基于动态压力信号的管道泄漏检测技术研究.pdf
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1、第 27卷? 第 8期 2006 年 8 月仪器仪表学报 Chinese Journal of Scientific InstrumentVol ? 27 No ? 8 Aug? 2006基于动态压力信号的管道泄漏检测技术研究*林伟国1? 郑志受21( 北京化工大学信息科学与技术学院? 北京? 100029)2( 中国计量科学研究院中国计量技术开发总公司? 北京? 100013)摘要? 本文提出基于压电传感器信号特征的管道泄漏检测方法。比较了基于压电传感器和压力传感器的管道泄漏检测的优缺点,介绍了基于压电式动态压力变送器的管道泄漏检测的系统结构、 压电式动态压力变送器的外形特征和内部结构, 分
2、析了基于压电式动态压力变送器的管道泄漏信号的时、 频域特征, 给出了相应的检测和定位方法。实际应用表明, 这种方法可以快速、 准确地进行泄漏检测和定位, 并能可靠地工作。关键词? 管道泄漏? 压电式动态压力变送器? 信号特征? 泄漏监测中图分类号? TP274+ 5? 文献标识码 ? A? 国家标准学科分类代码? 440. 55Research on pipeline leak detection based on dynamic pressure signalLin Weiguo1? Zheng Zhishou21( College of I nf ormation Science and
3、Technology , Beij ing University of Chemical T echnology , Beij ing100029, China)2( China Metrological Technology Develop ment Corporation, National Institute of Metrology , Beij ing 100013, China)Abstract? Pipeline leak detection based on the signal features of piezoelectric sensor is proposed ?T h
4、e piezoelec?tric sensor is compared with the pressure sensor for the advantages and disadvantages in pipeline leak detec? tion?T he architecture of the pipeline leak detection system is introduced?T he shape and the inside structure of the piezoelectric sensor are also described?T he characteristics
5、 of the leak signal in time domain and frequencydomain are analyzed?T he leak detecting and locating methods are given?Application shows that the proposed method detects pipeline leak rapidly and precisely, and it works reliably.Key words? pipeline leak? piezoelectric dynamic pressure sensor ? signa
6、l feature? leak detection1? 引言? ? 原油管道运输在世界经济中扮演着越来越重要的角色,但是由于管道老化、 泥石流、 打孔盗油等原因,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 1?2。基于硬件的检测方法主要有: 直接观察法、 泄漏检测电缆法3、 示踪剂检测法4和光纤泄漏检测法 5, 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 6、 压
7、力梯度法 7、 实时模型法 8、 质量平衡法 9、 统计决策法 10、 应力波法 11和声发射法12, 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。虽然文献 1 提出
8、了进行管道泄漏自适应检测及定位的思路, 文献 5 提出了基于光纤传感器提高泄漏检测灵敏度的方法,*本文于 2006 年 4 月收到。908? ?仪? 器? 仪? 表? 学? 报第 2 7 卷文献 13 提出了基于卡尔曼滤波器精确确定信号中泄漏发生时刻的方法; 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
9、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。2? 基于压电式动态压力变送器的管道泄漏检 测的技术特点? ? 2001 年国内首次提出并开发了一种基于压电传感器的动态压力变送器, 依据压电式动态压力变送器开展了长输管道泄漏检测技术的研究。基于压电式动态压力变送器的长输管道泄漏检测技术也是在管道的出站和进站两头安装动态压力变送器, 图 1 是相应的管道泄漏检测系统结构图。图 1? 管道泄漏检测系统结构图? ? 压电式动态压力变送器具有与压力变送器一样的结 构形式, 因此同样具有安装、 维护方便的特点, 可以根据需要输出
10、 4 20mA 信号或 RS?485 串行通信数据。图 2和图 3 是其相应的外型特征和内部结构图。? ? 此外, 基于压电传感器的管道泄漏检测比负压波法具有更高的灵敏度和泄漏分辨力: 负压波法利用压力变 送器的压力信号进行泄漏检测, 压力变送器反映的是管道的运行压力, 通常泄漏引起的压力变化仅占运行压力的一小部分。而压电式动态压力变送器反映的是管道压力的动态变化, 通过适当调整放大倍数, 压电式动态压力 变送器可以尽可能地反映管道泄漏引起的压力变化。因此, 基于压电式动态压力变送器的管道泄漏检测比基于压力变送器的管道泄漏检测具有更高的灵敏度。图 4 是采自新疆某管段的一个从 50km 远的下
11、游进站口传上来 的管道模拟泄漏信号( 开孔口径 10mm, 上下游压力分别为 1. 8MPa 和 0. 2MPa, 首、 末站距离 50km) , 其与管道正常时的信号相比, 具有非常明显的时域特征。图 2? 压电式动态压力变送器的外型特征图 3? 压电式动态压力变送器的内部结构图 4? 基于压电式动态压力变送器的管道泄漏信号? ? 再者, 压电式动态压力传感器比压阻式压力传感器具有更快的响应速度, 压电式动态压力传感器的响应速度一般为 100kHz, 而压阻式压力传感器的响应速度为10kHz; 因此压力变送器的采样周期一般为 100 ms, 而压电式动态压力变送器的采样周期为 10ms。这样
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