一种清管器定位系统及方法与流程

本发明涉及油气管道领域，特别涉及一种清管器定位系统及方法。

背景技术：

清管器是一种用于清洗或者检测石油、天然气管道的工具。清管器利用石油、天然气管道中的油、气等输送介质推动其前行，以清除管道内的结蜡、杂质、积水等物质，或者检测管道的运行状态。然而，采用清管器清洗或者检测管道的过程中，如果清管器发生卡堵，将影响管道内油、气的正常输送，严重时会危及整个管道的安全。因此需要及时对发生卡堵的清管器进行定位，并采取措施使清管器解卡，以保证管道内油、气的正常输送。并且，为了便于后期及时取回清管器，能够及时确定清管器的位置也十分必要。基于上述可知，提供一种清管器定位系统或者方法是十分必要的。

现有技术提供了一种对清管器进行定位的方法，石油、天然气管道的长度较长，管道的两端及中部分别通过多个阀室或者站场，在每个阀室或者站场设置有一个过球指示器。其中，过球指示器可以通过多种原理来检测清管器是否通过，举例来说，过球指示器通过磁场变化来检测清管器是否通过。通过过球指示器检测清管器是否通过，以大概估计清管器在哪两个阀室之间的管道内，进而便于后期及时取回清管器，或者在清管器发生卡堵时，及时解卡。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

采用现有技术提供的方法不能快速、准确地确定清管器在管道内的位置。当清管器发生卡堵时，不能高效使清管器解卡，降低管道的运行效率。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够快速、准确地确定清管器在管道内的位置，便于高效使清管器解卡的清管器定位系统及方法。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种清管器定位系统，所述系统包括：

第一压力变送器和第二压力变送器，分别设置在目标管道的上游端部和下游端部；

第一信号采集器和第二信号采集器，分别与所述第一压力变送器和所述第二压力变送器电连接；

信号处理器，同时与所述第一信号采集器和所述第二信号采集器连接；

电源，用于对所述第一压力变送器、所述第二压力变送器、所述第一信号采集器、所述第二信号采集器、所述信号处理器进行供电；

所述第一信号采集器和所述第二信号采集器分别用于采集上游压力信号和下游压力信号，并传输至所述信号处理器；

所述信号处理器用于对所述上游压力信号和所述下游压力信号进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值，然后处理所述上游压力值和所述下游压力值，若所述上游压力值和所述下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器对清管器进行定位；

所述第一压力变送器与所述第一信号采集器通过屏蔽信号电缆连接；

所述第二压力变送器与所述第二信号采集器通过屏蔽信号电缆连接。

具体地，作为优选，所述信号处理器通过以太网同时与所述第一信号采集器和所述第二信号采集器信号连接。

具体地，作为优选，所述信号处理器为计算机。

第二方面，本发明实施例还提供了利用所述的系统对清管器进行定位的方法，所述方法包括：

利用第一压力变送器和第二压力变送器分别实时获取目标管道的上游压力信号和下游压力信号；

第一信号采集器和第二信号采集器分别采集所述上游压力信号和所述下游压力信号，并传输至信号处理器；

所述信号处理器对所述上游压力信号和所述下游压力信号分别进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值；

所述信号处理器处理所述上游压力值和所述下游压力值，若所述上游压力值和所述下游压力值中均存在预设突变值，则所述信号处理器对所述清管器进行定位。

具体地，作为优选，所述信号处理器每间隔预定时间对所述上游压力值和所述下游压力值进行处理：

dx＝max(x)-min(x)(1)

dy＝max(y)-min(y)(2)

其中，dx为在当前时间段内，所述目标管道的最大上游压力值与最小上游压力值之差，单位为pa；max(x)为在当前时间段内，所述目标管道的最大上游压力值，单位为pa；min(x)为在当前时间段内，所述目标管道的最小上游压力值，单位为pa；dy为在当前时间段内，所述目标管道的最大下游压力值与最小下游压力值之差，单位为pa；max(y)为在当前时间段内，所述目标管道的最大下游压力值，单位为pa；min(y)为在当前时间段内，所述目标管道的最小下游压力值，单位为pa；

