entity to part, to determine the point of pressure changing. This method is more accurate and quick. In the aspect of leak detection, the method of combining the instantaneous model is proposed, which can improve the velocity of the system.Finally, this paper compares the Romberg a

11、nd iterative methods. Romberg and dichotomy searching，by which method the error is 495 meter, is proved to be better than other method.Key words：nature gas, leak locate, negative pressure wave, wavelet diagnosis, Romberg目录第一章 绪论11.1管道运输的发展与现状11.2开发泄漏自动检测与定位系统的必要性21.3管道泄漏检测与定位概况41.3.1泄漏检测与定位系统的性能指标51

12、.3.2管道泄漏检测与定位的方法51.4国内外管道泄漏监测与定位研究现状111.5本文的主要工作13第二章 负压波法用于天然气泄漏检测与定位的关键技术152.1负压波泄漏检测及定位原理152.1.1瞬态负压波的产生机理152.1.2负压波法泄漏检测与定位原理152.1.3天然气平均流速的计算172.2负压波波速修正公式的推导182.2.1气体压缩系数192.2.2气体密度192.2.3输气管道沿线的温度分布计算192.2.4输气管道压力分布212.3循环迭代法和Romberg算法的提出和比较232.3.1Romberg算法242.3.2搜索算法用于输气管道泄漏定位262.4本章小结28第三章

13、小波变换在负压波信号处理和分析中的应用293.1傅立叶变换在信号分析中的不足303.1.1傅立叶变换缺乏时间和频率的定位功能303.1.2傅立叶变换对于非平稳信号的局限性323.1.3傅立叶变换在分辨率上的局限性323.2短时傅立叶变换333.3小波变换343.3.1小波变换的定义及特点353.3.2离散小波变换383.4小波变换在负压波信号处理中的应用393.4.1小波变换用于信号除噪393.4.2小波技术用于检测压力突变点423.5本章小结44第四章 小波分析仿真实验及结果分析464.1小波变换与傅立叶变换的比较464.2小波除噪的与傅立叶除噪实验的对比474.3不同阀值作用方式的仿真实验

14、对比494.4小波分析获取奇异点的仿真实验504.5模拟管道泄漏负压波信号的小波分析和处理524.6本章小结54第五章 泄漏定位仿真及工程实例分析565.1matlab和Visual basic6.0的结合565.2仿真过程分析及定位算法实现595.2.1泄漏的检测595.2.2算法的改进和实现595.3具体算例分析615.3.1结论分析645.4燃气管网事故应急救援措施645.4.1燃气管网事故应急救援的基本原则655.5泄漏事故的处理655.5.1管道燃气泄漏的原因655.5.2燃气泄漏的抢修方案确定665.5.3燃气泄漏事故的抢修处理步骤及注意事项665.6本章小结68第六章 结论与展望

15、696.1结论696.2展望70参考文献71发表论文和科研情况说明74致谢75第一章 绪论第一章 绪论1.1管道运输的发展与现状现代管道运输起始于19世纪中叶，但真正作为商业性运输手段并经历不同恶劣环境的考验是在20世纪60年代之后。经过一百多年的发展，管道运输业己成为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一。与其他几种运输方式相比，管道输送具有突出的优点：第一，可大大减少转运换装环节，实现连续运输，运量大、效率高，可避免空车返回的运力浪费并且易于实现自动化管理；第二，管道建设投资省、见效快、占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周期和费用均不到铁路的1/2，占地只有铁路的1/9，

16、并且管道建成投产后，90%的土地可恢复使用；第三，运输过程可实现完全密闭化，效率高，损耗低，燃料消耗是铁路的1/2，是公路的1/9，运输损耗是铁路的1/3，是公路的1/2；第四，可适应各种复杂地形、地貌和气候条件。由于管道输送在运送气体、液体、浆体等散装物品方面所具有的独特优势，它犹如人体内担负着血液运输任务的血管一样，在经济发展中正起着不可替代的重要作用。目前，世界上主要管道干线己达230万多公里，其中原油管道50万公里，成品油管道30万公里，天然气管道150万公里，并且以每年4至5万多公里的速度在递增。我国的管道运输业是随着石油工业的发展而发展起来的。五十年代末，全国只有很少几条原油短距离

17、管道。随着大庆、胜利、辽河、华北等油田的开发，我国管道运输自七十年代初进入了一个高速发展的时期，逐步建成了东北、华北、华东地区三个区域性输油网络。1979年以后又相继建成了濮临线、中洛线、中开线、中沧线等输油干线。到1994年末，我国输油和输气管道总长度已达到17378公里，其中原油管道9443公里，天然气管道7935公里，全年输送原油1.3亿吨，天然气102亿立方米1,2,3,4,5,6。随着国家四大世纪工程(南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路)的进一步实施，2010年以前，我国将完成三大管网的“西气东输”，总管网覆盖21个省市自治区。随着管道运输异军突起，管道运输范围显著扩大，不仅可以

