基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103775832 A (43)申请公布日 2014.05.07 CN 103775832 A (21)申请号 201410025252.X (22)申请日 2014.01.20 F17D 5/02(2006.01) (71)申请人 哈尔滨商业大学 地址 150028 黑龙江省哈尔滨市松北区学海 街 1 号 (72)发明人 徐莹 兰凯 刘天尧 (54) 发明名称 基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测 的装置 (57) 摘要 基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测 的装置， 属于长距离输油管道运行维护领域， 本发 明为解决现有检测输油管道漏失定量和定位的装 置存在使用。

2、成本高， 且耗时， 易受周围环境影响的 问题。本发明包括处理器、 存储器、 数据采集卡 和 M 个压力传感器 ； 在输油管道上均匀设置 M 个 压力传感器， 每个压力传感器的压力信号输出端 均与数据采集卡的压力信号输入端相连 ； 数据采 集卡的压力信号输出端与处理器的压力信号输入 端相连 ； 处理器的数据传输端与存储器的数据传 输端相连 ； 处理器对采集的压力信号进行实时处 理， 采用瞬变流反问题方法来判断输油管道是否 漏失。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1。

3、页 (10)申请公布号 CN 103775832 A CN 103775832 A 1/2 页 2 1. 基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 其特征在于， 它包括处理器 (1)、 存储器 (2)、 数据采集卡 (3) 和 M 个压力传感器 (4) ； 在输油管道上均匀设置M个压力传感器(4)， 每个压力传感器(4)的压力信号输出端均 与数据采集卡 (3) 的压力信号输入端相连 ； 数据采集卡 (3) 的压力信号输出端与处理器 (1) 的压力信号输入端相连 ； 处理器 (1) 的数据传输端与存储器 (2) 的数据传输端相连 ； 处理器 (1) 对采集的压力信号进行实时处理， 采用瞬变。

4、流反问题方法来判断输油管道 是否漏失。 2. 根据权利要求 1 所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 其特征在 于， 它还包括显示器 (6)， 处理器 (1) 的显示信号输出端与显示器 (6) 的显示信号输入端相 连。 3. 根据权利要求 1 所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 其特征在 于， 它还包括 M 个控制阀 (5)， 每个压力传感器 (4) 配备一个控制阀 (5)， 控制阀 (5) 用于控 制该压力传感器 (4) 是否发送数据。 4. 根据权利要求 1 所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 其特征在 于， 压力传感器 (4) 采用了中美合资。

5、麦克传感器有限公司的 MPM480 型压阻式变送器来实 现。 5. 根据权利要求 2 所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 其特征在 于， 处理器 (1) 对采集的压力信号进行实时处理， 采用瞬变流反问题方法来判断输油管道 是否漏失的过程包括以下步骤 ： 步骤一、 由初始稳定状态管道运行数据获得待测输油管道的基础压力波形 ； 步骤二、 周期性监测待测输油管道的压力情况， 获取待测输油管道上 M 个压力监测点 的 k 个周期的压力测量值 i 为待检测压力点的序号， i=1， 2,.， M， M 为待测压力点的数量 ； m 为周期， m=0， 1， .， k， 共 k 个周期 ； 步。

6、骤三、 漏失点初始化 ： i=1 ； 漏失系数初始化 ： s=s1， 且漏失系数数组为 s=(s1， s2， sN) 漏失系数数组的因子取值范围为 0.1 0.9 ； 步 骤 四、 获 取 第 i 个 压 力 测 试 点 一 组 管 瞬 变 流 压 力 值 j=1， 2， .， k， 第 j 个周期的管瞬变流压力值按如下公式获取 ： 其中 ： HL为当前压力监测点 P 点的前一点 L 处的压力 ； a 为瞬变流压力波传播速度， g 为重力加速度 ； vL为 P 点前一点 L 处的速度 ； 权 利 要 求 书 CN 103775832 A 2 2/2 页 3 f 为管道摩阻系数， t 为时间步长。