每间隔所述预定时间分别得到所述目标管道的最大上游压力值与最小上游压力值之差的序列{dxi，i＝1，2，……，n}、最大下游压力值与最小上游压力值之差的序列{dyi，i＝1，2，……，n}；

其中，m为4～6中的任意数值；

当同时满足公式(3)和公式(4)时，则确定所述上游压力值和所述下游压力值中均存在所述预设突变值，所述信号处理器对所述清管器定位。

具体地，作为优选，所述预定时间为0.5min～3.5min。

具体地，作为优选，所述信号处理器对所述清管器进行定位，包括：

以所述信号处理器实时处理的所述目标管道的上游压力值为纵坐标，对应的时间为横坐标作第一关系图；

以所述信号处理器实时处理的所述目标管道的下游压力值为纵坐标，对应的时间为横坐标作第二关系图；

根据所述第一关系图和所述第二关系图分别获取上游压力值序列{xi，i＝1，2，……，n}、下游压力值序列{yi，i＝1，2，……，n}，将所述上游压力值序列和下游压力值序列分别沿时间轴方向平移，分别得到xk＝{xn-k，xn-k+1，……，xn}、yk＝{y0，y1，……，yk}，以使所述上游压力值序列和所述下游压力值序列中的所述预设突变值对齐；

计算xk与yk的和，得到fk＝{xn-k+y0，xn-k+1+y1，……，xn+yk}；

通过公式(5)和公式(6)分别计算fk的均值和方差：

其中，b为每秒采集的所述上游压力信号或者所述下游压力信号的数目，b为15～25中任一整数；l为所述目标管道的长度；uk为fk的均值，δk²为fk的方差；k为时间，单位为s；a为压力波的传播速度，单位为m/s；n为采集的所述上游压力信号或者所述下游下压信号的总数目；l为所述目标管道的长度，单位为m；

从开始，顺次增加1依次计算δk²，得到δk²数组，将k映射到m∈[0，l]，得到δm²数组，δm²取值最小时所对应的m值，即为所述清管器的位置。

具体地，作为优选，k通过公式(7)映射到m∈[0，l]：

具体地，作为优选，所述方法还包括：

将所述清管器放入所述目标管道前，获取所述目标管道的长度，并存储在所述信号处理器中；

获取所述目标管道内输送介质的物理参数，根据所述物理参数获取所述压力波的传播速度，并存储在所述信号处理器中。

具体地，作为优选，所述方法还包括：

所述信号处理器处理所述上游压力值和所述下游压力值，根据处理结果判断所述清管器是否卡堵，若是，则所述信号处理器发出警报。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的清管器定位系统，通过设置第一压力变送器和第二压力变送器便于准确、快速地获取目标管道的上游压力信号和下游压力信号。通过设置第一信号采集器和第二信号采集器，便于采集上游压力信号和下游压力信号，并传输至信号处理器。信号处理器对上游压力信号和下游压力信号分别进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值，信号处理器进一步地对上游压力值和下游压力值进行处理，若上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器对清管器进行定位。该清管器定位系统的定位方法高效、精确、简单，实时监测清管器运行状态，及时发现清管器运行异常。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的清管器定位系统的结构示意图。

其中，附图标记分别表示：

1第一压力变送器，

2第二压力变送器，

3第一信号采集器，

4第二信号采集器，

5信号处理器，

6目标管道，

7清管器。

具体实施方式

除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本发明实施例提供了一种清管器定位系统，如附图1所示，该系统包括：第一压力变送器1和第二压力变送器2，分别设置在目标管道6的上游端部和下游端部；第一信号采集器3和第二信号采集器4，分别与第一压力变送器1和第二压力变送器2电连接；信号处理器5，同时与第一信号采集器3和第二信号采集器4连接；电源，用于对第一压力变送器1、第二压力变送器2、第一信号采集器3、第二信号采集器4、信号处理器5进行供电。

第一信号采集器3和第二信号采集器4分别用于采集上游压力信号和下游压力信号，并传输至信号处理器5。

信号处理器5用于对上游压力信号和下游压力信号进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值，然后处理上游压力值和下游压力值，若上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器对清管器进行定位。