18、输送石油、成品油、水、天然气、煤气等液、气体介质，而且也可以输送城市垃圾、工业原料、粮食、水泥、煤浆等固体散装物料。由此可见，管道运输潜力是巨大的。虽然我国管道运输业已有了较大发展，长输管道建设已初具规模，但与一些发达国家相比，尚有一定的距离。到1994年底，我国长距离管道是世界管道总长度的1/92，美国的1/40，原苏联的1/18，美国的管道运输量占全国货运周转量的24%，而我国仅占2%左右7。以上的这些分析均表明，我国的管道运输工业处于一个既充满生机，又富有挑战的新时期，必将随着国民经济的持续快速发展而发展。1.2开发泄漏自动检测与定位系统的必要性随着管线的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和

19、腐蚀等问题以及人为破坏管道事故频频发生，给人民的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁。世界上管道工业史的大量数据表明，管道同世界上其他事物一样，事故的发生都有称为“浴缸效应”的一般规律8。图1-1 浴缸曲线图1-1的“浴缸效应”事故概率曲线表明：在整个管道寿命区内都有事故发生，事故发生的概率可分为三个阶段：管道在运行第一阶段(初生期)和第三阶段(衰老期)事故发生的概率较高，第二阶段(稳定期)事故发生的概率较低。其原因是：初生期管道在材质、防腐层、焊口等方面存在着未被检查发现的缺陷或由于铺管作业中造成的管体损伤，以及由于管道周围的环境仍未达到稳定造成的事故。另外人为破坏及操作失误也是重要的原因，因

20、而失效率较高；但随着时间的延续，失效率逐渐降低。在稳定期，由于管道周围环境趋于稳定，在初期造成事故的管道本身的一些缺陷也通过维修得到了弥补，事故率比初生期显著降低，管道处于平稳运行期，因此这一时期影响事故率的主要因素是人为破坏或操作失误等。在管道运行的衰老期，由于腐蚀磨损，管道趋于老化，事故率上升。每条管线，由于设计水平、施工质量、介质腐蚀性、维护条件以及安全管理水平的差异，因而各自的浴盆曲线也有所不同，但总的规律是相同的，老管道将不可避免地恶化或达到设计寿命极限。我国长输管线相当一部分己经逐渐步入老龄期。我国有很大一部分管道超过20年管龄，己进入事故高发阶段。据统计资料，我国输油管道自197

21、5年以来发生严重事故一百多起。1986年以前油田管线平均穿孔率为0.6次/(公里年)。统计资料表明，目前世界上总管网的50己经用了30年甚至更长时间9。由于腐蚀、意外损坏等原因，管道事故发生的概率增大，泄漏事故时有发生。此问题任何国家都必须面对，而且会日趋严重。一方面，由于所输介质的危险性和污染性，一旦发生事故会造成巨大的生命财产损失和环境污染；另一方面，长输管道长度一般都在几百公里以上，大部分都经过条件恶劣的无人区，发生泄漏事故之后难以及时发现或确定泄漏地点，可能酿成更大的事故。据统计，在俄罗斯管龄在30年以上的原油管道占25%，成品油管道占34%，由于部分油气管线在泄漏状态下运行，俄罗斯每

22、年损失的石油和天然气达10%，这意味着每年大约2500万吨石油和天然气渗入土壤。泄漏引发的管道事故的报道更是使人触目惊心。1989年6月4日，在原苏联境内bash-kiria的一条成品油管道由泄漏引发爆炸，酿成573人死亡，623人受伤，2个车头、38节车厢被毁的悲剧。1994年3月24日美国一输气干线在新泽西州爱迪生地区破裂产生的爆炸和着火使八座建筑物倒塌，1人死亡，100人受伤10,11。对于旧管线来说，由于不可避免的老化、腐蚀及其它的自然、人为损坏等原因，管道泄漏时有发生，造成的人身伤害、环境污染、经济损失都是巨大的。不法分子频繁地在输油、输气管道上打孔盗窃，造成极其严重的后果：一是管道

23、安全受到威胁。管道金属本体及防护系统将遭到严重破坏，管道强度明显下降。频繁停输抢修，频繁启动运行，也会使管道寿命大大缩短。二是恶性事故不断发生。不法分子打孔盗油气，往往不顾后果，致使原油、天然气大量外泄，着火爆炸事故随时可能发生，国有资产损失严重。以上数据充分说明，管道泄漏造成的经济损失、环境污染及人身伤害是巨大的。如果能够及时发现泄漏，确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成得危害。然而由于打孔盗油的不法分子一般在夜间打孔盗油，且管道埋地较深，盗油现场处理的很隐蔽，通过常规的巡线检测方法很难找到盗油点；另外，长输管道距离长，沿途多为荒漠、沼泽、戈壁或河流，而检测方式多为人工定期巡检，这都限制了

24、泄漏检测与定位的实时性与准确性。为了及时发现泄漏事故，减少油气损失，维护管道部门的正常运行，同时打击猖獗的盗油犯罪，除了从立法上加强保护外，技术上也给泄漏检测提出了更高的要求。因此，管道的维护管理、泄漏的检测、保障管道安全运行己成为世界上重要的研究课题并日益受到重视。虽然目前国际上已有多种检测管道泄漏的方法，其技术也在逐步趋于成熟，并有多家公司提供管道泄漏检测方面的软件包12，如ATMOSPIPE、ATS、Logica、Scicon Trans、Industial Date processing TDS、Nemark等提供基于SCADA系统的管道监测软件包，但这些系统的价格一般在数百万美元。E