7、， D 为管道直径 ； p 为线性化常数 ； sin 为管道方向与水平方向成角的正弦值 ； 其中 ： HR为当前压力监测点 P 点的后一点 R 处的压力 ； vR为 P 点的后一点 R 处的速度 ； 步骤五、 根据反问题分析模型获取 s=(s1， s2， sN) 时第 i 个压力监 测点的 N 个值， 并存储 Ei(s)=minEi(s)， s=(s1， s2， sN) ； 步骤六、 判断是否满足条件 i M， 判断结果为否， 则令 i=i+1， 并返回执行步骤四 ； 判 断结果为是， 则 M 个压力监测点的数据反问题分析模型处理完成， 获取集合 Ei(s)， i=1， 2,.， M ； 步骤。

8、七、 若集合 Ei(s)， i=1， 2,.， M 中的 M 个值都为 0， 则判定待监测的输油管道无 漏失点 ； 否则， 对集合 Ei(s)， i=1， 2,.， M 中各个数值进行判断， 得到集合中的最小值， 即 minEi(s)， 该最小值对应的压力监测点被判定为管道漏失点。 权 利 要 求 书 CN 103775832 A 3 1/4 页 4 基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置 技术领域 0001 本发明涉及基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 属于长距离输油 管道运行维护领域。 背景技术 0002 输油管道在国民经济和军事任务中占重要的地位。 随着我国管道运输里程。

9、的迅速 增加， 运输能力得到了大幅度的提高。 然而管道的施工质量、 超年限的运行、 老化、 腐蚀以及 盗油事件等严重的影响了油气田的正常作业， 这不仅给国民经济和军事任务造成严重的影 响， 而且还污染了周边的环境。目前油田现场所应用的输油管道泄漏检测技术只能检测到 较大的泄漏事故， 而对较小的泄漏不能精确的检测及定位。 0003 常用的检漏技术按时间可分为早期检漏法和现代检漏法。 早期石油天然气管道的 泄漏检测主要采用人工分段巡视法。缺点是报警的灵敏度低， 且在一些恶劣环境下的泄漏 检测难度更大。现代的检漏方法主要分为三大类 ： 0004 1.基于物质平衡的方法。 基于物质平衡的方法即流量平衡。

10、法。 输油管道正常运行 时， 管道的入口端和出口端的流量几乎不变， 但是产生泄漏后， 入口端和出口端必然产生流 量差。因为流体介质的性质变化和管道本身存在弹性等因素影响， 出入口端的流量变化必 然村子一个缓冲过程， 所以检测不精确且无法确定泄漏点的位置。 0005 2. 基于信号处理的方法。我国的一些科技人员自八十年代起开始在应力波法， 负 压波法等方面开始了深入研究。在 石油学报 中的 原有管道漏点定位技术明一文章中得 到了负压波理论的两种定位方法 ： (1) 基于一种快微分算法的瞬态负压波定位方法， (2) 极 性相关漏点定位方法， 认为两种方法配合使用， 相互参照能够提高泄漏点定位的准确。

11、性。 然 而负压波法不仅存在信号检测微弱而且检测的方式被动， 对于向的泄漏检测不灵敏。目前 通过应用SCADA系统和所配备的PLC系统对在线管道数据进行采集， 分析得到漏失信息， 但 这两个系统相互独立， 造成硬件设备的重复投资， 也给后期施工和系统维护增添了难度。 0006 3. 基于模型的方法。模型检测方法即建立输油管道的实时模型， 对管道流量和压 力进行在线估算， 然后与实测的管道流量和压力值进行对比， 判断是否漏失。 基于瞬变流实 时模型是近年来国际上发展起来的泄漏检测方法， 此方法是对管道输送介质的各种动态变 化进行实时数值模拟， 建立数学模型， 再根据实际值和测量值差值检测泄漏， 。

12、但此方法适用 于大泄漏对于小的泄漏检测不灵敏。 0007 此外， 目前还有比较流行的 (1) 基于管道热力综合模型的压力梯度法， 该方法需 要流量信号， 而且需要建立较复杂的数学模型， 计算量大。(2) 光纤泄漏检测法。此方法必 须靠近泄漏位置检测， 虽能检测小泄漏但成本过高， 被污染的电缆必须及时的更换， 因此还 存在维修和为胡的工作量大等缺点。 0008 综上， 现有检测输油管道漏失定量和定位的装置存在使用成本高， 且耗时， 易受周 围环境影响的问题。 说 明 书 CN 103775832 A 4 2/4 页 5 发明内容 0009 本发明目的是为了解决现有检测输油管道漏失定量和定位的装置。