第一压力变送器1与第一信号采集器3通过屏蔽信号电缆连接；第二压力变送器2与第二信号采集器4通过屏蔽信号电缆连接。

需要说明的是，“上游”为油、气等输送介质先流经处，“下游”为油、气等输送介质后流经处。目标管道6的上游端部和下游端部分别为目标管道6的两端，且输入输送介质的一端为上游端部，输出输送介质的一端为下游端部。

屏蔽信号电缆为外壁上设置一层由铜网、铜铝网编织的屏蔽层的电缆，并且屏蔽层接地，以将外来干扰信号导入大地，进而避免干扰信号进入电缆内干扰上游压力信号和下游压力信号的传输。

当清管器7在目标管道6内运行遇到杂质阻力变大时，位于目标管道6上游的输送介质不能进一步流通，所以上游压力值增大，相应地，位于目标管道6下游的输送介质流通至下游设备或管道，所以下游压力值减小。随着清管器将杂质清除，上游压力值变小，下游压力值变大，由此产生压力突变。即上游压力值先增大后减小，形成一个凸起的脉冲，下游压力值先减小后增大，形成一个下凹的脉冲，即产生压力突变。如果清管器卡堵时，上游压力则持续增大，下游压力则持续下降。所以信号处理器5对获取的上游压力值和下游压力值进行处理，判断是否有压力突变并获取清管器的位置是可行的。

以下就本发明实施例提供的清管器定位系统的工作原理给予描述：

利用第一压力变送器1和第二压力变送器2分别实时获取目标管道6的上游压力信号和下游压力信号。第一信号采集器3和第二信号采集器4分别从第一压力变送器1和第二压力变送器2采集上游压力信号和下游压力信号，并通过数据传输线传输至信号处理器5。信号处理器5对获取的上游压力信号和下游压力信号分别进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值。信号处理器5处理上游压力值和下游压力值，若上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器5对清管器7进行定位。

本发明实施例提供的清管器定位系统，通过设置第一压力变送器1和第二压力变送器2便于准确、快速地获取目标管道6的上游压力信号和下游压力信号。通过设置第一信号采集器3和第二信号采集器4，便于采集上游压力信号和下游压力信号，并传输至信号处理器5。信号处理器5对上游压力信号和下游压力信号分别进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值，信号处理器5进一步地对上游压力值和下游压力值进行处理，上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器对清管器进行定位。该清管器定位系统的定位方法高效、精确、简单，实时监测清管器运行状态，及时发现清管器运行异常。

在本发明实施例中，目标管道6的上游端部和下游端部一般设置在阀室或者站场内，相应地，第一压力变送器1和第二压力变送器2分别设置在目标管道6的上游端部和下游端部所在的阀室或者站场内。

第一压力变送器1和第二压力变送器2中均设置有压力传感器、测量电路等部件，压力传感器用于探测目标管道6的上游端部或者下游端部内输送介质的物理参数，并通过测量电路将探测到的物理参数转换为上游压力信号或者下游压力信号，进一步地通过电缆传输至第一信号采集器3或者第二信号采集器4。

在本发明实施例中，第一压力变送器1和第二压力变送器2均为管道站场、阀室使用的普通压力变送器，一般为罗斯蒙特3051型压力变送器。第一信号采集器3和第二信号采集器4均为基于美国ni公司的compactrio开发，采用了crio9076嵌入式控制器和ni9205数据采集模块。

当第一压力变送器1、第二压力变送器2、第一信号采集器3、第二信号采集器4为上述公司提供的压力变送器及信号采集器时，电源的电压为24v。

具体地，信号处理器5通过以太网同时与第一信号采集器3和第二信号采集器4信号连接。

采用以太网便于高效、快速地传输上游压力信号和下游压力信号，并且可远程传输。

以太网的传输信号的形式可以通过有线和无线两种形式实现，在此不作具体限定。

在本发明实施例中，信号处理器5具有接收上游压力信号和下游压力信号，并将其分别转换为上游压力值和下游压力值，且对上游压力值和下游压力值进行处理，若上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器5对清管器7进行定位。在基于容易实现至少包括上述多种功能的前提下，信号处理器5为计算机。

