一种管道泄漏监测方法及装置.pdf

本发明是一种管道泄漏监测方法及装置。涉及声波的测量、测量流体压力和管道系统技术领域。它是在管道首、末端各安装一套动态压力传感器(1a)、(1b)和静态压力传感器(2a)、(2b)，将该动态压力传感器(1a)、(1b)和静态压力传感器(2a)、(2b)测到的声波信号分别经过数据采集装置(3a)、(3b)处理，取出泄漏信号；同时采用全球定时系统GPS确定泄漏声波信号传到监测管段两端的时间；将采集的时间相加减后乘以声波在介质中的传播速度可以对泄漏点进行定位。本发明能可靠、准确地判断管道内发生的泄漏，

1.  一种管道泄漏监测方法，其特征是在管道首、末端各安装一套动态压力传感器(1a)、(1b)和静态压力传感器(2a)、(2b)，将该动态压力传感器(1a)、(1b)和静态压力传感器(2a)、(2b)测到的声波信号分别经过数据采集装置(3a)、(3b)处理，取出泄漏信号；同时采用全球定时系统GPS确定泄漏声波信号传到监测管段两端的时间；将采集的时间相加减后乘以声波在介质中的传播速度可以对泄漏点进行定位。

2.  一种据权利要求1所述一种管道泄漏监测方法的一种管道泄漏监测装置，其特征是由基站和中心站装置(4)两部分组成；基站部分包括动态压力传感器(1a)、静态压力传感器(2a)、数据采集传输装置(3a)、GPS全球定时系统；中心站装置(4)由中心计算机和GPS组成；在管线的每个管道站点设置一个基站，中心站则对整条管线的基站进行管理；在所监测管段的首、末端基站中各安装一套动态压力传感器(1a)和静态压力传感器(2a)，传感器输出通过控制电缆接到数据采集传输装置(3a)，传感器安装在输油站的工艺区内，数据采集传输模块安装在站控室内；基站与中心站装置(4)的连接方式由各输油站之间的通信方式决定，为电话通信、卫星通信或光纤通信，基站通过合适的通信方式将有效数据传输给中心站计算机，由中心站装置(4)的计算机对数据进行分析判断处理，如有泄漏则发出声光报警并定位；
安装在管道首、末端的基站装置采集压力信号，即由安装在管道首、末端的各一组动态压力传感器(1a)和静态压力传感器(2a)同时测量监测管段两端的动态压力和静态压力，将实时采集的动态压力和静态压力数据传给数据采集传输装置(3a)，数据采集传输装置(3a)将信息传输到中心站中心控制计算机；中心站计算机经过数据处理来判断管道是否发生泄漏，一旦发现泄漏事件系统进行报警并定位。

3.  根据权利要求2所述的一种管道泄漏监测装置，其特征是该装置的电原理是安装在管道首、末端每一端的动态压力传感器(1a)的输出先接由三级运算放大器组成的信号处理电路，后与静态压力传感器(2a)的输出各经一500Ω电位器接到数据采集传输装置(3a)PCI6023E的I/O连接器，其中数据采集传输装置(3a)PCI6023E内的I/O连接器经A/D转换接PCI总线，数据采集传输装置(3a)的输出接计算机UNO3072的输入，同时GPS也接计算机的输入，每个基站计算机的输出经传输至中心站装置(4)计算机的输入，同时GPS也接中心站装置(4)的计算机的输入，中心站装置(4)计算机的输出接显示器和报警电路。

4.  根据权利要求2和3所述的一种管道泄漏监测装置，其特征是所述数据采集装置(3a)为数据采集卡+计算机方式或数据采集单元+远程传输单元方式。

5.  根据权利要求2和3所述的一种管道泄漏监测装置，其特征是所述动态压力传感器(1a)采用压电式压力传感器，静态压力传感器(2a)采用管道上普遍采用的压力变送器。

