（油气储运工程专业论文）输气管道泄漏诊断与定位技术试验研究.pdf

e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h el e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nf o rg a s t r a n s m i s s i o np i p e l i n e s p e n gh o n g w e i ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy u x i n g a bs t r a c t p i p e l i n e st r a n s p o r ti st h em o s ti m p o r t a n tm e a n so fn a t u r a lg a sl o n gd i s t a n s et r a n s m i s s i o n ， h o w e v e r , t h e r ea r em a n yc a u s e st h a ti sh a r dt oa v o i dl e a d i n gt op i p e l i n e sl e a k a g e ，s u c ha s v a r i e dt o p o g r a p h y , c o r r o s i o no fp i p e l i n e ，d a m a g eb yn a t u r eo rp e o p l ea n ds e l f - d e f a u l to f p i p e l i n e i tn o to n l yc a u s e sg r e a tl o s so fm a t e r i a l ，b u ta l s op o l l u t e st h ee n v i r o n m e n t ；w h a t s m o f e ，i tm a yl e a dt os e r i o u sc a s u a l t y , a sar e s u l t ，d e t e c t i o nt e c h n i q u eo fg a st r a n s m i s s i o n p i p e l i n e sl e a k a g ei ss i g n i f i c a n tt om a i n t a i np i p e l i n e ss a f e t y , s a f e g u a r dt h es a f e t yo fp e o p l e s l i f ea n dp r o p e r t y , a n dd e c r e a s et h ep o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so fs t u d ya n da n a l y s i so fd e t e c t i o nt e c h n i q u eo fp i p e l i n e sl e a k a g eh o m ea n d a b r o a d ，t r a n s i e n tm o d e li su s e dt od e t e c tl e a k a g ea n dl o c a t et h el e a k i n gp o i n ti nt h i sp a p e r t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fl e a kd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt r a n s i e n tm o d e li sd e s c r i b e d a n dt h ef l o wf u n d a m e n t a lm a t h e m a t i c a le q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d ，f u r t h e r m o r e ，c h a r a c t e r i s t i c l i n em e t h o di su s e dt os o l v et h en o n l i n e a r i t ys y s t e mo fe q u a t i o n sa n di tp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lp r i n c i p l ef o rl e a kd e t e c t i o n as u i to fa c o u s t i cl e a kd e t e c t i o nd e v i c ei nh i g hp r e s s u r eg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ei s d e s i g n e d a l lk i n d so fp a r a m e t e r so ft h i sd e v i c ea n