计算机包括：中央处理器(英文名称为centralprocessingunit，缩写为cpu，包括：控制器、运算器、存储器等)、以及与cpu电连接的输入输出设备和显示屏等。

cpu的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

通过输入输出设备向cpu输入相关数据，以及向cpu传输上游压力信号和下游压力信号，cpu对上游压力信号和下游压力信号进行处理，并获取对应的上游压力值和下游压力值，然后处理上游压力值和下游压力值，判断是否有压力突变并计算清管器位置，其定位结果由显示屏显示，并且根据处理结果判断清管器7是否卡堵，若是，弹出报警信息。

第二方面，本发明实施例还提供了利用清管器定位系统对清管器进行定位的方法，该方法包括：

利用第一压力变送器1和第二压力变送器2分别实时获取目标管道6的上游压力信号和下游压力信号。

第一信号采集器3和第二信号采集器4分别采集上游压力信号和下游压力信号，并传输至信号处理器5。

信号处理器5对上游压力信号和下游压力信号分别进行处理，对应获取上游压力值和下游压力值。

信号处理器5处理上游压力值和下游压力值，若上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，则信号处理器5对清管器7进行定位。

上述定位方法高效、精确、简单，如若清管器7运行异常时，便于后期高效地采取措施使清管器7正常运行，以保证管道正常运行。

为了便于信号处理器5精确地对获取的上游压力值和下游压力值进行处理，以及对清管器7定位，本发明实施例提供的方法还包括：控制第一信号采集器3和第二信号采集器4与信号处理器5通过sntp协议进行时间同步，分别采集目标管道6的上游压力信号和下游压力信号，对上传至信号处理器5的数据添加时间标签，保证用于分析处理的数据时间上对齐，保证定位的准确性。

具体地，信号处理器5处理上游压力值和下游压力值，包括：

信号处理器5每间隔预定时间对上游压力值和下游压力值进行处理：

dx＝max(x)-min(x)(1)

dy＝max(y)-min(y)(2)

其中，dx为在当前时间段内，目标管道6的最大上游压力值与最小上游压力值之差，单位为pa；max(x)为在当前时间段内，目标管道6的最大上游压力值，单位为pa；min(x)为在当前时间段内，目标管道6的最小上游压力值，单位为pa；dy为在当前时间段内，目标管道6的最大下游压力值与最小下游压力值之差，单位为pa；max(y)为在当前时间段内，目标管道6的最大下游压力值，单位为pa；min(y)为在当前时间段内，目标管道6的最小下游压力值，单位为pa。

每间隔预定时间分别得到目标管道6的最大上游压力值与最小上游压力值之差的序列{dxi，i＝1，2，……，n}、最大下游压力值与最小上游压力值之差的序列{dyi，i＝1，2，……，n}；

其中，m为4～6中的任意数值；

当同时满足公式(3)和公式(4)时，则确定上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，信号处理器5对清管器7定位。

当清管器7在目标管道6内将要发生卡堵时，位于目标管道6上游的输送介质不能容易地进一步流通，所以上游压力值增大，相应地，位于目标管道6下游的输送介质流通至下游设备或管道，所以下游压力值减小。

在每个预定时间段内，信号处理器5实时获取多个上游压力值和多个下游压力值，并且，在该时间段内，必然存在一个最大上游压力值和最小下游压力值，即上游压力预设突变值和下游压力预设突变值。举例来说，当信号处理器5在9:01时开始处理上游压力值和下游压力值时，间隔预定时间为1min，则9:00～9:01为当前时间段，则前次时间段为8:59～9:00。

当满足公式(3)和(4)时，说明上游压力值和下游压力值发生突变。

当清管器7距离目标管道6的上游端部和下游端部的距离不同时，由于压力波传递至上游端部和下游端部的距离不同，导致上游压力变送器和下游压力变送器感受到压力突变的时刻不同，易影响后期对清管器7精确地定位。为了高精度地对清管器7定位，在本发明实施例中，则信号处理器5对清管器7进行定位，包括：以信号处理器5实时处理的目标管道6的上游压力值为纵坐标，对应的时间为横坐标作第一关系图；以信号处理器5实时处理的目标管道6的下游压力值为纵坐标，对应的时间为横坐标作第二关系图。