25、d Farmer Associates Inc提供一种小型管道泄漏监测系统PP，其价格为30万美元，而一个带仪表的完全系统其价格为700万美元以上，由此可见其引进费用极其昂贵。而我国在这方面的研究仅有十多年的历史，应用范围也较为有限。随着经济的快速发展，我国必将成为一个世界管道大国，对管道泄漏检测系统的要求也日益迫切，因而利用自动检测技术，研制开发一种适合我国管道状况的泄漏检测与定位系统，对于促进我国经济发展、提高安全生产效率将具有重要意义。1.3管道泄漏检测与定位概况随着管道的建设，各种检测技术也在不断发展，目前已有的检漏方法，从最简单的人工分段沿管线巡视，发展到较为复杂的计算机软硬件结合的

26、方法13。从陆上检测发展到海底检测，甚至利用飞机进行空中对地下管道的检测。根据检测对象的不同，管道检漏方法大致分为两类：一类是基于硬件的方法，另一类是基于软件的方法。基于硬件的方法是指对泄漏物进行直接检测，如电缆法、导电高聚物法、水面监视法、元件法、空气抽取法、油溶性压力管法、机载红外线法、介光学检测法等；基于软件的方法是指通过检测因泄漏造成的流量、压力、声音等物理参数发生变化来判断泄漏是否发生及确定泄漏位置，这类方法有流量平衡法、质量平衡法、分段密封法、音频泄漏法、声信号分析法、负压波法、实时动态模型法、统计法、模式识别法、人工神经元网络法等。1.3.1泄漏检测与定位系统的性能指标一个高效可

27、靠的管道泄漏检测与定位系统，必须在微小的泄漏发生时，在最短的时间内，正确地报警，准确地指出泄漏位置，并较好地估计出泄漏量，而且对工况的变化适应性要强，也即泄漏检测与定位系统误报率、漏报率低，鲁棒性强，当然还应便于维护。归结起来可分为：1)灵敏性(leak sensitivity)：对微小泄漏量的敏感程度；2)定位精度(location accuracy)：检测出的泄漏位置与实际泄漏位置的差异；3)响应时间(response time)：从泄漏发生到被检测出并进行报告的时间差；4)误报率(false alarm rate)：由于工况变化等原因在未发生泄漏时而产生报警的机率；5)评估能力(leak

28、 estimate capability)：对泄漏量的准确估计能力；6)适应能力(operational change)：对管道运行条件变化的适应性；7)有效性(availability)：连续检测管道泄漏的能力；8)维护要求(maintenance requirement)：系统使用和维护的简易性；9)费用(cost)：固定投资及运行费用。以上也是目前国际上对管道泄漏检测与定位系统的比较公认的性能指标14, 15。1.3.2管道泄漏检测与定位的方法结合目前国内外惯用的方法，并根据近十几年来检测与定位方法的侧重点与介质不同，本文采用按基于硬件和软件的分类方法并对其做一简要的介绍。基于硬件的方法

29、有主要人工巡检法、便携式仪器仪表、铺设高聚物电缆、管内检测器等，但由于这些方法或实时性差，或不能连续检测，或投资费用高，或影响物料正常运输等，自身均存在较大的缺陷。随着计算机软硬件技术的发展，基于硬件的方法己不再是主流的检测技术，而基于信息冗余的实时数据采集的软件检测技术显示出良好的发展势头。基于此本文将重点介绍基于软件的方法。1.3.2.1.基于硬件的方法1.直接观察法此种方法是依靠有经验的管道工人或经过训练的动物巡查管道。通过看、闻、听等其它方式来判断是否有泄漏发生。近年美国OIL TON公司开发出一种机载红外检测技术，由直升飞机携带一高精度红外摄像机沿管道飞行，通过分析输送物资与周围土壤

30、的细微温差确定管道是否泄漏。这类方法不能对管线进行连续检测，因此发现泄漏的实时性差。2.“管道猪“1)磁通猪：其原理是对管壁施加一强的磁场来检测钢管金属对磁场的损耗，用对泄漏磁通敏感的传感器检测局部金属损坏引起的磁场扰动所形成的漏磁。其使用方法简单、方便且费用低，对管道内流体不敏感，不论液体、气体或气液两相流体均能检测。但检测精确度低，对管子材料敏感。由于其局限性和检测要求的提高又出现了超声管道猪。2)超声猪：该方法是利用超声波投射技术，即短脉冲之间的渡越时间被转换为管壁的壁厚，当有泄漏发生时，钢管壁内的渡越时间减少为零，据此可判断泄漏的发生。超声猪的出现在一定程度上弥补了磁通猪的缺点。其检测

31、精度高，能提供定量、绝对数据，并且很精确。但该方法使用比较复杂，且费用高。3.探测球法基于磁通、超声、涡流、录像等技术的探测球法是上世纪80年代末期发展起来的一项技术，将探测球沿管线内进行探测，利用超声技术或漏磁技术采集大量数据，并将探测所得数据存在内置的专用数据存储器中进行事后分析，以判断管道是否被腐蚀、穿孔等情况，即是否有泄漏点。该方法检测准确、精度较高，缺点是探测只能间断进行，易发生堵塞、停运的事故，而且造价较高。4检漏电缆法检漏电缆多用于液态烃类燃料的泄漏检测。电缆与管道平行铺设，当泄漏的烃类物质渗入电缆后，会引起电缆特性的变化。目前已研制的有以下几种电缆：1)渗透性电缆：这种电缆与渗