dt h es i z eo fa l lm e t e r sa r ed e f i n e db y u s e o fm u c hs i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n ，m o s to fa l l ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci si n d e p t h s t u d i e da n dt h et y p eo fa c o u s t i c a lt r a n s d u c e ri ss e l e c t e d ，t h e ns i m i l a r i t yb e t w e e nt h et e s t m o d e la n df i e l dg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ei sa n a l y z e da n dt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h em o d e lt e s t i sv e r i f i e d ；i nt h ec o m p u t e rs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h eg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n e ， t h a ti sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni sd e s i g n e db ya d o p t i n gl a b v i e we n v i r o n m e n t i n d o o ra n df i e l dt e s t so ng a st r a n s m i s s i o np i p e l i n e sa r em a d e ，t h e nt r a n s i e n tm o d e l m e t h o di su s e dt od e t e c tt h el e a k a g ea n dl o c a t et h el e a k a g ep o s i t i o na n dm a n yt h ei n f l u e n c i n g r u l eo fl e a kt of l o wp a r a m e t e r si np i p e l i n e sa r ed r a w n t h et e s tr e s u l t sm a k ek n o w nt h a tl e a k d e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt r a n s i e n tm o d e lc a nd e t e c ta n dl e a k a g ea c c u r a t e l ya n dq u i c k l y , a n d d e t e c tt h el e a kr a t eq u i c k l y ；t h el e a k a g ep o s i t i o nc a nb ee s t i m a t e dr o u g h l ya n dt h ee r r o ro f l e a k a g el o c a t i o nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n t ，w h e n t h el e a kr a t ei sg r e a t e rt h a n4 ，t h ee r r o r o fl e a k a g el o c a t i o ni nt h ei n d o o ra n df i e l dt e s t sa leb o t hl e s st h a n10 i na d d i t i o n ，t h e v e l o c i t yo fp r e s s u r ew a v ei sc a l c u l a t e db ya d o p t i n gm o d i f i e dl o o pi t e r a t i o nm e t h o da n do nt h e b a s eo ff i e l dt e s tr e s u l t s ，t h ec o r r e c t n e s sa n da c c u r a c yo fc a l c u l a t i o nf o r m u l a sa l ev a l i d a t e d k e y w o r d s ：g a st r a n s m i s s i o np i p e l i n e ，l e a k a g e ，t r a n s i e n tm o d e l ，d e t e c t i o n ，l o c a t i o n l1 1 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：喜芬牛 日期： 年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 年月 日 年 月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 中国的天然气工业最近十年来发展很快，2 0 0 8 年我国的天然气产量达到7 6 0 亿方 左右，未来2 0 年天然气需求增长速度将明显超过煤炭和石油。