13、存在使用成本 高， 且耗时， 易受周围环境影响的问题， 提供了一种基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失 检测的装置。 0010 本发明所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置， 它包括处理器、 存储器、 数据采集卡和 M 个压力传感器 ； 0011 在输油管道上均匀设置 M 个压力传感器， 每个压力传感器的压力信号输出端均与 数据采集卡的压力信号输入端相连 ； 0012 数据采集卡的压力信号输出端与处理器的压力信号输入端相连 ； 0013 处理器的数据传输端与存储器的数据传输端相连 ； 0014 处理器对采集的压力信号进行实时处理， 采用瞬变流反问题方法来判断输油管道 是否漏失。 001。

14、5 本发明的优点 ： 0016 1. 本发明通过实时监测并采集输油管道的运行数据， 并对其运行情况进行实时判 断， 判断时间短， 不受周围环境影响， 可以实现输油管道漏失情况的在线监测。对于管线的 漏失情况， 能够及时做出反应， 将漏失的损失降低至最小。 0017 2. 本发明通过在系统中激发不会对系统本身产生任何危害的低强度瞬变流动， 同 时选定系统中的测压点， 通过实时监测， 获得这些测压点在瞬变过程中的压力响应值， 从而 辨识系统的管道漏失特性， 具有报警精度高和定位准确的特点， 与其他方式相比降低了误 报率。 0018 3. 本发明所采用的监测和采集设备均系管道测量中的常规设备， 无需。

15、增加额外的 硬件设备， 因而降低了管道泄漏检测的造价， 经济上合理， 已建和在建的管道均可适用。 附图说明 0019 图 1 是本发明所述基于瞬变流反问题方法的输油管道漏失检测的装置的结构示 意图 ； 0020 图 2 是 x-t 平面上的特征线示意图。 具体实施方式 0021 具体实施方式一 ： 下面结合图 1 说明本实施方式， 本实施方式所述基于瞬变流反 问题方法的输油管道漏失检测的装置， 它包括处理器 1、 存储器 2、 数据采集卡 3 和 M 个压力 传感器 4 ； 0022 在输油管道上均匀设置M个压力传感器4， 每个压力传感器4的压力信号输出端均 与数据采集卡 3 的压力信号输入端。

16、相连 ； 0023 数据采集卡 3 的压力信号输出端与处理器 1 的压力信号输入端相连 ； 0024 处理器 1 的数据传输端与存储器 2 的数据传输端相连 ； 0025 处理器 1 对采集的压力信号进行实时处理， 采用瞬变流反问题方法来判断输油管 道是否漏失。 0026 压力传感器 4 采用了中美合资麦克传感器有限公司的 MPM480 型压阻式变送器来 说 明 书 CN 103775832 A 5 3/4 页 6 实现。 0027 工作过程主要包含三部分工作内容 ： 1. 在管道确定无漏失的情况下， 采集管道数 据， 作为管道的基本状况数据库， 然后， 产生某一特定的瞬变激励 ( 如轻微关闭。

17、管道中某一 个阀门 )， 采集发生基础瞬变流状况下的管道数据， 作为管道稳定运行状态时的基础波形 图 ； 2. 管道运行时， 建立泄漏发生时的瞬变流压力波形。输油管道中的瞬变工况通常由阀 门快速启闭、 停泵水锤及管道破裂等事件引起， 而在反问题分析中以节点泄漏为自发瞬变 激励， 在输油管道中设置多个压力监测点， 在泄漏发生时的瞬变过程中定时采样， 从而得到 某一特定时间段内的压力波形， 并与前一次采集的基础波形图进行分析和比对， 如果波形 无变化则无漏失， 如果有异常变化则确定为发生了漏失 ； 3. 当管道发生漏失时， 采集的管 道数据， 作为发生漏失时的压力波形图， 存入模块， 与基础波形图。

18、进行对比， 通过集成的分 析模块， 得到发生异常的位置和漏失量大小， 即确定为漏失。进行漏失检测的分析， 从而得 到漏失量和漏失位置。 通过对发生漏失时瞬变过程压力值进行分析， ， 通过假设每个监测点 产生不同漏失量时， 进行瞬变流分析， 与监测点得到的压力值进行对比， 以最小的泄漏瞬变 压力值与基础瞬变压力值之间的差为目标， 从而确定漏点位置和漏失系数。这个过程就是 反问题分析过程， 采用特定算法， 通过对解空间不断迭代， 以达到寻优的目的。 0028 具体实施方式二 ： 本实施方式对实施方式一作进一步说明， 它还包括显示器 6， 处 理器 1 的显示信号输出端与显示器 6 的显示信号输入端。

