李越-基于声波的天然气管道泄漏监测系统研究与应用

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1、基于声波的天然气管道泄漏监测系统研究与应用李越作者简介：李越，女，1984年4月生，2006年毕业于西南石油大学，现在大庆油田天然气分公司工程技术大队从事管网分析工作。通讯地址：黑龙江省大庆市乘风庄天然气分公司工程技术大队。邮编：163416。E-mail：trqliyue@petrochina.com.cn。（大庆油田有限责任公司天然气分公司黑龙江大庆163416）摘要随着管网集输系统的扩展以及城市的快速发展，近年来，矿区天然气管道占压、老化、腐蚀情况加剧，同时这些埋地铺设的天然气管网部分还穿越繁华闹市区，存在一定程度的安全隐患

2、。但目前只单纯依靠人工沿管道巡检和单线对标的方式监测管道泄漏，存在监测不连续，泄漏事故发现不及时，无法准确定位，寻找盗栽阀成本高、效率低等问题。因此，有必要研究天然气管道泄漏监测技术，并应用于生产实际，实现对天然气管道泄漏的及时报警和定位。关键词声波法天然气管道泄漏监测天然气分公司在喇萨杏油田共有天然气管道103条836公里，担负着向油田生产单位、工业、居民、商服等用户供气的任务。近年来，随着管道运行年限的增加，管道泄漏风险逐年加大，一旦发生泄漏事故，将影响输气系统的正常运行，造成经济损失和环境污染，甚至导致火灾风险升高。但目前的

3、管道泄漏监测手段仍为人工巡线，存在监测不连续、泄漏事故发现不及时、无法准确定位、寻找泄漏点成本高、效率低等问题。此外，由于城市的快速发展扩张和天然气市场的不断开发，穿越重要区域（人口密集区、商业繁华区、环境敏感区等）的管段有所增加。同时，随着大庆油田天然气业务的发展和天然气产量的提高，外输气量将进一步增加，这些情况都对管道的安全平稳运行提出了更高的要求。针对上述问题及生产需求，研究基于声波的天然气管道泄漏监测系统，实现对天然气管道的实时监测，有效降低安全隐患，提高矿区天然气管道的管理技术水平。一、声波法泄漏信号监测技术原理1、技术

4、原理当输气管道的某一点发生破裂，管内气体会从破裂点流出，导致管内气体流动参数发生变化，泄漏点处的气体密度减小，压力降低，泄漏点两边相邻区域的气体在压差的作用下向泄漏点处补充，从而形成声波在管道内的传播。安装在管道两端的声波传感器监听并采集传来的声波信号，通过对声波信号进行特征量提取，判断管道是否发生泄漏。当管道处于正常工况时，声波传感器采集的信号被作为背景噪声，管道一旦发生泄漏，产生泄漏声波信号和正常工况下的背景噪声会一同传到声波传感器，经过泄漏监测系统的对比和鉴别，迅速做出泄漏判断。下图为声波泄漏监测的原理图。图1声波监测原理图

5、声波法泄漏监测的关键是对采集的信号进行去噪处理，寻找到泄漏信号的特征量并将其提取，特征量是将信号进行某种算法得到的物理量，管道发生泄漏和没有发生泄漏，特征量的值有明显的区别。故可以将未发生泄漏时的特征量值作为阈值，和管线运行时得到的特征量值作比较，进行泄漏判断。输气管道发生泄漏，泄漏声波从泄漏点向管道两端传播，根据声波传播到管道首末站的时间差和声波在管道中的传播速即可确定泄漏点的位置。2、声波信号的去噪处理根据试验中采集的声波信号波形可以发现，当管道未发生泄漏时，声波信号属于平稳随机信号；当管道发生泄漏时，声波信号产生一个明显的上

6、升沿，之后回归泄漏前的状态，可认为属于非平稳随机信号。实际应用中，信号的去噪方法主要有基于傅里叶变换的去噪方法和基于小波变换的去噪方法两种，傅里叶去噪后，信号突变位置处的水平段波形与原信号波形相差较大，且信号的边缘处理结果不好，产生了极值，而经过小波去噪后，信号突变处的水平段尚能看出，信号边缘处理结果较好，因此采用小波去噪对采集到的泄漏声波信号进行去噪处理。原始信号和小波降噪后信号波形如下图所示。图2原始信号和小波降噪后信号波形3、信号特征值提取声波信号的特征量提取包括时域的特征量的提取和频域的特征量的提取两个方面。1）时域信号特

7、征提取声波信号的时域分析主要是对声波波形进行分析，声波信号幅值的变化反映的是管道内这一时刻的压力与上一时刻的压力之差的变化。当管道发生泄漏时，泄漏点处的压力有一个快速的下降，与前一时刻的压力产生较大的压力差，在声波波形图上显示出一个较大的下降沿。下图为管道未发生泄漏时首站声波信号，及放空阀模拟泄漏时的声波信号。图3未发生泄漏时首站声波信号及放空阀模拟泄漏时的声波信号从上图可以看出，声波信号的幅值完全可以作为泄漏判断的特征量，将管线未发生泄漏时的信号幅值的最大值作为阈值，判断其他时刻采集的声波信号，若信号幅值大于阈值则认定发生泄漏，

8、否则认定未发生泄漏。为提高天然气管道泄漏监测系统的灵敏度，除了幅值之外，声波信号的均值、均方根值等也可以作为泄漏判断的特征量。2）频域信号特征提取由于泄漏声波信号在传播过程中发生了衰减，并且管道中有剧烈的混合波动，有时当小泄漏发生时，从时域波形中可