国内外普遍认为：2 1 世 纪是“天然气世纪”。管道作为输送天然气的主要的运输方式，既经济又安全。我国已建 成了数万公里的天然气长输管道和庞大的城市输配气管网，主要已建成的大型天然气管 道有西气东输一线、陕京线、忠武线以及涩宁兰管线等。正在建设当中的有：j i i 气东送、 西气东输二线以及中俄天然气管道西线工程等。国家规划在2 0 1 5 年前建成“两横一纵 输气管道大动脉、八条国内气田外输管线和八大天然气消费市场的区域管道以及相配套 的四大地区地下储气库，中国管道运输业已进入飞速发展阶段。 随着我国管线数量的增加，管道的安全运行问题也随之而来。由于管道运输距离长， 沿线经过的地形环境复杂，管道腐蚀、自然破坏、人为破坏和管道自身缺陷等多种原因 难免会造成管道破损泄漏，不仅会造成巨大的经济损失和人员伤亡，而且还会严重的威 胁人类的生存环境，后果十分严重。在上个世纪由于天然气管线泄漏造成的爆炸事故可 能达到数千次，造成人类生命、财产的损失更是难以数计。典型的几次天然气爆炸事件 有：1 9 9 3 年委内瑞拉一条天然气管道破坏引起大火，烧死5 1 人；2 0 0 4 年，阿尔及利亚 一条天然气管网泄漏，发生爆炸至少1 7 人死亡，4 0 多人受伤。 泄漏检测是预防管道失效、降低管道风险的重要手段。管道投入运行后，在服役期 间对管道进行检是保障输气管道安全运营的重要环节之一。因此，利用管道泄漏检测技 术对管道进行泄漏检测并对泄漏点进行定位，为泄漏管道的及时检修提供了方便，可以 最大限度地减少经济损失和资源浪费，可能避免环境污染和安全事故的发生。 因此，对天然气管道进行实时在线泄漏检测，及时准确地发现泄漏和进行泄漏定位 并预防泄漏，将损失降低到最小、保障管道的正常运行就非常重要了。但是传统的理论 和方法在检测定位的实时性、可靠性、精确性和经济性等方面的综合性指标难以适用于 天然气这种可压缩流体输送管道的泄漏检测，国内还没有能成功用于天然气管道泄漏检 测的方法，因此，亟需研究天然气泄漏发生时信号传播规律、诊断理论和处理方法，解 决制约该问题解决的瓶颈问题，为准确实时的泄漏检测判断和定位提供基础。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 输气管道泄漏检测方法综述 1 2 1 泄漏检测方法的主要评价指标 在泄漏诊断技术方面，为保证输气管道的安全性，降低事故的危害，需要比较评价 各种泄漏检测方法的优劣，可以采用以下1 0 个指标进行综合考察f l 】1 2 】1 3 】： ( 1 ) 泄漏检测的灵敏度 泄漏检测的灵敏度是泄漏检测系统所能检测出管道泄漏量的范围大小，即泄漏检测 系统所能检测到的最小流量，也可用相对值( 即最小流量与正常输送流量的百分比) 来表 示。根据泄漏量的不同，管道泄漏般分为小漏、中漏、大漏。较大的泄漏往往是比较 容易检测的，泄漏较小时检测和定位就变得越来越困难。因此系统所能检测到的泄漏量 越小，说明检测系统的灵敏度越高。 ( 2 ) 泄漏点定位精度 泄漏点定位精度是指当发生不同级别的泄漏时系统所能确定泄漏点位置的范围。泄 漏定位精度可以用泄漏范围的绝对值表示，也可以用其相对值即泄漏范围与整个管段长 度的比值来表示。 ( 3 ) 泄漏检测的实时性 泄漏检测的实时性是指管道从开始泄漏到被检测出泄漏的时间长短，也就是响应时 间的长短。所需响应时间越短，说明系统越好。 ( 4 ) 可靠性 可靠性是指在给定的时间内系统正常运行的能力。可靠性通常用平均故障间隔时间 或正常运行时间与出错次数之比为度量标准，系统的可靠性越高，说明系统越好。 ( 5 ) 误报率和漏报率 误报是指在没有发生泄漏时检测系统却错误地判断出泄漏；漏报是指发生了泄漏时 系统却没有检测出来。误报率和漏报率是指发生误报或者漏报的次数占总检测次数的比 例。误报率和漏报率越低，表明检测系统的准确性越高。 ( 6 ) 泄漏辨识的准确性 泄漏辨识的准确性指泄漏检测系统对泄漏量大小及其时变特性估计的准确程度。通 过对泄漏时变特性的准确估计，不仅可以识别泄漏的程度，而且可以对老化、腐蚀的管 道进行预测并给出一个合理的处理办法。 ( 7 ) 正常操作和泄漏的区分能力 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 正常操作和泄漏的区分能力是指对正常的起、停泵或压缩机等设备、调度、倒罐等 情况以及管道泄漏情况的区分能力。区分能力越强，系统误报率就越低。 ( 8 ) 适用性 指泄漏检测系统能否对不同的管道环境( 温度、压力、流量、湿度等) 具有抗干扰性； 是否对不同的输送介质、不同的操作者及当管道系统组成发生变化( 增加设各、支线) 时 具有通用性。 ( 9 ) 可维护性 首先，当检测系统发生故障时，经过简单快速地维护后，系统应能恢复正常的工作， 不应发生系统瘫痪或崩溃的恶性事故。