一种管道泄漏监测方法及装置
技术领域
本发明是一种管道泄漏监测方法及装置。涉及声波的测量、测量流体压力和管道系统技术领域。
背景技术
管道泄漏不仅造成巨大的经济损失，而且会造成环境污染、人员的伤亡等，及时发现管线事故并排除事故是安全生产的重要环节，因此建立可靠的泄漏监测系统，对管线提供连续不间断的检测，在实际的安全生产具有越来越重要的意义。近年来，管线泄漏监测及定位问题越来越受到人们的重视。
中国发明专利申请号为99107241.3及200410019451.6的文件公开了基于静态压力即负压波技术的管道泄漏监测方法。中国发明专利申请号为200710097721.9的文件公开了基于动态低频技术的泄漏监测方法。其所揭示的是根据采集的动态压力信号来判断管道泄漏事件的发生。以上专利在其专利申请文件中都做了具体介绍，在此不再阐述。
受现场工艺操作如调阀、加压、起停泵等噪声的干扰，单独使用基于动态压力或静态压力的管道泄漏监测系统都存在误报率较高的问题。而无论是动态压力传感器还是传统的压力静态压力传感器，反映的都是泄漏信号的部分特征，因此，对两种传感器信号进行联合分析，可得到关于泄漏的更多的信息。
发明内容
本发明的目的是发明一种可靠、准确的管道泄漏监测方法及装置。
本发明提供的泄漏监测方法是通过安装在管道首、末端的动态和静态压力传感器检测管道中泄漏引起的沿管道传播的动态压力声波和静态压力声波信号来判断泄漏，并根据声波传播到管道首、末端的时间差确定漏点位置。
具体是在管道首、末端各安装一套动态压力传感器1a、1b和静态压力传感器2a、2b，将该动态压力传感器1a、1b和静态压力传感器2a、2b测到的声波信号分别经过数据采集装置3a、3b处理，取出泄漏信号；同时采用全球定时系统GPS确定泄漏声波信号传到监测管段两端的时间；将采集的时间相加减后乘以声波在介质中的传播速度可以对泄漏点进行定位。
利用声波检测方法有两种方法来进行检测，即测量动态压力和静态绝对压力。采用动态压力传感器1a、1b测量动态压力的方法比采用常用的压力变送器测量绝对压力的负压波方法有着较高的灵敏度，因为：负压波法利用压力变送器的绝对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压力变送器量程的一小部分。而动态压力传感器1a、1b直接测量的是管道压力的动态变化，通过适当调整，动态压力传感器1a、1b可以尽可能地反映管道泄漏引起的压力变化。因此，基于动态压力传感器1a、1b的管道泄漏监测比基于压力变送器的管道泄漏监测具有更高的灵敏度。当然，对于压力变化缓慢的场合，采用压力变送器可以检测出压力的改变，而动态压力传感器则不一定有反应。
本管道泄漏监测装置如图1所示，装置由基站和中心站装置两部分组成，中心站一般为一个装置，基站则根据管道情况由若干个组成。以下以安装在管道首、末端中一个端的基站a为例予以说明。
基站部分包括动态压力传感器1a、静态压力传感器2a、数据采集传输装置3a、GPS全球定时系统；中心站部分由中心计算机和GPS组成。一般是在管线的每个管道站点设置一个基站，中心站则对整条管线的基站进行管理。在所监测管段的首、末端基站中各安装一套动态压力传感器1a和静态压力传感器2a，传感器输出信号通过控制电缆传到数据采集传输装置3a，数据采集装置3a可以为数据采集卡+计算机的方式或数据采集单元+远程传输单元(RTU)等方式。在实施安装时，传感器安装在输油站的工艺区内，数据采集传输装置安装在站控室内。基站与中心站装置4的连接方式由各输油站之间的通信方式决定，基站通过合适的通信方式将有效数据传输给中心站计算机，由中心站装置4的计算机对数据进行分析判断处理，如有泄漏则发出声光报警并定位。
安装在管道首、末端的基站装置采集压力信号，即由安装在管道首、末端的各一组动态压力传感器1a和静态压力传感器2a同时测量监测管段两端的动态压力和静态压力，将实时采集的动态压力和静态压力数据传给数据采集传输装置3a，数据采集传输装置3a将信息传输到中心站中心计算机。中心站计算机经过数据处理来判断管道是否发生泄漏，一旦发现泄漏事件系统进行报警并定位。
基站与中心站装置4之间的通信方式由管线各输油站之间的通信方式决定，可以为电话通信、卫星通信或光纤通信。GPS确定泄漏声波信号从泄漏点传到监测管段两端的时间；数据采集传输装置3a同时处理静态压力和动态压力数据，根据压力变化从而判断管道内可能发生的泄漏，提高了泄漏监测系统的灵敏度。
其中：
动态压力传感器1a采用压电式压力传感器，直接测量管道压力的动态变化，通过适当调整，动态压力传感器可以尽可能地反映管道泄漏引起的压力变化；
静态压力传感器2a采用管道上普遍采用的压力变送器，测量静态绝对压力，采集管道内的泄漏负压波信号。
本管道泄漏监测装置的电路如图2所示，安装在管道首、末端每一端的动态压力传感器1a的输出先接由三级运算放大器组成的信号处理电路，转换成4～20mA电流输出后与静态压力传感器2a的4～20mA输出各经一个250Ω电阻接到数据采集传输装置3a中数据采集卡PCI6023E的输入端，再经PCI总线传给数据采集传输装置3a中的计算机UNO3072，同时GPS也接计算机的输入，每个基站计算机的输出经传输至中心站装置4计算机的输入，同时GPS也接中心站装置4的计算机的输入，中心站装置4计算机的输出接显示器和报警电路。