32、漏油接触就会发生电缆间的阻抗变化，在管道一端通过对阻抗分布参数的测量，即可确定管道状态及渗漏位置。2)油溶性电缆：是用非透水性但透油性材料制成的同轴电缆，沿管道铺设。从电缆一端发射脉冲，脉冲碰到被油浸透的电缆处会反射脉冲，通过检测反射脉冲信号，可检测管道泄漏位置。3)碳氢化合物分布式传感电缆16：这种电缆由报警模块和传感电缆两大部分组成，传感电缆包括一个具有导电作用的聚合体层和内向压缩的编织物保护层，当有泄漏发生时，该聚合体层接触到碳氢化合物溶剂和燃料就会膨胀，而外部的编织物保护层会限制膨胀，向内压缩，从而导致两侧传感线接触构成回路，通过测得传感导线回路电阻可确定泄漏的位置。检漏电缆法能够快速

33、而准确的检测管道的微小渗漏及其渗漏位置，但其必须沿管道铺设，施工不方便，且发生一次泄漏后，电缆受到污染，在以后的使用中极易造成信号混乱，影响检测精度，如果重新更换电缆，将是一个不小的工程。5.检漏光纤法l)塑料包覆硅光纤检漏这种光纤具有化学敏感性，因其使用了一种含有特定化学成分的可渗透硅质包层，当泄漏出的被检测物质与包层中的化学成分相遇时，即可发生化学反应，使包层折射率改变，光线就会从中逸出。此时，只要沿光纤有规律的发射短的光脉冲，当光脉冲遇到泄漏处时，一部分光线就会被反射回来，通过测量发射和反射脉冲间的时间差，即可确定泄漏地点。2)分布式光纤声学传感器法该方法是利用Sagnac干涉仪测量泄漏

34、所引起的声辐射的相位变化来确定泄漏点的范围，这种传感器可以用于气体或液体运输管道。这种方法是把光纤传感器放在管道内，通过接收到的泄漏液体或气体的声辐射，来确定泄漏和定位。由于是玻璃光纤，所以不会被分布沿线管道的高压所影响，也不会影响管道内液体的非传导特性，而且光纤还不受腐蚀性化学物资的损害，寿命较长。在理论上，10公里管道定位精度能达到10dm，反应也较灵敏及时，但成本较高。6.GPS时间标签法GPS的基本定位原理是：卫星不间断的发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。采用GPS同步时间脉冲信号是在负压波的基础上强化各传

35、感器数据采集的信号同步关系，通过采样频率与时间标签的换算分别确定管道泄漏点上游和下游的泄漏负压波的速度，然后利用泄漏点上下游检测到的泄漏特征信号的时间标签差就可以确定管道泄漏的位置17。采用GPS进行同步采集数据，泄漏定位精度可达到总管线长度的1%之内，比传统方法精度提高近3倍。7.声发射技术法当管道发生泄漏时，流体通过裂纹或者腐蚀孔向外喷射形成声源，然后通过和管道相互作用，声源向外辐射能量形成声波，这就是管道泄漏的声发射现象。通过仪器对这些因泄漏引起的声发射信号进行采集和分析处理，就可以对泄漏以及其位置进行判断。美国物理声学公司(PAC)是专门从事声发射技术研究的高科技公司，它通过一次次的突

36、破和创新，使声发射技术成功地解决了一个又一个工程问题，声发射技术具有良好的应用前景。1.3.2.2基于软件的方法80年代以来，随着计算机、信号处理、模式识别等技术的迅速发展，基于SCADA系统的实时数据采集的泄漏检测技术受到了人们越来越多的关注，并逐渐发展为检漏技术的主流和趋势。这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力等信号进行实时分析和处理，以此来检测泄漏并定位。主要又可分为以下几类：1.基于信号处理的方法1)体积或质量平衡法18管道在正常运行状态下，其输入和输出质量应该相等，泄漏必然产生量差。体积或质量平衡法是最基本的泄漏探测方法，可靠性较高，其公式是：(1-1)其中：Qin为分支管道的

37、输入流量；Qout为分支管道的输出流量；M为在t0t时间段内液体质量。当无泄漏时，VB=0；发生泄漏时VB0，其数值即为泄漏量。该方法可以直接利用已有的测量仪表，如流量计、温度计、压力表等，能连续检测管道，并发现微小泄漏。但是由于管道本身的弹性及流体性质变化等多种因素影响，首末两端的流量变化有时滞影响，所以精度不高。为了使误报率在可接受范围内，t0t时间间隔应在一个小时到一天之间，那么泄漏检测的响应时间也是同样长，致使无法及时检测到泄漏而造成不必要的损失，且无法进行泄漏定位。2)压力法多数长输管道中间泵站均不安装流量计，只安装压力检测装置，因此就产生了只用压力信号检漏的方法。这类方法中有检测泄