其次，维修的方式采取在线维修还是停输维修对 系统的影响也很大。为确保不影响管网检漏系统的正常监测，应尽量使用具有在线维修、 升级功能的系统。 ( 1 0 ) 性价比 指的是检漏系统所能提供的性能与建设、运行及维护费用的比值。比值越高越好。 总之，评价一个泄漏检测系统的优劣，要综合以上各个指标来分析考虑，而不要仅 仅以某一个指标好坏来判别检测系统的优劣。企业在选择泄漏检测系统时，应综合考虑 各方面因素合理地进行选择。在对指标进行综合考虑时，以灵敏度、误报率、定位精度 和性价比最为重要。 1 2 2 主要的泄漏检测方法 目前，已发展了多种管道泄漏检测方法，从最简单的人工分段沿管道巡视到较为复 杂的软硬件相结合的方法，从陆地检测发展到海底检测，甚至利用飞机或卫星遥感检测 大范围管网等。 现有的天然气管道泄漏检测方法大致分为三种：一类是基于磁通、涡流、摄像等投 球技术的管内检测法，称为管道爬行机或者p i g 。该方法定位准确，但对管道条件要求 较高，实际使用时容易发生堵塞、停运等事故且无法在线检测；第二类是基于管线压力、 温度、流量、震动等运行参数的外部检测法，应用较多有流量差、压力差、负压波以及 声波法，这类方法费用较低并且可以连续在线检测，但定位的精度低，泄漏事故的漏报、 误报率高，真正意义上的工程应用还需要大量的工作。第三类是基于人工巡检开发的许 多辅助手段，如：便携式车载式红外、激光气体探测器，泄漏噪声探测器等仪器以及 专门训练的动物等以及针对某些特殊介质的电缆、光缆检测法。 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据工作原理的不同，长输管道泄漏检测主要方法有： ( 1 ) 管内智能爬机1 4 j 智能爬机在管道工业中广泛使用，如果配置各种传感器，就能组成智能爬机检测系 统。目前利用爬机可以检测管内的压力、流量、温度以及管壁的完好程度。爬机可以分 为两类：超声波检测器和漏磁通检测器。应用较多的是漏磁通检测器，即将爬机放入管 内，它就会在流体的推动下运动到下游，同时收集有关管内流动和管壁完好程度的信息。 对记录在爬行机内的数据进行处理后，可以得到很多信息，同时也可以判断管道是否泄 漏。其中漏磁信号处理包括管道异形物鉴别、缺陷漏磁信号补偿和缺陷识别几个步骤组 成，以及在此基础上发展起来的神经网络的漏磁信号模式识别技术。国外此项技术已经 比较成熟，并用于各种管道当中。它的作用不仅在于泄漏检测，而且是综合性的管道检 测系统。但是，爬机只适用于那些没有太多的弯头和联接处的管道，它的操作需要有丰 富的经验。此外，爬机系统不能实现连续的在线检测，而且检测系统价格非常昂贵。 ( 2 ) 质量或体积平衡法1 5 】 根据质量体积平衡，管道内介质的流进与流出应相等，即进出口处的流量相等。 当泄漏程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。但实际上，流量取决于介 质的各种性质( 如温度、压力、密度、粘度) 和状态，综合考虑管道的运行情况和各种 因素影响，可允许流量在一定的范围内变化，超出此范围就可判定为泄漏。此方法可判 定泄漏，但由于气体的可压缩性和流量测量的非同步性，这种方法误报率高，检测的灵 敏性也很低，不能用来精确定位，而且这种方法需要测量流量信号，对于管网流量计的 安装和维修也很困难，也不适用于输量频繁变化的情况，不能满足实际需要，只能与其 他的方法配合使用。 ( 3 ) 光纤传感技术【6 】【7 】 光纤传感技术是近年来发展的一个热点，它在实现物理量测量的同时可以实现信号 的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性。用光纤传感技术检测管道泄 漏的方法是根据管道中输送的物质泄漏会引起周围环境温度的变化，利用分布式光纤温 度传感器连续测量沿管道的温度分布，当管道的温度变化超过一定的范围，就可以判断 发生了泄漏。分布式光纤温度传感器系统主要基于光时域反射技术和光纤光栅原理，其 中基于拉曼光反射的分布式光纤温度传感系统( d t s ) 应用较多，基于拉曼散射的分布式 温度传感技术最为成熟。国外已应用于管道检漏，国内尚没有应用。 此外，随着各种分布式光纤传感器的发展，未来可以实现利用一根或几根光纤对天 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 然气管线内介质的温度、压力、流量、管壁应力进行分布式在线测量，这在管道监控系 统中将极具应用潜力，但是这种泄漏检测系统造价非常昂贵，一条6 0 公里的管道光纤 传感器泄漏检测系统的造价就超过千万元，且施工维护不便，光纤震动传感器属精密电 子仪器，精确性要求高，精确度直接影响检测效果。 ( 4 ) 统计决策方法【8 】【9 1 随着管道s c a d a 系统的发展，以软件为基础，也开发出一些新的泄漏检测方法， 例如统计决策法等。统计决策方法是壳牌公司开发出的一种不带管道模型的新型的管道 检漏方法。它使用序贯概率比检验( s p i 玎) 的方法对实测的压力、流量值进行分析， 计算连续发生泄漏的概率，并利用最小二乘法进行泄漏点定位。该方法使用统计决策论 的观点较好地解决了瞬态模型中误报警的问题，而且不用计算复杂的管道模型，降低了 计算上的复杂性。统计泄漏检测系统还具有在线学习的能力，可以适应管道参数的变化。 