根据第一关系图和第二关系图分别获取上游压力值序列{xi，i＝1，2，……，n}、下游压力值序列{yi，i＝1，2，……，n}，将上游压力值序列和下游压力值序列分别沿时间轴方向平移，分别得到xk＝{xn-k，xn-k+1，……，xn}、yk＝{y0，y1，……，yk}，以使上游压力值序列和下游压力值序列中的预设突变值对齐。

计算xk与yk的和，得到fk＝{xn-k+y0，xn-k+1+y1，……，xn+yk}。

通过公式(5)和公式(6)分别计算fk的均值和方差：

其中，b为每秒采集的上游压力信号或者下游压力信号的数目，b为15～25中任一整数；l为目标管道6的长度；uk为fk的均值，δk²为fk的方差；k为时间，单位为s；a为压力波的传播速度，单位为m/s；n为采集的上游压力信号或者下游下压信号的总数目；l为目标管道6的长度，单位为m；

从开始，顺次增加1依次计算δk²，得到δk²数组，将k映射到m∈[0，l]，得到δm²数组，δm²取值最小时所对应的m值，即为清管器7的位置。

具体地，将信号处理器5实时处理的目标管道6的上游压力值和对应的时间作时间-上游压力值关系图，将信号处理器5实时处理的目标管道6的下游压力值和对应的时间作时间-下游压力值关系图。

上游压力值和下游压力值中均存在预设突变值，上游压力值序列中的预设突变值比其他压力值的数值大，在时间-上游压力值图中形成一个或者多个波峰。下游压力值序列中的预设突变值比其他压力值的数值小，在时间-下游压力值图中形成一个或者多个波谷。沿时间轴方向分别平移上游压力值序列和下游压力值序列，使上游压力值序列和下游压力值序列中的预设突变值对齐，即使一个或者多个波峰与一个或者多个波谷对齐，分别得到新的上游压力值序列xk＝{xn-k，xn-k+1，……，xn}、下游压力值序列yk＝{y0，y1，……，yk}，然后计算xk与yk的和，得到fk＝{xn-k+y0，xn-k+1+y1，……，xn+yk}。

通过公式(5)和公式(6)计算fk的均值和方差，并将k映射到m∈[0，l]，相应地，得到m与上游压力值和下游压力值之间的关系，也可以理解为，得到目标管道不同位置-上游压力值关系图，对应地，根据目标管道不同位置-上游压力值关系图获取fk的δm²取值最小时所对应的m值，即为清管器7的位置。即上游压力值和下游压力值为预设突变值时，清管器7所在的位置。

其中，δk²与δm²的数值相等，下角标不同，代表横坐标发生了变化，即k代表横坐标为时间，m代表横坐标为目标管道6不同位置。

k通过公式(7)映射到m∈[0，l]：

即m值的取值依次为0、……、l。

本发明实施例提供的方法还包括：将清管器7放入目标管道6前，获取目标管道6的长度，并存储在信号处理器5中；获取目标管道6内输送介质的物理参数，根据物理参数获取压力波的传播速度，并存储在信号处理器5中。

通过获取目标管道6的长度和压力波的传播速度，并预先存储在信号处理器5中，便于后期信号处理器5对清管器7高效定位。

其中，目标管道6的长度为在安装使用前获取的长度，或者也可以重新测量目标管道6来获取。

压力波的传播速度与目标管道6内输送介质的密度、粘度等物理参数有关，压力波的传播速度与输送介质当时的温度、压力等有关，但变化不大，因此，可以使用输送介质的一般声速作为压力波的传播速度，该声速为1110m/s。

本发明实施例提供的方法还包括：信号处理器5处理上游压力值和下游压力值，根据处理结果判断清管器7是否卡堵，若是，则信号处理器5发出警报。

如此设置，便于及时对发生卡堵的清管器7解卡，便于管道正常运行。

当清管器7发生卡堵时，上游压力则持续增大，下游压力则持续下降。当上游压力值和下游压力值分别持续增大或者减小预定时间后，信号处理器5将发出警报，以警示操作人员采取措施进行解卡。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。