38、漏后产生的压力点分析法、泄漏时瞬态压力波动的负压波法和稳态压力梯度法等。A.压力点分析法(PPA )该方法可检测气体、液体和某些多相流管道泄漏，依靠分析由单一测点测取数据，极易实现19。管道发生泄漏后，其压力降低，破坏了原来的稳态，因此管道开始趋向于新的稳态。在此过程中产生了一种沿管道以声波传播的扩张波，这种扩张波会引起管道沿线各点的压力变化，并将失稳的瞬态向前传播。PPA在管道沿线设点检测压力，采用统计的方法分析检测到的压力值，一旦压力平均值降低超过预定值，系统就会报警。根据上下两站压力下降沿的时间差即可计算出泄漏点位置。美国谢夫隆管道公司(CPL)将PPA法作为其管道数据采集与处理系统(S

39、CADA)的一部分，试验结果表明，PPA具有优良的检漏性能。但压力点分析法要求捕捉初漏的瞬间信息，所以不能检测微渗。压力点分析法己被证明是一种有效的检漏方法，已广泛应用于各种距离和口径的管道泄漏检测。B.压力梯度法在稳定流动的条件下，压力分布呈斜直线，当泄漏发生时，漏点前，流量变大，压力分布直线斜率变大，漏点后，流量变小，相应斜率也变小，压力分布由直线变成折线状，折点即为泄漏点。根据上、下游管段的压力梯度，可以计算出泄漏位置。压力梯度法需要在管道上安装多个压力检测点，而且仪表精度及间距都对定位结果有较大的影响。当然，在管线上测量点越多，性能越好。这种以线性为基础的压力梯度法，不适合“三高”原油

40、。C.负压波法当管道发生泄漏时，泄漏处立即产生因流体物质损失而引起的局部介质密度减小，出现瞬时的压力降低，作为减压波源通过管线和流体介质向泄漏点的上下游以一定的速度传播，泄漏时产生的减压波就称为负压波。设置在泄漏点两端的传感器根据压力信号的变化和泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差，就可以确定泄漏位置。该方法灵敏准确，无需建立管线的数学模型，原理简单，适用性很强。文献20认为压力波的传播速度是一个变化的物理量，受液体的弹性、密度、管材弹性等因素的影响，给出了改进的算法。同时提出了用小波变换技术提取瞬态负压波的信号边缘，对两端的测点信号进行特征点捕捉，获得了满意的效果。文献21对t的计算，使计算

41、精度得到了进一步的提高，从而也提高了定位精度。D.小波变换法小波变换即小波分析是20世纪80年代中期发展起来新的数学理论和方法，被称为数学分析的“显微镜”，是一种良好的时频分析工具。文献22介绍了小波分析在故障诊断中的应用，指出利用小波分析可以检测信号的突变、去噪、提取系统波形特征、提取故障特征进行故障分类和识别等。因此，可以利用小波变换检测泄漏引发的压力突降点并对其进行消噪，以此检测泄漏并提高检测的精度。3)互相关分析法23设上、下两站的传感器接收到的信号分别为x(t)、v(t)。两个随机信号x(t)、v(t)有互相关函数Rxy(T)。如果x(t)、v(t)两信号是同频率的周期信号或包含有同

42、频率的周期成分，那么，即使t趋近于无穷大，互相关函数也不收敛并会出现该频率周期成分。如果两信号含有频率不等的周期成分，则两者不相关，即互相关函数为零。当没有泄漏发生时，互相关函数的值在零值附近。发生泄漏后，互相关函数之间很显著变化，以此检测泄漏。并根据互相关函数极值点位置进行泄漏点定位。用互相关分析法检漏和定位灵敏、准确，只需检测压力信号，不需要数学模型，计算量小。但它对快速突发性的泄漏比较敏感，对泄漏速度慢、没有明显负压波出现的泄漏很难奏效。2.基于管道数学模型的方法(l)Kalman滤波器法24该方法是这样的，假设将管道分成N段，并假定在N-1段各分段点上的泄漏量为q1，q2，.qn-1.

43、建立包含泄漏量在内的压力、流量状态空间离散模型，以上下游的压力和流量作为输入，以泄漏量作为输出，用扩展kalman滤波器来估计这些泄漏量，运用适当的判别准则可进行泄漏检测和定位。但该方法的定位算法需假设流动是稳定的，且检测和定位精度与分段数有关，还需要设置流量计。(2)状态估计法该方法属于一类时变的非线性系统，它是在假设泄漏量较小的情况下，建立管道内流体的压力、流量和泄漏量的状态方程，以被检测到的两站压力为输入，对两站流量的实测值和估计值的偏差信号做相关分析，便可得到定位结果。该方法仅适用于小泄漏量情形的检漏和定位。(3)系统识别法16该方法用ARMA，模型结构增加某些非线性项来构造管线的模型

44、结构，或建立管道的“故障灵敏模型”及“无故障模型”，然后基于故障灵敏模型，用自相关分析算法实现泄漏检测；基于无故障模型，用适当的算法进行定位，最后进行泄漏量估计。该法需在管线上施加M序列激励信号，对大泄漏量的定位精度更高。3.基于知识的方法A.基于神经网络和模式识别的方法由于管道泄漏时未知因素很多，采用常规的数学模型存在一定的差异，而人工神经网络具有逼近任意非线性函数和从样本学习的能力，故在管道泄漏检测中得到越来越多的重视。B.统计检漏法此方法不用管道模型，根据管道出入口的流量和压力，连续计算压力和流量之间关系的变化。无泄漏发生，仅管网工况变化时，流量和压力之间的关系不会发生变化；当泄漏发生时

