专利名称：流体输送管道泄漏监测定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体输送管道，属于在用管道监测技术领域，特别涉及一种流体管道泄漏监测定位的方法与装置，尤其是用于各种长距离埋地管道的监测与定位。
在流体输送管道监测技术领域，国内外均有许多方法，在这方面，中国发明专利申请96121000.1号叙述得很详细，和其它技术相比，中国发明专利申请96121000.1号最有创造性，这也是该技水领域中目前能检索到的最新技术了。该技术是在管道、输送泵、管道环境安装若干个传感器采集、存储、传输反映管道系统运行状况的信号，以管道运行状况信号的时域、频域特征为输入矩阵的神经网络模型进行分析，用模式识别对管道运行信号的波形识别分类并识别波形拐点。用小波变换抑制噪声影响并识别波形拐点来判断管道是否发生泄漏，用管道全程温度分布修正后的波速对泄漏点定位，基于描述泄漏信号传播衰减特性的拟合函数对泄漏点定位，用流量与误差拟合曲线动态校准流量计，基于管道水力热力综合方程建立适用于等温和不等温管道的模型以管道实测参数为边界条件对管道泄漏检测定位，根据现场管道特点设置不同算法模块的不同置信度来综合判断管道泄漏检测定位结果的置信度。可以看出，该发明是一个非常复杂的系统，这就导致了一系列的问题。首先是使用大量的传感器易出故障将导致系统可靠性差，造成系统维护费用高而不易使用，再一个是各种传感器的误差无法都去动态校准，这将导致各种计算变成“假帐真算”得出错误结论，发明中只把流量计误差进行了动态校准，而流量计的流量与误差拟合曲线只能以检定数据为基准做出，但是实际使用过程中流量计的磨损等原因必然会偏离原检定点，这就使得动态校准又产生了偏差。对于管道的微小泄漏，不管是流量计还是其它什么传感器，检测到的信号变化部是微弱的，该信号的微小程度可能大大小于传感器的综合误差，而某种传感器不同时刻的不同误差特征也并非完全有规律可循，我们知道要解决传感器的上述问题可以采用同一测点用若干个同样传感器检测米得到修正，但这显然不具有实用价值。可以说，如果各种传感器的误差均小到可以忽略不计，实施上述发明并不困难，而问题在于所要检测的信号变化往往比传感器本身的误差还要小得多，这个问题不解决，中国发明专利申请96121000.1号的技术在工程上应用是很困难的。至于其它的方法，诸如流量差、压力差法；听声法；压力波动检测法；管道建模法等等，均未能成为一种工程上可以推广应用的技术，原因各异，但有一点是却是相同的，就是信号微弱，抗干扰能力差。而这一问题是导致目前该领域不能取得突破性进展的关键。在数据搜集处理方面，基于流体力学基本方程的方法居多，但该法所要获得的数据却无法准确得到，自然系统也就不可能具备实用价值。
本发明就是针对上述技术的不足提出来的，目的是寻找一种易实现的、较可靠的方法对管道发生的泄漏损坏等进行检测和定位。本发明也是采用流量差、压力差法进行检测的，但克服了以往技术的不足，尤其是弱信号的获取和抗干扰方面取得了突破性进展。这种方法不但能检测和定位，而且能给出准确的泄漏量和泄漏速度，发生的时刻，具有较高的灵敏度和较小的误报率，装置构成简单，易维护，对故障能自检、能自动跟随管道运行状态，自动检测管道压力波动传播特性，具有自动学习并根据管道实时特性修改判断参数的功能，对于影响管道动态特性的流体粘度、密度、热容、流动状态等参数的变化对检测定位产生的影响，能够给予动态跟踪式的自动修正补偿，从而使得检测具有较高的置信度。由于本发明所用检测参数少，且具有上述一系列优点，故实施本发明就很容易。
现在，让我们结合附图