但是，目前，统计检漏法还很不成熟，存在许多未解决的问题。它主要的缺点是对仪器 的要求比较高，特别是对流量信号的要求更高。 ( 5 ) 负压波检测法【l o 】 在泄漏发生时，泄漏处立即产生因流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬 时压力降低和速度差，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道 和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时 产生的减压波就称为负压波。如果在管道两端设置压力传感器检测到负压波，就可以判 断泄漏并对泄漏进行定位。应用负压波检测法的关键是区分正常操作与泄漏带来的负压 波。一种解决方法是在管道的两端各安放两个传感器，通过硬件电路延时的方法，将来 自操作站方向的负压波信号滤除。国内有人提出了用结构模式识别的办法，根据发生泄 漏与正常操作产生的负压波形状不同来确认泄漏。负压波检测法可以迅速检测出1 0 - - 一 2 0 以上的泄漏，但是对于比较小的泄漏或已经发生的泄漏效果不佳。误报率高也是这 种方法的一个致命的缺点。 ( 6 ) 音波检测法【1 1 】【1 2 l 音波检测法是现代检测技术中的一个热点，也是很有发展潜力的一种检测技术。它 是基于物体间的相互碰撞均会产生振动，发出声音，形成声波的原理所开发的管道泄漏 检测系统。当管道发生破裂时管道内输送介质与管壁摩擦产生声波震荡，声波沿着管道 内流体向管道上下游高速传播，安装在管段两端的声波传感器监听并将捕捉到的声波波 形，并与计算机数据库中的模型比较，确定管道是否发生了泄漏及泄漏量等数值，同时 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据管道在两端捕捉到的泄漏信号的时间差计算得到泄漏位置。这种方法可以实现连续 的在线检测，并且能检n n 很d , 的泄漏量，具有很好的灵敏性，误报率低，定位精度高， 适应性好，安装费用和维护费用也较低。美国a c o u s t i cs y s t e mi n c ( a s i ) 公司己采用声 波检漏技术2 0 多年，开发的w a v e a l e r t 声波管道泄漏检测系统在美国、澳大利亚和 我国台湾地区等国家和地区的2 2 个压力管道工程上得到应用。我国的西气东输管线的 苏浙沪段干线也安装了我国首套声波测漏系统进行现场试验。 ( 7 ) 瞬态模型法【1 3 】【1 4 】 瞬态模型法是近年来国际上着力研究的管道泄漏检测方法。它的基本思想是建立管 内流体流动的数学模型，在一定边界条件下求解管内流场，然后将计算值与管端的实测 值相比较。当实测值与计算值的偏差大于一定范围时，即认为发生了泄漏。在泄漏定位 中使用稳态模型，根据模型法的报警门限值与测量仪器误差、流动模型误差、数值方法 误差以及要求的报警事件有关。如果采用较小门限值来检测更小的泄漏，那么由于以上 原因导致的不确定性就会产生更多的误报警；如果要求低的误报警率，那么所能检测到 的最小的泄漏必然变大。主要的方法有以估计器为基础的瞬态模型法、以系统辨识为基 础的瞬态模型法、基于卡尔曼滤波器的瞬态模型法。该方法要求建立准确的管道模型， 但是，影响管道动态仿真计算精度的因素众多，因此采用此方法进行泄漏检测及定位的 难度很大，而且误报率高是瞬态模型法在实际应用中的一个难以解决的问题。 1 3 输气管道泄漏检测技术国内外研究现状 对管道泄漏检测方法的研究己有几十年的历史，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1 卯。 国外一些较发达国家从7 0 年代末已经开始对管道泄漏故障进行了研究，8 0 年代末 进入较实用的商品阶段。目前，国外的输油管道实时检测技术己趋于成熟，但是由于输 气管道本身的复杂性，这就给泄漏检测带来了一定的难度，该技术在国内外还处于探索 阶段，只有很少的一部分公司成功的研制了相应的产品，并取得了较好的检测效果，例 如美国a s i 公司开发的基于音波原理的w a v e a l e r rv i i 系统以及澳大利亚f f t 公司开发 的基于模态分布调制干涉技术的油气管道检测系统( f f ts e c u r ep i p e ) 等。 德国学者r i s e r m a n n 和h s i e b e r t 经过多年研剜泊l ，提出将输入输出的流量和压力 6 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 信号经过处理后进行互相关分析的泄漏检测方法。该方法能够有效地检测出较小的泄 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 具有较大的启发意义，但是这种方法计算量较大，检测的实时性较差。t o s h i of u k u d a 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【1 7 】，该方法通过自回归模型 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。该方法 建立起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，抗干扰能力较差。 