45、，流量和压力之间的关系总会变化。应用序列概率比方法和模式识别技术，可检测识别到这种变化。这种方法中，检漏门限值的选取是关键，它直接影响泄漏检测的灵敏度和系统的误报率。1.4国内外管道泄漏监测与定位研究现状国外一些较发达国家从70年代末己经开始对管道泄漏故障进行了研究，80年代进入较实用的商品阶段。目前，国外的输油气管道实时检测技术己趋成熟。德国学者R.Isermann25和H.Siebert(1976，1977)经过多年研究，提出将输入输出的流量和压力信号经过处理后进行互相关的方法。该方法能够有效的检测出较小的泄漏，提高了检测的灵敏度和准确度。并在实际应用中取得了满意的结果，对以后的研究具有较

46、大的启发意义。Toshio Fukuda(1979年)提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测方法26。该方法通过自动回归模型对变化的管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析，用以检测出管道的泄漏。此种方法建立起不包含管道和流体模型的回归模型。对于仪表精度要求不很高，但是这种方法的模型可能会受工况条件的影响偏离实际管道，而且对管道动态变化敏感，抗干扰性较差。Digernes.T(1980年)提出了“故障模型滤波器”17的方法。通过给出一套“故障模型”，其中每个模型参数对应于一种故障类型，用此套模型对管道运行状况进行检测，与哪一个模型不一致，就认为发生了那一类故障。该方法基于对管道及流体参

47、数的准确测量建立管道运行模型，其缺点是对仪表要求高，运算量大。R.Isermann(1984年)提出了“故障敏感滤波器法”25，不同于上一种方法，故障敏感滤波器根据进出口端的实测参数和其估计值的差值进行泄漏判断。上述两种可变状态的监测方法都需要对管道和流体模型线性化。为了能够使泄漏信息不致随时间而消失，并能够检测出工作条件差异很大的管道泄漏，L.Bii1man和R.Isermann(1987年)提出采用非线性模型的非线性状态观测器的方法27，A.Benkherouf(1988年)提出卡尔曼滤波器方法，这类方法能够跟踪管道故障的变化，对管道中间状态也可以估计。但在实际应用中建立一条管道的精确数学

48、模型常常是不可能的，况且管道的很多参数还可能随时间变化，如摩擦系数会随温度、流体物性改变，积蜡、结垢等会引起管道有效内径的变化等。经过特殊设计的观测器或滤波器基本上可以较好的避免参数变化的影响。但由于这种方法假设泄漏后首末端压力不变，与实际有一定偏离，同时这种方法计算量偏大。山荷兰壳牌(shell)公司X.J.Zhang的(1993年)提出了一种气体和液体管道的统计检漏法28。它通过对管道发生泄漏时产生的压力和流量间的变化关系进行分析，采用序贯概率比检验(SPTR)和模式识别的方法，构造两种模态的假设检验，通过统计，分析技术对实际的压力、流量间的这种关系进行分析，以此来检测泄漏，并采用最小二乘

49、法对泄漏进行定位。该方法已集成化为一实际的应用软件(ATMOSPIFE)，成功应用于石油、天然气、液化天然气、化工成品等多种管道运输中。其特点是不需要复杂的数学模型，可连续进行检测，并且具有记忆功能，适应性强，误报率低，且安装方便，简单易于维护，缺点是检漏精度受仪表精度影响大，定位精度欠佳。随着我国管道运输业的发展，管道泄漏的检测与定位已成为一个日益紧迫的问题。八十年代以来，我国的一些科研院所和高校在应力波法、负压波法、管道实时模型法等方面进行了卓有成效的研究。文献29研究了基于状态估计的观测器的方法，并对开环观测和闭环观测方法进行了探讨，实验只在常温水管道上进行了仿真模拟。文献30提出了一种

50、基于Kullback信息测度的管线泄漏检测方法，并在一条长120m，内径10mm的液体管线上进行了实验。这种方法需要测量两个端点附近的四个压力信号，通过分析两端的压力梯度所构成的时间序列特点，从而检测泄漏。该方法的优点是不需要测量流量。文献31提出了采用带时变噪声估计器的推广Kallnan滤波方法，对管道的状态进行估计，并提出了一定的诊断机制。文献32(1992年)提出了负压波法用于管道的泄漏检测。该方法原理简单，无需建立管线的数学模型，适用性很强。但它要求泄漏的发生是快速的突发性的，对微小的缓变泄漏还需采取其他的辅助措施。文献33介绍了清华大学利用负压波方法，采用先进的基于小波的算法对输油管