来分析一下管道输送特点及泄漏的判断在长度为L的管道两个端点分别是A站和B站，A站的流体经泵1，出口阀2和流量计3、压力仪表4进入管道L，经过管道L后，流体开始流进B站。在B站入口，装有压力仪表5，流量计6，从流量计出来的流体可以流经阀7进入罐8，也可以流经阀9进入罐10，在正常操作下，流经L的流体流量随生产需要而变，分别为A站操作和B站操作，而操作的结果主要就是改变流量。当A站操作时，分为增大流量和减少流量，需要增大流量时，可以通过提高泵1的转速或开启出口阀2的办法来增加流量，这样流经流量计3的流量Q1就上升，接着压力仪表4处就出现压力P1上升，该增加的流量形成一个压力波往流程下方传播，经tL时间后，传到B站进口压力仪表5处，使该处压力P2上升，然后使流经流量计6的流量Q2也上升，如果A站减小排量，同样道理，先是流量计3流量下降，而后是压力仪表4处压力P1下降，经过tL时间后，压力仪表5P2下降，流量计6的流量Q2下降。B站操作与此类似，如果B站进行倒罐操作，从高液位B1倒引到低液位B2，首先是导致流量计6的流量Q2上升，接着是压力仪表5的压力P2下降，经过tL时间后，压力仪表4处压力P1下降，流量计3处的流量Q1上升。相反，如果B站使流量减少，则先是流量计6上的流量Q2减少，接着是压力仪表5处压力P2上升，经过tL时间后，压力仪表4处压力P1上升，流量计3上的流量Q1下降。通过上面的分析，我们可以知道，单从某一端压力上升或下降推断管线是正常还是泄漏显然是不合理的，假如管道L的阻力特性在分析时没有变化，我们可以认为ΔQ＝ΔP/Zi成立，在这里，ΔQ＝Q1-Q2；ΔP＝P1-P2；Zi是管道阻力特性函数，而压力波传递的时间tL则反应了管道运行状态下的压力传播特性，可知tL就是管道长度L的函数，知道了tL当然就知道了管道长度。
从上面的分析，我们就非常清楚地知道，流量差ΔQ与压力差ΔP成正比，一端操作改变输送状态均要经过tL的时间后传到另一端，如果两站接收压力差ΔP的时间小于tL，那么就可以断定该压力波源产生在L中间的某一位置，而压力波动没有传到另一端，也没有引起流量Q的变化，那就是仪表本身(压务仪表)有什么故障或多其它外力影响造成瞬间压力抖动，如果压力流量的改变不符合正常输送时的规律，即先后顺序不对，那就极有可能是管道出现了泄漏。
从另一方面看，ΔQ将随管道运行状况发生变化，这是因为一般流量计均给出体积流量，而体积流量则随管道流量大小、沿程热交换等条件而改变，ΔP是管道沿程的水力波降i，该值也随管道输送状况而改变。但是仔细分析一下可知，在管道正常运行状况下，ΔQ和ΔP均不可能出现阶跃性的变化，这是因为，ΔQ产生的原因主要是流量计的误差特性、管道运行状况和管道与环境热交换特性的综合结果，而流量计的误差是不会产生阶跃的，管道与环境的热交换也是一个大滞后过程更没有陡峭的阶跃，而ΔP的变化与流量大小最直接，当然也与流动状态有关。但是只要管道特性在上述调节中不发生突变(正常调节中不存在这种突变)ΔP与ΔQ的关系就不会改变，而泵、阀门的操作总有一个逐渐的过程，总之都没有泄漏对压力、流量影响的快，另一方面，我们知道，对于一条运行的管道，Δt时间内，阻力特性不会发生改变，而Q＝ΔP/Zi，不会突变，正因为如此，不管在管道那一端操作，操作端的变化必然要传到另一端，而传递的时间就是管道长度L的函数，根据这一规律，当管道发生泄漏时，就可以根据该函数推算出泄漏发生点的位置。比如说，如果在A、B两端同时收到压力下降信号，该泄漏点必然发生在向两边压力传递时间相同的那一点上，而该点并不是管路A、B长度的几何中点，这是因为流体在管道中流动时密度是逐渐变化的，从而使流体对压力波的传递速度发生改变，当然还有其它因素影响着压力波的传递，而这一切，完全可以在测量压力，流量和与之变化对应的时间坐标上表示出来，采用测量方式得到管道运行状况的图象，是把其它复杂环节进行简化的最好办法。虽然诸多因素均影响对管道泄漏点的判断，但每一个因素都查清即不可能，也不现实，必须采用连续跟踪管道运行状态的办法。在跟踪路线上开一个Δt时间的视窗，通过Δt视窗我们就消除了那些缓慢变化参数ΔP、ΔQ的影响，而只突出了突变的ΔPi、ΔQi的数值，这样就能知道管道是否发生了泄漏。当管道一端发生了压力或流量的突变时，同时向另一端发出信号，如果另一端在tL时间内没有收到与之对应的信号，这是一种状态，如果另一端收到了这种信号，这又是表明另一种状态，现在我们来分析一下是如何利用这种变化来判断管道泄漏的。