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 b i l l m a n 和r i s e r m a n n ( 1 9 8 7 年) 提出采用非线性模型的非线性状态观测器的方 法，a b e n k h e r o u f ( 1 9 8 8 年) 提出卡尔曼滤波器方法【l 引，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。文献【1 9 】提出了一种不包含故障的模型法，直接针 对管道的分布式参数系统模型设计状态观测器。该方法由于没有经过模型线性化，所以 定位精度比较差。文献【2 0 】将管道的分布式参数系统模型进行离散化，然后使用差分法 建立了一个部分线性化的模型，设计其观测器得到流量信号偏差，进而对泄漏检测和定 位。包含故障的模型法建立的管道模型预先假定管道有几处指定的位置发生了泄漏，通 过状态估计得到这几个预先假定的泄漏点的泄漏量估计值，运用适当的算法便可进行泄 漏检测与定位。文献【2 1 将管道等分成若干段，利用特征线法建立状态空间离散模型， 然后设计此模型的扩展k a l m a n 滤波器来估计泄漏量，取得了较好的效果。但在实际应 用中要建立一条管道的精确数学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、流体物性等改变，积蜡、结垢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，与实际工况有定偏离。同时这种方法计算量偏大。 荷兰壳牌石油公司的x u e j u n z h a n g 提出了一种气体或液体管道的统计检漏法【2 引。该 方法根据在管道的入、出口测取的流体流量和压力，连续计算泄漏的统计概率。对于最佳 检测时间，使用序列概率比实验( s p r t ) 方法。当泄漏确定之后，可通过测量流体流量和压 力及统计平均值估算泄漏量，用最小二乘法进行泄漏定位。该方法己集成化为一实际的 应用软件( a t m o s p i p e ) ，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。该方法最主要的突破在于无需复杂的管道模型就可达到较高的检测性能。缺 点是检漏精度受仪表精度影响大，定位精度欠佳。 相比于时域分析，w i t n e s s ( 2 0 0 1 年) 提出了采用频域分析的频域响应法【z 川，其基 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 本思想是将管道系统的模型转换到频域进行泄漏检测和定位分析。该方法相比于时域分 析，具有节约计算时间，提高检测速度的优点。 由于在由时域向频域转换的过程中一些有用的信息会丢失，为避免这一缺陷，m a r c o f e r r a n t e ( 2 0 0 3 年) 提出了采用小波分析的方法【2 4 j ，利用小波技术对管道的压力信号进 行奇异性分析，由此来检测泄漏。 随着光纤技术的发展，光纤传感技术开始运用于石油管道安全监测中。尤其是光纤 分布式传感技术，由于可获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点，非常适合于 大型工程结构监测、长距离管线监控、大范围地域安防等领域。分布式光纤传感器的主 要技术方法有很多，但是实际上主要应用的分布式光纤传感技术是光时域反射( o t d r ) 法和干涉法。 光时域反射( o t d r ) 技术由b a m o s k i 2 5 j 在1 9 7 6 年提出，是实现分布式光纤传感的 关键技术。s p i r i n 2 6 】利用o t d r 技术开发了用于石油碳氢化合物泄漏定位的分布式光纤传 感器。但是这种方法只能用于探测碳氢化合物类液体泄漏，不能用于其他流体泄漏探测。 s h i m i z uk 等人【2 7 】利用自发布里渊散射技术开发了长4 0k m 的温度应变分布式光纤传感 器，并且，通过相干自外差检测技术来提高布里渊后向散射信号的信噪比，空间分辨力 为1 0 0 m 。p a r k e rtr 等人例首次利用自发布里渊散射技术开发了同时进行温度和应变测 量的分布式光纤传感器，在1 2 k m 长光纤上，应变和温度的分辨力分别是l o o x l o 西和4 c ， 空间分辨力为4 0 m 。v o g e l 等k 1 2 9 】等详细的介绍了基于喇曼背向散射的分布式光纤温度 传感器在天然气、石油等管道泄漏检测中的应用。虽然基于o t d r 技术的分布式光纤传 感器已经较为成熟，市场上也有相应的产品，在油管监控领域进行了初步的，试验性的 应用，如日本安腾公司基于b o t d r 的产品已在s h e l l 公司石油管线进行初步试验。但基于 o t d r 原理开发的检测系统在用于管道泄漏监测时存在性价比低、检测灵敏度低、检测 距离短不能做到实时监控等缺点，所以，应用范围狭窄，缺乏实用性。 干涉式光纤传感技术是利用光纤受到所监测物理场感应，如，温度、旋转、压力或 振动等。使导光相位产生延迟，经由相位的改变，造成输出光的强度改变，进而得知待 测物理场的变化。干涉式分布光纤传感器相对于o t d r 技术的优点是干涉式传感器的动 态范围大、灵敏度高，因此，可以实现管道小泄漏检测。