51、线进行泄漏检测和定位的技术，自2001年月至今，在胜利油田“孤岛永安”和“孤岛集贤”管线上得到了应用，并取得了良好的效果。虽然对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于检测的复杂性，如管道介质的多样性，管道所处(如地上、管沟、埋地、海底)的多样性，以及泄漏形式的多样性(渗漏、穿孔、断裂等)，使得目前还没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏检测问题。在实际应用中，某一种泄漏检测方法或一个检漏装置不能同时满足所有要求，一般在检测系统中将几种方法综合使用。随着计算机、信号处理、人工智能等技术的不断发展，基于信息的实时数据采集与处理软件的泄漏检测与定位技术将是今后研究的热点和发展趋势。1.5本

52、文的主要工作鉴于天然气长输管道的模型受到流体特性、地势状况及管道自身的特性等诸多复杂因素的制约，难于建立其精确的数学模型，新铺设的输气管网均己配有SCADA系统，对现场各类数据有了丰富的储备等因素，同时结合我国管道输送的实际情况，并借鉴目前国际上各种泄漏检测与定位的先进方法，本文采用了基于小波分析和负压波相结合的方法，对负压波速度进行修正，泄漏定位的实现上比较了迭代法、定值法的计算结果，并提出使用Romberg积分法和依次减半的搜索法来实现更加精确的定位，具体工作如下：(1)从理论上分析了天然气沿程的温度、压力、速度的分布情况，针对负压波的产生和传播是在很短的时间内完成的特点，提出在计算沿程负

53、压波速度时采用泄漏发生瞬态时天然气的各个参数。(2)负压波的速度和周围介质的温度、压力、密度、比热等息息相关，考虑到这些因素，结合负压波在传播过程中近似于等熵过程和实际情况，对负压波速度进行了推导和简化。(3)针对天然气流速较大时对泄漏定位精度有很大影响，同时考虑天然气沿程流速随温度、压力变化不是很大的情况，提出泄露点前后分别计算燃气平均流速，来对泄漏定位公式进行修正。(4)在前期负压波信号的消噪和处理中，比较了傅立叶除噪和小波除噪的特点；比较了小波除噪中软、硬阀值和半软阀值的特点，提出使用半软阀值的阀值作用方式来进行信号的除噪，这样既能不引入奇异点又能保持不至于淹没奇异点。在奇异点的检测中，

54、分析和比较奇异点在不同尺度的表现形式，得出适用于奇异点检测的尺度选择方法。(5)在泄漏定位公式的具体计算中，提出采用Romberg积分法和二分搜索法来提高定位的精度，同时把该方法和负压波速度采用定值与变波速循环迭代算法进行泄漏定位进行了比较，并通过实验验证了Romberg积分法更加准确。(6)用Visual basic6.0编写天然气泄漏定位的仿真软件，实现Visual basic6.0和matlab的连接，通过模拟产生负压波信号，用matlab的小波工具箱来实现负压波信号的分析和处理，返回管道首末端检测到的负压波时间差值到Visual basic6.0中，进行泄漏点位置的计算，在该软件中分别

55、比较了迭代法和积分法，同时比较了引入压缩因子来修正理想气体状态方程与直接应用理想气体状态方程计算结果的不同。相对于前人研究的情况，本文所做的改进如下：(1)在考虑到天然气流速对泄漏定位的影响时，提出泄露点前后分别采用平均流速的方法，既避免了计算沿程燃气流速的复杂性和不适用性，又避免使用整条管线平均流速的不准确性；(2)在对负压波信号进行小波分析后获取奇异点方面，采用从整体到局部的搜索法来精确的确定奇异点位置，相对与模极大值法更加准确和适用，也不会对分析的速度构成很大的影响。75第二章 负压波法用于泄漏检测与定位的关键技术第二章 负压波法用于天然气泄漏检测与定位的关键技术2.1负压波泄漏检测及定

56、位原理2.1.1瞬态负压波的产生机理当流体输送管道因机械、人为、材料失效等原因发生泄漏时，其泄漏部分立即有物质损失，由于物料流动的连续性，管道中的流体不会立即改变速度，流体在泄漏点和相邻的两边区域之间的压力差导致流体从上下游区域向泄漏区填充，从而引起与泄漏区相临的区域的密度和压力的降低。这种现象依次向泄漏区上下游扩散，这在水力学上称为负压波，它的传播速度大约是声波在管道流体中的传播速度。各种文献中对泄漏引发的压力波的表述有所不同，一般表述为“负压力波”、“减压波”、“瞬态负压波”等，特指泄漏引发的压力下降的变化情况。在本文的表述中，将泄漏引起的压力变化过程直接称为“负压波”。沿管道传播的负压波

57、包含有关泄漏的信息，由于管道的波导作用，它能够传播数十公里以上的较远距离，若在一定距离的管道两端安装压力传感器以捕捉这种包含泄漏信息的负压波，通过对上下游站点负压波的进行分析就可以检测出泄漏：而由负压波的传播速度和管道始末两端压力传感器捕捉到的负压波到达的时间差，就可进行定位。负压波在天然气管道中的传播速度一般在350米/秒左右，因此这种方法对数十公里的管道可以在几秒内检出，具有极快的响应速度，从而为及时检测出泄漏，防止事故扩大，减少损失赢得大量宝贵时间。2.1.2负压波法泄漏检测与定位原理负压波法是近年来在实际管线中应用较为广泛的一种检测方法，其基本原理是发生泄漏时在泄漏处会引起压力突降，形