19、相连。 0029 具体实施方式三 ： 本实施方式对实施方式一或二作进一步说明， 它还包括 M 个控 制阀 5， 每个压力传感器 4 配备一个控制阀 5， 控制阀 5 用于控制该压力传感器 4 是否发送 数据。 0030 具体实施方式四 ： 下面结合图 1 和图 2 说明本实施方式， 本实施方式对实施方式 一、 二或三作进一步说明， 处理器 1 对采集的压力信号进行实时处理， 采用瞬变流反问题方 法来判断输油管道是否漏失的过程包括以下步骤 ： 0031 步骤一、 由初始稳定状态管道运行数据获得待测输油管道的基础压力波形 ； 0032 步骤二、 周期性监测待测输油管道的压力情况， 获取待测输油管道。

20、上 M 个压力监 测点的 k 个周期的压力测量值 0033 i 为待检测压力点的序号， i=1， 2， .， M， M 为待测压力点的数量 ； 0034 m 为周期， m=0， 1， .， k， 共 k 个周期 ； 0035 步骤三、 漏失点初始化 ： i=1 ； 漏失系数初始化 ： s=s1， 且漏失系数数组为 s=(s1， s2， sN) 漏失系数数组的因子取值范围为 0.1 0.9 ； 0036 步骤四、 获取第 i 个压力测试点一组管瞬变流压力值 0037 0038 j=1， 2， .， k， 0039 第 j 个周期的管瞬变流压力值按如下公式获取 ： 0040 0041 其中 ： 0。

21、042 HL为当前压力监测点 P 点的前一点 L 处的压力 ； 参见图 2 所示。 说 明 书 CN 103775832 A 6 4/4 页 7 0043 a 为瞬变流压力波传播速度， g 为重力加速度 ； 0044 vL为 P 点前一点 L 处的速度 ； 0045 f 为管道摩阻系数， t 为时间步长， D 为管道直径 ； 0046 p 为线性化常数 ； 0047 sin 为管道方向与水平方向成角的正弦值 ； 0048 0049 其中 ： HR为当前压力监测点 P 点的后一点 R 处的压力 ； 0050 vR为 P 点的后一点 R 处的速度 ； 0051 步骤五、 根据反问题分析模型获取 s。

22、=(s1， s2， sN) 时第 i 个压 力监测点的 N 个值， 并存储 Ei(s)=minEi(s)， s=(s1， s2， sN) ； 0052 步骤六、 判断是否满足条件iM， 判断结果为否， 则令i=i+1， 并返回执行步骤四 ； 判断结果为是， 则 M 个压力监测点的数据反问题分析模型处理完成， 获取集合 Ei(s)， i=1， 2,.， M ； 0053 步骤七、 若集合 Ei(s)， i=1， 2,.， M 中的 M 个值都为 0， 则判定待监测的输油管 道无漏失点 ； 0054 否则， 对集合 Ei(s)， i=1， 2,.， M 中各个数值进行判断， 得到集合中的最小值， 。

23、即 minEi(s)， 该最小值对应的压力监测点被判定为管道漏失点。 0055 瞬变流反问题分析指在系统中激发不会对系统本身产生任何危害的低强度瞬变 流动， 同时选定系统中的测压点， 通过实时监测， 获得这些测压点在瞬变过程中的压力响应 值， 从而辨识系统的水力元件特性， 如阀门工况、 管道粗糙度和管道漏失等， 而所有水力元 件特性均反映在输油管道系统模型中。因此， 基于瞬变反问题分析的输油管道漏失检测装 置， 实质上就是进行输油管道参数识别过程。 当输油管道内有微小泄漏发生时， 很难从流量 的改变上发现泄漏的发生， 但是， 泄露点相当于产生了瞬变流的激励， 这时从泄露点开始， 就会产生压力波， 分别向上游和下游传递， 如果能检测到压力波动的变化， 并与数据库中的 假设漏水点集合和漏失系数集合进行比较， 那么就很容易的确定漏失的位置以及漏失的大 小。 说 明 书 CN 103775832 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103775832 A 8 。