干涉法中主要应用的是s a g n a c 干涉和模态分布调制干涉等技术。1 9 9 1 年k u r m e r 等人开发了基于s a g n a c 光纤干涉仪原理 的管道流体泄漏检测定位系统【3 们，并取得了较好的试验效果。但是该技术还处于刚刚起 步阶段，还有大量的问题需要进一步的研究。澳大利亚f f t 公司已经开发出了基于模态 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 分布调制干涉技术的油气管道检测系统( f f ts e c u r ep i p e t m ) ，该系统在油气储运领域 的应用受到了世界各国油气储运业的关注，它能够用于天然气长输管道以及分输管道的 泄漏检测系统，该系统已经成功地应用于美国n e wy o r kg a sg r o u p 和印度尼西亚的 g u l f r e s o u r c e sl t d 的长输管道上，取得了理想的效果。 声波泄漏检测技术也是近年来国内外的泄漏检测技术的研究热点之一，根据检测原 理的不用，可用于气体长输管道的泄漏检测方法主要有声发生和音波泄漏检测法。声发 射泄漏检测技术还处于室内试验阶段，l e e t 3 2 1 将声发射技术用于管线的泄漏检测，采用 了基于信号幅度衰减和时间行程两种不同方法对泄漏源进行定位。试验结果表明，基于 衰减的方法对于泄漏检测更为有效，如果考虑衰减的影响，源定位可以更为准确；试验 中的泄漏信号的频带大部分集中在1 4 0 - - 1 6 0 k h z ，因此试验中共振频率为1 5 0 k h z 的传 感器最适合检测泄漏信号。针对现有无损检测方法还不能实现地下管线4 5 5 c m 3 h 的泄漏 检测，m i l l e t 3 3 】设计了试验装置，建立了声发射泄漏检测系统，其中的模拟泄漏源具有可 重复性。m i l l e t 3 4 】建立了一种参考标准，用于管线泄漏的声发射检测装置的搭建和评价。 在音波检测技术比较成熟，美国a s i 公司已开发出w a v e a l e r t v l 泄漏检测系到3 5 1 ，系统由 次声波传感器、g p s 、现场数据采集处理器、中心数据汇集处理器和监控主机组成，其 核心关键技术是高灵敏度的音波检测传感器、背景噪音的甄别和滤除算法、成熟可靠的 系统数据库模型等，该系统已经在美国、澳大利亚和我国台湾地区等国家和地区的2 0 多 个压力管道工程上得到应用，同时也在我国西气东输管道工程的山西段和苏沪浙段进行 了试验，并取得了较好的效果。 瞬态模型法也是近年来国际上着力研究的检测管道泄漏的方法。国外对这方面的研 究起步较早，源于上个世纪6 0 年代，目前，该技术较为成熟，国外已开发出基于这种 方法的泄漏检测和定位系统。例如应用于日本新泻仙台的天然气管线泄漏检测系统就 是基于该原理而开发的，现场使用的结果表明：其定位精度可达4 ，灵敏度达1 1 9 ( 1 8 以上的泄漏量可以被检测出来) ，响应时间为4 到8 分钟1 3 6 】，完全可以满足工 业生产的需求。目前，世界上还有其他公司也开发出基于该原理的泄漏检测系统产品， 比如，德国科隆公司开发的p i p ep a t r o l 管道检测系统【3 7 1 ，这个系统可以实现零误报率， 定位精度很高，这套系统在长达1 1 2 公里的输送次临界乙烯气体管线上进行了试验，实 验表明定位精度在0 1 以内。 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同益紧迫的问题。 9 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 八十年代以来，我国的一些科研院所和高校在负压波法、微波、分布式光纤检测法、声 波检测法、管道实时模型法以及信号滤波等方面进行了卓有成效的研究。 文献 3 8 】( 2 0 0 6 年) 首次提出了基于微波技术的输气管道泄漏检测方法，该方法的 原理是在管道的一端放置微波源，通过管道另一段的接收器对微波信号进行接收，通过 对接收的微波信号进行处理和识别就能够进行泄漏检测和判断；该方法虽然取得了些 成效，但是还存在很多难以解决的问题。 文献 3 9 】( 1 9 8 9 年) 提出了一种基于k u l l b a c k 信息测度的长输管线泄漏检测方法。 它通过对管线两个端点附近的压力梯度所构成的时间序列进行分析，从而检测出泄漏。 这种方法只需要测量两个端点附近的四个压力信号，计算量教小，且在实际中容易实现。 文献 4 0 ( 1 9 9 0 年) 提出了采用带时变噪声估计器的推广k a h n a n 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 4 1 】( 1 9 9 2 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它的辅助措施。文献 4 2 】 ( 2 0 0 2 年) 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线 进行泄漏检测和定位的技术，自2 0 0 1 年4 月至今，在胜利油田“孤岛一永安 和“孤 岛一集贤”管线上得到了应用，并取得了良好的效果。