基于次声波法的天然气管道泄漏检测

2014-11-21郭鹏赵会军慈智赵东升彭浩平周小星

油气田地面工程 2014年8期

郭鹏赵会军慈智赵东升彭浩平周小星

1常州大学江苏省油气储运重点实验室 2常州大学江苏省机械工程重点实验室

1 泄漏检测原理

当天然气管道出现破裂时，天然气会从破裂处泄漏出来，管内气体的流动参数会随之发生变化，该点处气体的压力降低，密度减小。在压差的作用下，相邻泄漏点的两边区域内的气体会向泄漏点处流动，致使该区域内气体的压力和密度都会随之减小，进而传播到更远处的区域，并向泄漏的区间补充，如此循环，形成次声波，次声波会顺着管道向首、末站传播[1]。将次声波传感器安装在管道两端，在线实时采集次声波信号，提取特征量来判断泄漏发生的位置。当管道发生泄漏时，会产生次声波信号，此信号和正常信号都会被次声波传感器收集到，通过与正常的背景噪音比较，可以判断泄漏是否发生。

确定泄漏发生后，由于泄漏产生的次声波信号会向管道两端传播，根据次声波信号传播到管道起点和终点时间的差值和次声波信号在管道中传播的速度即可确定管道泄漏点的具体位置。具体步骤为：假设首站传感器安放位置为点A，末站传感器安放的位置为点B，AB点间的距离为L；泄漏点为C，AC点间的间距为x；一个泄漏点引起的次声波信号从C点传播到A点所用时间为t1，从C点传播到B点所用时间为t2；v为次声波信号在管道中传播的速度，则可以得到下面的关系式

泄漏点的位置确定公式为

式中Δt是一个泄漏的次声波信号分别到达首、末站时传感器的时间差值。

2 检测系统的硬件组成

次声波泄漏检测系统的硬件由次声波传感器、次声测量网络传输仪、GPS接收器和监控主机组成，如图1所示[2]。

图1 泄漏检测系统的硬件组成

（1）次声波传感器。设计的泄漏检测系统传感器采用电容原理检测流体管道中的次声波换能（敏感）元件，具有灵敏度高、频率响应宽、对振动不敏感等优点。

（2）次声网络传输仪。设计的泄漏检测系统包含数字化网络传输仪2台，主要用于次声波数据的采集与传输。数字化网络传输仪是一个通用网络远程信号采集和数据传输的设备，其内含GPS模块，数据采集时钟与GPS同步，并可提供精确时钟和经纬度数据。

（3）GPS接收器。用于首站跟末站时间的统一。

（4）监控主机。由计算机和数据采集卡组成，通过设计的检测软件对采集到的数据进行处理，判断泄漏是否发生，并确定泄漏的具体地点。

3 泄漏检测软件的开发

Lab VIEW是一种图形化语言，使用图示的方式来撰写程式，与传统的文字形态语言相比较，Lab VIEW使用“资料流（dataflow）”的概念来呈现程式的执行顺序。

在Lab VIEW的环境中，撰写程式是透过一些工具与物件来完成的。撰写的环境可以分为两个部分：第一部分为“人机界面（FrontPanel）”，用来表示与人（操作者）有直接相关和互动关系的界面；第二部分为“程式方块图（Block Diagram）”，是用来撰写程式的地方。

针对天然气管道的泄漏，开发的泄漏检测软件系统包括数据采集模块、数据预处理模块、泄漏检测和定位模块3部分。Lab VIEW为用户提供了多种用于数据采集的函数，如VIs和express VIs。其大体可以分为两类，一类是traditoinalDAQVIs，另外一类是操作更为简单的NI-DAQmx，这些函数主要位于函数模板中的measuremengI/O，insrrument I/O子模板中，本设计采用NI-DAQmx作为数据采集的函数。其泄漏点定位设计流程如图2所示。

图2 泄漏点定位设计流程

利用Lab VIEW的数据采集模块后，首先对数据进行处理即去噪，Lab VIEW的前面板可以实时显示原始信号和去噪后的信号，通过比较，实时观察去噪效果。

处理完数据后，进入泄漏定位模块。在该模块中，首先通过检测上下游信号，并结合相关分析法，得到相关函数，判断信号中是否有突变的现象，由此判断是否有泄漏发生。在该模块中，确定泄漏信号到达上下游传感器的时间差是一个重点，可通过相关函数求得，其从开始到达幅值的时间在理论上就等于泄漏信号到达上下游传感器的时间差。然后，结合次声波传播速度，求得泄漏点位置。

4 泄漏检测软件的实际测试

选取某油田的天然气管线对泄漏检测软件进行测试，确定软件的实际应用效果。此段天然气管线长3.13 km，管径为DN300mm，其中外径323.8mm，管壁厚为7.2mm，管端的压力为0.75MPa。次声波传感器分别安装在管线始、末端。在测试中，采取人为放气来模拟管道的实际泄漏，为了将实际效果放大，放气点取管道的终点B点，这样就可以直接将起始点A点传感器接收到的信号作为导入软件的信号。

运用开发的泄漏检测软件对传感器接收到的信号进行处理，对管道泄漏点进行定位分析。通过泄漏点的定位距离和泄漏点定位误差的多组实际测试结果发现，天然气管道的泄漏监测软件的定位误差最大值为60.488m，最小值为17.644m，定位的平均误差为42.413 5 m，按照软件设计指标的要求（定位误差要求：小于等于天然气管道长度×0.5%±50m）此输气管线的定位误差应当小于等于65.65m，而所有的结果都在该设计指标的指定范围之内，且效果优良。