另一b基站与上述a基站完全相同，就不再赘述。
本发明根据压力变化能可靠、准确地判断管道内可能发生的泄漏，提高了泄漏监测系统的灵敏度。具有快速的反应速度和很高的定位精度，能够及时检测出泄漏，防止泄漏事故扩大，减少流体损失赢得宝贵的时间，是一种受到广泛重视的泄漏监测方法。
附图说明
图1管道泄漏监测装置原理框图
图2管道泄漏监测装置信号流程图
图3动态、静态压力曲线图
其中
1a-动态压力传感器        2a-静态压力变送器
1b-动态压力传感器        2b-静态压力变送器
3a-数据采集传输装置      3b-数据采集传输装置
4-中心站装置
具体实施方式
实施例：以本例来说明本发明的具体实施方式并对本发明作进一步的说明。本例是一实验样机，其构成如图1所示。
本管道泄漏监测装置，包括动态压力传感器1a、1b、静态压力传感器2a、2b、数据采集传输装置3a、3b、GPS全球定时系统；将该两组动态压力传感器1a、1b和静态压力传感器2a、2b测到的压力声波信号分别经过数据采集传输装置3a、3b处理，取出泄漏信号；同时GPS全球定时系统采集泄漏声波信号从泄漏点传到监测管段两端的时间；将采集的时间相加减后乘以声波在介质中的传播速度可以对泄漏点进行定位。
以下仍以a基站为例予以说明，b基站完全相同。
安装在管道首、末端的各一组动态压力传感器1a和静态声波传感器2a输出各接一数据采集传输装置，该数据采集传输装置3a将采集到的压力声波数据通过广域网通信方式传输到中心站计算机。下面以一条长度为94.2公里成品油管线进行试验对实验样机型号进行说明。
本管道泄漏监测装置的电路如图2所示，安装在管道首、末端每一端的动态压力传感器1a的输出先接由三级运算放大器组成的信号处理电路，转换成4～20mA输出后与静态压力传感器2a的4～20mA输出各经一个250Ω电阻接到数据采集传输装置3a中数据采集卡PCI6023E的输入端，再经PCI总线传给数据采集传输装置3a中的计算机UNO3072，同时GPS也接入计算机，每个基站计算机的信号输出经传输至中心站装置4计算机的输入，同时GPS也接入中心站装置4计算机，中心站装置4计算机的输出接显示器和报警电路。
其中：
动态压力传感器1a采用压电式压力传感器，型号Y-YD-7044A，直接测量管道压力的动态变化，通过适当调整，动态压力传感器可以尽可能地反映管道泄漏引起的压力变化；
静态压力传感器2a采用管道上普遍采用的3051型压力变送器，测量静态绝对压力，采集管道内的泄漏负压波信号；
三级运算放大器组成的信号处理电路：第一级是由运算放大器AD459组成的电荷放大器，由电容器C₁与电阻R₁接在2、6端之间组成反馈回路，7端接电压源；电阻R₃连接第一级与第二级，第二级是由运算放大器LF256组成的电压放大器，电位器R₅接在2、6端之间组成负反馈回路，7端接电压源，运算放大器LF256“+”输入端经R₄接地；第三级是由运算放大器XTL115组成的电流环电路，上一级信号经电阻R₆接本级输入2端，输出6、5端接功率管2N4922的基极(B)和发射极(E)，功率管的集电极接电源端，运算放大器XTL115“-”输入端接地，电容器C₃接在输出7、4端。
这里：
C₁：100pf；
R₁：10MΩ；
C₂：0.1uf；
R₃：10kΩ；
R₄：10kΩ；
R₅：100kΩ；
R₆：20kΩ；
C₃：0.01uf；
数据采集装置3a、3b为数据采集卡+计算机的方式。基站数据采集装置为研华公司UNO 3072+数据采集卡PCI-6023E组合，采样频率为100Hz。
在实施过程中，分以下几步进行：
1、管道泄漏监测装置一端的基站装置由动态压力传感器1a、静态压力变送器2a、数据采集传输装置3a组成，另一端的基站装置由动态压力传感器1b、静态压力变送器2b、数据采集传输装置3b组成；基站装置完成动态压力、静态压力的数据采集及初步分析，并通过通信传输到中心站装置4，由中心站对收集到的管道两端信息进行计算分析，判断泄漏并计算泄漏点位置。
2、分别对动态压力传感器1a、1b信号采用小波分析方法、对静态压力信号采用分段检测均值方法进行泄漏信号判断，如果上述两个传感器信号检测判断结果有报警，则对相应的传感器信号进行泄漏定位；动态压力传感器1a、1b信号采用小波分析方法定位，该方法通过上、下游数据小波变换系数的极值确定泄漏信号传播到上、下游的时间差，从而实现定位；压力传感器信号采用相关分析方法定位，相关分析则从两个信号的相似性原理出发，利用相关函数的极值获得泄漏信号传播到上、下游的时间差，从而进行定位；
3、采用投票方式对最终的泄漏检测结果进行评价，具体过程如下：首先对每种传感器检测和定位结果给定一个“标志值”，当检测结果为报警时，其标志值为1，否则为0；对定位结果，定位结果存在并且有效时，其标志值为1，否则为0，这样总票数为4，只有得票率超过75％时，才认定有泄漏产生。
图3给出了本例的试验结果，从图中可以看出，与单一的负压波或动态压力声波泄漏监测系统相比，上述泄漏监测系统有效地排除了由于调阀、加压、起停泵等现场工艺操作及其他噪声引起的误报，系统定位误差为100米左右。
本例还在实验环道经多次试验，能可靠、准确地判断管道内发生的泄漏，且泄漏监测的灵敏度高、反应速度快及定位精度高。