现在我们通过Δt窗口发现A端压力变化和B端相比较发现ΔP-ΔPi为负值，过了压力波传递时间tL时刻后，我们可以有九种组合来判断情况，即ΔPi分别等于、小于、大于ΔP、ΔQi分别等于、小于、大于ΔQ。由于ΔQ和ΔP的函数关系，我们知道如果管线未曾泄漏，ΔPi变化的方向和ΔQi变化的方向相同，二者只是沿着ΔP-ΔQ曲线变化，这种变化即是人工调节阀门，倒罐或倒泵等操作所致，如果组合脱离了ΔP-ΔQ曲线，即出现特殊点，即管线出了泄漏，此时以Δt时刻前的ΔP、ΔQ为基准值，将ΔPi-ΔP作压力变化值；ΔQi-ΔQ为泄漏值。我们就确定了泄漏，进而可以对泄漏情况进行处理。由于ΔQ、ΔP包括仪表误差，我们采用这种方式判别和处理，仪表误差影响被消除了。可以看出泄漏的充分条件是ΔQi＞ΔQ；ΔP出现阶跃，信号排列合理，两端收到压力波的时间差小于压力波单向传递全程的时间tL。除此之外，均系检测仪表或其它环节故障。如果仅有ΔQi或只有ΔPi变化，均不能作为泄漏的依据。这样，我们就实现了故障的自诊断。通过这段分析，我们知道了判断基础数据是ΔP和ΔQ，而ΔP和ΔQ是不断变化的，只是在Δt时刻内变化可以忽略，Δt是随时间不断向前推移的，我们就不断的承认Δt时的ΔP和ΔQ为新判断基数，实现了对判断基数的自动修改，这样就消除了各种误差的影响，增大了信噪比，实现了动态跟踪，且对仪表要求也易实现。现在是在泄漏那一时刻，检测出来了，但该时刻过后形成的新的ΔP和ΔQ是否也被认为是正常值？不是正常值。因为已经确认了泄漏，此时对泄漏进行监测统计，以便给出泄漏速度、时刻、泄漏量等，在泄漏状态下，只是在此之前的ΔP和ΔQ值才是判断泄漏的基准值。从上述可以看出，监测装置是时刻自动学习熟悉管道工作状态的。由于ΔP-ΔQ曲线为实际测试值，该曲线也在不断被修正。
知道泄漏的存在后，就是如何的定位了。我们知道，在0℃的水中，压力波传播速度为1430m/s，在一条管道中，一种固定流体由A端到B端，流体密度压缩系数不相同，而流体成份的纯度也对压缩系数构成了影响，它传播的压力波速度从A到B是逐渐变化的，我们把这种规律输入到计算机中，就可以校正前面提到的A、B端接收到压力信号时，泄漏点发生在什么地方了。由于管道运行状况变化，流体流态，性质变化，将导致传递压力波的速度发生变化，如何校正这种变化呢？前面提到了如果有一端压力变化了，过了tL时刻另一端就产生相应的变化，这个tL就是给定的一条长为L的管道流体压力波传递时间，调整一次管道运行参数，就等于给监测装置发出一次修改压力波传送速度的信号，而这种传递(即调整管道运行参数)是经常发生的，但沿途变化规律却是不变的，我们把参数不断地自动采集和更新，当然也就使得定点的准确性随管道运行变化不致下降，这样就实现了动态跟踪式的自动修正补偿，校正了定点数据。
本发明在待沿管路A、B两端分别装有计算机(或智能化专用仪表)，采集两端流量和压力信号，通过传输媒介(电缆、光缆、市话线路或无线通讯)将两端连接成一套统一的智能监测装置；对压力、流量变化进行统计、分析计算，以管道正常运行时含有仪表误差项的流量差ΔQ和压力降ΔP为判断基准，以实测数据为准建立ΔP-ΔQ曲线，对管道进行监测，以便消除仪表误差，发现泄漏。一旦有泄漏发生，就按压力波传递函数进行推算，得出泄漏点位置。对于管道运行中工作状态的调整，则作为判断数据的新基数，得到检测装置的检测并予以承认。装置自动跟踪管道运行状况，采用窗口判断跟踪法校正差别基数，提高信噪比，提高准确性，整个装置具有自动学习功能，根据判断得出管道泄漏和泄漏点位置的结论，采用实时实测压力波传递时间作为管路长度的函数，根据泄漏压力波同时向两边传递的原理，以实测压力波传递时间和实测ΔQ/Q为准建立相关曲线为依据，修正泄漏点的数据。根据压差ΔP与流量差ΔQ的关系，再依据泄漏时ΔPi阶跃而ΔQi增大的充分必要条件，对泄漏还是检测仪表是否发生故障予以判别报警，实现故障自诊断。整个装置所用仪表少，对仪表精度要求不苛刻，这是因为用ΔP和ΔQ作为判别因子，而ΔP和ΔQ包括了仪表的误差，这样，新采样的数据增量就不含有仪表误差，而装置又能自动学习跟踪ΔP和ΔQ的变化，并不断地修改承认，这样一套智能化装置就消除了仪表误差及其它参数影响产生的误差，使该系统能够给出可靠的结论。可见本发明简单、可靠、易实现。
