基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计.pdf

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1、第6期阚玲玲等．基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计653基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计阚玲玲粱洪卫高丙坤王秀芳(东北石油大学。黑龙江大庆163318)摘要基于声学和流体学等相关理论，研究了天然气管道发生泄漏时次声波产生的机理及信号特点和采集方法，并对声波在天然气管道内的传输速度的算法进行修正，通过GPS模块确定天然气泄漏时的次声波到达首、末站的时闰差，从而对泄漏点进行准确的定位，最后给出了天然气管道泄漏检测系统的软、硬件设计方案。关键词天然气管遭泄漏检测次声波中图分类号TP216文献标识码A文章编号1000-3932(2011)06-

2、0653-03天然气管网集输系统规模日益扩大，管道占压、腐蚀和老化情况加剧，盗气现象日益猖獗，这都严重影响了管道的安全平稳运行，并且存在一定程度的安全隐患。声波泄漏检测技术和分布式光纤泄漏检测技术是近年来国内外泄漏检测技术研究的重点和热点，并且已经初步应用于天然气管网泄漏检测，取得了良好的效果。但分布式光纤泄漏检测技术大部分处于理论研究阶段，而声波检测法已实现了连续在线检测很小的泄漏量，其灵敏度高、误报率低、定位精度高、适应性好、安装和维护费用也较低¨tz-。笔者针对次声波检测法在天然气管道泄漏检测系统中的应用展开研究，设计出可快速和精确实现天然

3、气管道泄漏报警与定位检测的新方案。1系统设计天然气管道泄漏检测系统主要解决管道发生泄漏时的快速报警和泄漏点的精确定位两个主要问题，笔者以声波法为主，瞬态模型法、负压波法和质量平衡法为辅，综合其优势，实现对天然气泄漏点的快速报警和准确定位。监测系统首站框图如图1所示。次声波信号接收器接收次声波信号进行次声波检测；压力计根据首、末站压力的波动进行负压波检测；流量计计量介质的累积流量，进行质量平衡检测；瞬态模型法综合运用压力计、流量计和温度计检测到的数据，并根据工况建立介质流体方程，通过实测与预测量的比较进行泄漏检测；数据处理模块为核心部分，完成各类数

4、据的采集与处理，控制芯片由FPGA内嵌DSP核实现；GPS授时模块使首、末站数据处理模块接收数据的时间处于同一个授时时钟控制下，实现快速精确的检测与定位；数传电台完成首、末站数据的交互；上位机软件由VS开发，实现人机交互，融合负压波法、次声波法、质量平衡法和瞬态模型法，根据多种信息融合结果，实现泄漏的快速报警及自／手动定位。天然气管道泄漏检测系统GPS授时H数据处理模块H数传电台温度计l压力计I流量计11次卢接收器首站图1天然气管道泄漏监测系统示意图2次声波检测天然气管道内的介质和管道壁是紧密接触的，沿气体传输的音频信号其衰减与频率成平方关系。当

5、气体发生泄漏时，虽然发射的声波频率有很宽的范围，但是由于泄漏信号中高频成分的严重衰减，泄漏检测技术仅能利用低频信号。2．1次声波检测原理及定位算法流体穿过管壁漏孔外泄时会激发广谱音频信号，小于20Hz的次声信号可由管内介质传输很长的距离，通过安装在管道内的次声传感器采集泄漏信号的连续波形，采用安装在首、末两端的传感器进行次声探测，通过对两个波形的相关分析即可确定泄漏次声信号到达首、末端传感器的时间差。从而定位泄漏源。因此，基于次声波信号检测收稿日期：2011-03-14基金项目：黑龙江省教育厅攻关项目(提高嵌入式随钻测斜仪精度的研究Noll551

6、027)化工自动化及仪表第38卷原理的泄漏检测技术适用于长输天然气管道。管道泄漏产生的声波信号具有以下特点：a．该信号由泄漏介质与管道及周围介质相互作用产生，是一种连续信号，因此监测仪器不需要采用太高的采样频率；b．信号沿管道向上、下游传播，通过首、末端传感器接收信号的处理，可以获得泄漏点的大小及具体位置等信息；c．信号受泄漏孔径大小和形状、介质压力、周围介质及环境噪声等诸多因素的影响，本质上属非平稳随机信号；d．信号具有多模态特性，并且在管道内传播时存在频散现象口】。假定泄漏点的静态压力就是管道的压力，则泄漏点所产生的泄漏信号压力为：，FI，2

7、卸=0～3p(贵)(1)式中△p——声波信号的压力；P。——泄漏点的静态压力；D。——泄漏点的孔径；D：——管道的直径。基于声波的管道泄漏点定位原理如图2所示。图2基于声波的管道泄漏点定位原理图泄漏点位于A、B两个次声传感器之间。将A、B接收到的信号同步并作互相关后传到A、B的时间差为△t，从而得到如下的定位公式¨’：z：生掣(2)Z式中Z——泄漏点距参考传感器A的距离；D——两个传感器之间的距离；移——声波传播的速度；△卜从相关函数得出的泄漏信号到达传感器的时间。由式(2)可以看出，泄漏点的定位与声波传播速度口和泄漏信号到达传感器的时间差△￡关

8、系密切。2．2天然气管道内声波传播速度的确定当管道发生泄漏时，由于管道内外存在压差，泄漏点的流体迅速流失，导致管道内部压力迅速下降，泄漏