58、成一个负压波，该波以一定的波速向管道端传播，安装在两端的压力传感器根据检测到的压力变化即可判断是否发生泄漏，并根据接收到该波的时间差及波在介质中的传播速度就可进行定位(如图2-1)，详细的定位原理如下：图2-1 负压波定位原理示意图设：站间管道长度为L(m)；泄漏点距上端站点的距离为x(m)；管道传输介质中负压波的传播速度为v(m/s)；上下游传感器接收到负压波的时间分t1(s)、t2(s)。则有：(2-1)整理得：x=1/2*(L+v*t)(2-2)显然，一段管道的准确长度可以从管道设计图中得到。由式(2-1)可以看出，负压波传播到上、下游传感器的时间差t的精确确定，以及管内负压波速度v的准

59、确估计是负压波定位方法的两项关键所在。由于目前燃气输送朝着大管径、高流速方向发展，因此在实际过程中天然气流速和负压波速度相比不能忽略，引入天然气流速u1，u2(u1，u2分别表示起始端到泄露点天然气流速和泄露点到终端的天然气流速)，得到如下公式：(2-3)得到，(2-4) 传统的方法是计算出整个管线的平均流速，然后代入其中来计算出泄露点；也有采用速度计算公式来计算整个管线的速度分布，然后代入负压波波速公式中来实现循环迭代计算的。第一种方法有明显的缺陷，它使用整个管道的平均天然气流速来计算，会引起较大的误差，尤其是在出现大的泄漏情况下，误差更加明显；后一种方法虽然能准确的计算沿线的天然气流速，但

60、是却加大了计算量，实际上在整个管道中天然气流速变化不是很大，本文提出泄露点前后分别采用平均流速的方法来实现泄露点的计算，该方法既能达到良好的效果又能大大减少计算量。2.1.3天然气平均流速的计算由(2-12)可得平均压缩压缩因子Zcp为：(2-5) 而由(2-32)可得Pcp，所以(2-6)由气体状态方程：P=ZRgT，得到平均密度(2-7)把平均压缩因子Zcp和平均温度Tcp计算公式代入，可得到平均密度cp。由质量守恒可以得到qm=*A*u，由此可以推得平均速度的计算公式(2-8)在天然气的输运过程中，负压波速实际上与周围介质的温度、压力、密度等因素相关，由于沿管线天然气的温度、压力和密度差

61、别较大，因此，用声波速度350米/秒作为定值来计算会带来较大误差，所以提出负压波速度修正公式。本章重点讨论负压波波速的准确计算问题。2.2负压波波速修正公式的推导负压波在天然气管道中的传播速度传统上认为是声波在介质的传播速度，为一定值。实际中由于系统状态、工况等情况随时在发生变化，再加上受介质的密度、压力、比热和材质等因素影响，使得负压波的传播速度绝非一成不变，因此采用此值进行定位必然会带来较大的定位误差。负压波传播速度可根据能量守恒原理得到，可表示为34： (2-9)其中：v为负压波波速；为气体压缩系数(pa-1)；为气体的密度(/m3)；D为管道内径(m)；E为管道弹性模量(pa)；e为管

62、壁的厚度(m)。对于E很大或e很大的刚性管壁，一般为10-3，甚至更小的数量级，在实际应用中，天然气传输管道恰好具有此特性，故在满足精度要求的情况下此公式又可适当简化为：(2-10)由此可见，压力波的传播速度主要与流体密度和压缩系数有关。众所周知，气体密度受其压力和温度的影响很大，而气体的压缩系数也与这两个物理量有很大关系。随着输气工艺的发展，天然气的管道输送正朝着大口径、高压力的方向发展；加之传输管道距离长，温度的变化也不可忽略因此负压波波速的研究必须考虑压力、温度对流体密度、压缩系数的影响，以此从根本上来提高定位的准确性。以下将详细推导气体压缩系数a，及密度p与压力和温度的关系。2.2.1

63、气体压缩系数气体压缩系数ap，与其压缩因子Z有下列关系：apZ/P (2-11)而天然气的压缩因子Z可采用美国加利福尼亚天然油气学会的经验公式获得35：(2-12)其中，p气体压力，Mpa。2.2.2气体密度由气体的状态方程可得天然气的密度为： (2-13)式中，天然气的密度；P绝对压强；Z压缩因子；T热力学温度；R气体常数；Rm通用气体常数；M摩尔气体质量。由以上公式(2-9)、(2-10)、(2-11)、(2-12)、(2-13)可得负压波波速公式为：(2-14)上式可以看出，负压波波速是与沿线的温度、压力、密度的分布有关的，需要获得负压波波速的沿线公式，就需要计算出天然气的沿线温度、压力等参数。2.2.3输气管道沿线的温度分布计算35根据能量平衡公式可以得到，管道中气体稳定流动时的方程为：(2-15)气体的比定压热容，J/(Kgk)焦耳汤姆逊系数，/Mpa在上式中dQ表示单位质量气体在管长为dx上的热量损失，由传热学关系有(2-16)式中：K管道的总传热系数，W/(mk)；D管道的内径，m；T0管道埋深处低温，K；qm气体质量流量，kg/s；由方程式(2-15)、(