下面根据一个实施例来谈一下本发明的应用。
在我国有许多输油管线，这些输油管线大多是加热加压输送。选某50公里长输油管线为例，管线出A站压力2.5MPa，进B站压力1.5MPa，输油量Q＝110m3/h，实测值ΔP＝1.05MPa，ΔQ＝5.06m3/h，某日B站监测压力下降为0.99MPa53.6秒后出A站压力下降为2.48MPa，出A站QA＝156.1m3/h，进B站QB为148.9m3/h，这样得出ΔPi＝1.49MPa，ΔQi＝7.2m3/h，监测时设窗口宽度Δt为0.5S，该窗口内没有出现阶越性突变，而ΔP上升，ΔQ也上升，且变化值落在了ΔP-ΔQ曲线上，于是得出如下结论B站倒罐操作，经查验，上述结论被证实，经计算得知，压力波传递速度为932.8m/s。
某日出A站压力突然下降，由原2.56MPa下降为2.5MPa，36秒后B站由原来的1.1MPa下降为1.0MPa，由于出A站压力下降在Δt内出现明显阶跃，初判断为管线泄漏，后由B站也在tL内测出同样变化，进一步判断为泄漏，A站在tL时刻前流量为153m3/h，B站进站流量为146m3/h，当阶跃出现时，A站流量为159m3/h，B站进站流量由原来下降为117m3/h，这样ΔP由1.46MPa上升为1.50MPa，ΔQ由原来的7m3/h上升为42m3/h，远离ΔP-ΔQ曲线，而两端收到压力变化波的时间差为36秒，小于上次记录的tL值-53.6秒，于是断定，管线发生了泄漏，泄漏速度为35m3/h，泄漏的初始时刻发生在A站收到信号前8.8秒，距离A站8.23公里处。经实际勘测，发生在8.21公里处，得到证明。
在我国，各种长距离地下输油管线和其它长距离输送管线很多，往往发生泄漏造成巨大损失。采用本发明的简单方法，就可以定点、定量地监测出这种变化，为及时检修、减少损失提供了有力保证，对提高流体输送单位经济效益，为减少环境污染均能起到重要作用。
权利要求
在待测管路A、B两端分别装有计算机(或智能化仪表)，采集两端流量和压力信号，通过传输媒介(电缆、光缆、市话线路或无线通讯)将两端连接成一套统一的智能监测装置；对压力、流量变化进行统计、分析计算，以管道正常运行时含有仪表误差项的流量差ΔQ和压力降ΔP为判别基准，以实测数据为准建立ΔP-ΔQ曲线，对管道进行监测，以便消除仪表误差、发现泄漏。一旦有泄漏发生，就按压力波传递函数进行推算，得出泄漏点位置。对于管道运行中工作状态的调整，则作为判断数据的新基数，得到检测装置的检测并予以承认。装置自动跟踪管道运行状况，采用窗口判别跟踪法校正判别基数，提高信噪比，提高准确性。整个装置具有自动学习功能，根据判断得出管道泄漏和泄漏点位置的结论。采用实时实测压力波传递时间作为管路长度的函数，根据泄漏压力波同时向两边传递的原理，以实测压力波传递时间和实测ΔQ/Q(流量差与流量之比)为准建立相关曲线为依据，修正泄漏点的数据。根据压差ΔP与流量差ΔQ的关系，再根据泄漏时ΔPi阶跃而ΔQi增大的充分必要条件，对泄漏还是检测仪表是否发生故障予以判别报警，实现故障自诊断。用含有仪表误差项的ΔP和ΔQ作为判别因子，使得新采样的数据增量不含有仪表误差，从而使仪表误差这一难题在本发明中得以消除。装置能自动学习跟踪ΔP和ΔQ的变化，并不断地修改承认。这样一套智能化装置就消除了仪表误差及其它参数影响产生的误差，使该系统能够给出可靠的结论。
全文摘要
本发明在待测管路两端分别装有计算机(或智能化仪表),采集两端流量和压力信号,通过传输媒介将两端连接成一套统一的智能监测装置,利用压力,流量变化分别进行计算,以压力降△P和流量差△Q为不断更新的判别基数对泄漏进行判别,以管道实测压力波传递时间为基数,以压力波传递速度和流量差的实测关系曲线对泄漏点进行定位,整个装置具有故障自检,自适应和自动学习功能,为使用者提高经济效益和减少环境污染服务。
文档编号F17D5/00GK1273342SQ9910724
公开日2000年11月15日 申请日期1999年5月10日 优先权日1999年5月10日
发明者陈久会, 王亚民 申请人:河北省河间市飞尔达自动化仪表有限公司