文献【1 5 】将小波降噪、神经元网 络及负压波定位结合在一起，完成了一套泄漏检测及定位的软件系统，并成功应用于浙 江天然气管道项目中。文献 4 3 】( 2 0 0 4 年) 提出针对海底管道泄漏监测问题，基于信号 检测原理分析了受噪声干扰的流量差观测序列。引入了信息理论和自适应滤波算法，建 立了以泄漏信号的幅值为随机参量的二元复合假设检验模型，提出了具有一致最大功效 的序列似然比检验方法，并进行了平稳观测序列强泄漏信号和非平稳观测序列弱泄漏信 号的检测。 9 0 年代以来，国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行分布式光 纤传感技术的研究，从而得到快速发展，但是该技术还处于原理研究和方案探索阶段。 浙江大学和西安交通大学有监测海底石油管道损伤的分布式光纤传感系统的报道，但都 是利用光纤的散射机理进行检测的，是非实时系统。清华大学的赵洪志等人1 4 4 1 利用喇曼 背向散射的分布式光纤温度传感技术开发了分布式光纤温度传感器，并在长度为1 5 公里 的光纤上进行了实验，空间分辨力为1 5 6 m ，温度测量精度为7 。文献 4 5 提出了基 于光纤光栅温度传感技术的分布式光纤的天然气管道泄漏检测系统，并验证了该方法的 可行性。文献 4 6 1 提出了基于m a c h - z e h n d e r 光纤干涉仪的油气管道安全分布式光纤预警 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 系统，可实现对可造成泄漏因素进行预报警监测和定位。并使用了小波包的信号分析方 法对采集的信号进行分析，证明了基于小波包的信号处理方法对于油气管道安全警报系 统采集的信号分析时有效的，可以很明显的区分各种振动信号的特征。 在声发射泄漏检测方面，文献 4 7 利用声发射技术对管道泄漏进行检测，试验证明 应用泄漏应力波信号检测气体和液体的泄漏是可行的，并有较高的灵敏度，但存在的问 题是难于准确确定泄漏源的位置以及检测灵敏度受噪声影响等。因此要进一步推广应用 声发射技术，必须首先解决源定位不准确、信号解释和噪声问题。文献【4 8 】研究了管道 泄漏后形成多相湍流所引发的应力波在管道中的传播机理，分析了泄漏引发的管道横 振、纵振和圆环振动，提出了一系列应力波提取指标及离散数据算法。首次提出了以泄 漏信号特征指标构造神经网络输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模 型，以检测管道泄漏事故的发生，并根据这一理论设计了适用于工业应用的管道检测仪 器。 在音波法泄漏检测方面，中科院、清华大学以及沈阳工业大学等单位都做了大量的 工作，并取得了一定的成效。文献 4 9 】详细介绍了输气管道泄漏音波信号特征和泄漏检 测与定位的原理，通过应用输气管道泄漏检测音波泄漏传感器，设计了音波测漏系统的 硬件电路，实现了泄漏信号的有效识别与计算机系统的m a t l a b 数字信号处理算法设计。 在单片机中移植嵌入式操作系统s m a l lr t o s 5 1 实现多任务设计和实时数据传输，提高了 系统的实时性和可维护性。实验结果表明，该方法可以对管道泄漏进行有效的检测。 在瞬态模型泄漏检测法方面，自上实际8 0 年代中后期以来，我国也对瞬态模型法 进行了研究，但研究结果都是在实验室的模拟管道上得出的，并未在实际管道上进行验 证【5 】o 文献 5 0 】提出的基于模型法的不等温暑期管道泄漏检测技术，对不等温天然气管道 进行泄漏检测和定位。根据流体力学和热力学建立起天然气流动的连续性方程、动量方 程和能量方程，然后采用特征线法进行求解模型。并且在四川某直径为4 2 6 m m 、长度 为2 3 5 k m 、运行压力为1 2 到1 5 m p a 的输气管道上进行了现场试验，泄漏在1 8 秒之 后发生泄漏报警，4 7 秒后泄漏定位，误差为0 9 。 文献【5 】采用基于达西公式的瞬态模型理论的泄漏定位方法，这种方法主要是在不 考虑流体粘度等参数随温度的变化的情况下，通过对管道内的流体采用达西公式计算摩 擦压头损失，然后与管道入口和出口的压力差值进行比较，当两者的差值大于某个阈值 的时候，就认为发生了泄漏。并且根据响应的定位公式对泄漏进行定位。现场试验表明， 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 这种方法能检测出大于4 的泄漏量，但是其定位误差比较大，精度不足1 0 ，误差较 大的原因是没有考虑温度变化的诸多因素的影响。 清华大学杨杰等人提出了系统识别的方法进行泄漏检测【5 l 】，和建模法相比，具有实 时性强以及定位更加精确的优点，管道的模型也可以通过系统识别的方法来获得。但是 基于模型的这种方法建模的工作量很大，算法复杂，检测响应时间长。文献【5 2 】笔者论 述了建立管道数学模型的方法主要有状态估计器法、系统识别法和k a l m a n 滤波器法， 但是这些方法的泄漏定位都是建立在稳定流假设基础之上的，对于非稳定流的情况性能 变差。 文献【5 3 】笔者采用特征线法对建立的模型进行求解，对管道进行了两次仿真。仿真 结果表明该方法大大降低了从启动到稳定所需要的时间，提高了仿真系统的适用性。而 且求解速度快，定位精度在1 以内。可满足工程应用的需求。 文献 5 4 笔者利用管道的热力学模型、动力