智能音波技术在天然气长输管道泄漏监测中的应用

施晓红

摘要：智能音波管道泄漏监测是采用先进的信号处理、模式识别和人工智能技术，监测气体、液体、气液混合以及多相流管道，相比其他管道泄漏监测技术，在灵敏度、可靠性、稳定性和降低误报率等方面具有明显优势，是油气管道的在线泄漏监测的有效技术手段。利用智能音波技术进行天然气长输管道在线监测，实现实时监测管道运行情况，及时发现并确定泄漏发生的位置，从而可以及时有效地进行应急处理，控制和减少因管道泄漏造成的损失。

关键词：智能音波法；泄漏监测；数据采集

中图分类号：C93 文献标志码：A文章编号：1673-291X（2012）15-0206-03

一、概述

管网运输是油田主要的天然气运输方式，由于管道运输具有高压、易燃、易爆的特性，管道的安全管理极为重要，泄漏是管道运行中最主要的安全隐患，尤其是天然气管道的泄漏将会造成中毒、火灾、爆炸等严重事故，而近年随着腐蚀泄漏、人为打孔偷盗等问题日益突出，加剧了管网安全运输形势的严峻性。因此，确保管网运输安全，是所在区域和谐生活、健康环境的重要保证，是油田集输储运企业首要的政治责任、经济责任和社会责任。

智能音波管道泄漏监测技术引入了先进的信号处理、模式识别和人工智能技术，可监测气体、液体、气液混合以及多相流管道。提高了管道泄漏监测系统的灵敏度、可靠性和稳定性，降低了误报率，是目前最为先进的第四代管道泄漏监测技术。探讨智能音波技术在天然气长输管道在线泄漏监测中的应用，实现实时监测管道运行情况，及时发现并确定泄漏发生的位置，从而可以及时有效地进行应急处理，控制和减少因管道泄漏造成的损失。

二、智能音波法的技术优势

泄漏监测是管道监测特别是长输管道监测的最重要方面，用音波对压力管道进行泄漏监测是目前最先进、最可靠的泄漏监测技术。

一般管道监测方法都是监控管道运行的各种物理量变化来判断管道是否发生泄漏，因此产生了流量法、实时模型法、负压波法等管道泄漏监测技术。与这些方法相比，音波法具有明显的优势。

衡量管道泄漏监测技术（系统）三个最重要的性能指标是：灵敏度（可检测的最小泄漏率以及漏报率）、误报率（可信度）和定位精度，智能音波法和其他方法的性能指标比较（见表2）。

从表2可以看出，智能音波管道泄漏监测系统具有灵敏度高、可信度高、定位精度高、适应范围广、系统运行稳定、反应快速等优点。

根据被监控管道内流体的性质及管道的运行环境不同，智能音波技术可以监测地面管道、埋地管道和海底管道，还可以监控各种复杂的管网系统。

三、智能音波油气管道泄漏监测系统工作原理

（1）管道泄漏瞬间，输送介质在泄漏点产生具有一定特征的音波，并沿管道向两端传播。（2）采集终端通过安装在管段两端的传感器接收到音波信号，经过预处理之后，与GPS 时钟一起通过网络传送到服务器。（3）服务器进行实时识别处理（采用复杂统计模型的识别器），判断管道是否发生泄漏，同时利用管段两端数据采集处理终端接受到音波信号的时间差，计算出泄漏发生位置。（4）在每个环节利用人工智能技术过滤干扰，最终降低误报率，提高了监控精度。

四、智能音波油气管道泄漏监测系统的组成

智能音波油气管道泄漏监测系统主要分为数据采集处理终端、泄漏监测定位服务器和监控终端，同时系统运行需要计算机网络（运行TCP/IP 协议）支持。

1.数据采集处理终端。传感器：实时将管道中的声波信号转换为电信号，传输给前端处理模块。天然气长输管道智能音波泄漏监测系统可采用定制的传感器，有效解决微弱音波信号的捕捉问题，为系统的可靠运行奠定基础。前端处理模块：在微小泄漏孔径的情况下，泄漏点产生的音波信号及其微弱，经过长距离传输将进一步衰减。前段处理模块的功能就是信号的放大和噪声抑制。采集模块：将信号做AD 转换，变为可用计算机处理的数据。GPS：获取精准的时间，泄漏监测定位服务器用来计算泄漏位置。采集主机：安装采集程序，把音波信号转换为数字域的多通道信号，再通过维纳滤波、自适应滤波等先进的信号处理方法进行预处理，去除背景噪声和各种干扰信号，最后和GPS 信号一起通过网络传送给泄漏监测定位服务器。

2.泄漏监测定位服务器。泄漏监测定位服务器由硬件和软件组成，硬件一般使用高稳定性的服务器，软件可选用 DOLPHIN SERVER V2.1。硬件要求：（1）操作系统：Windows XP SP2，SP3 / Windows Server 2003 / Windows Vista；（2）处理器：2.0 GHz Pentium IV or equivalent or higher；（3）内存：1 GB RAM；（4）硬盘：4 GB Available HDD Space。软件功能：（1）读取配置信息，建立 OPC 项并更新，为人机界面提供数据。（2）将采集终端的配置信息通过网络传递给采集终端。（3）建立并维护各采集终端的通讯信道。（4）向远端的OPC 广播或者发送OPC 数据。（5）利用各采集终端的 GPS 时钟信号对其发送的数据进行精确时间同步。（6）依据管网的拓扑结构，对比和匹配各采集终端的数据，判断管道是否发生泄漏。并根据音波信号到达各采集终端的时间差，计算泄漏位置。（7）保存各个数据采集终端传送来的原始数据以及中间数据，以便进一步分析处理。

3.监控终端。监控终端安装客户端程序和人机界面程序（含底层组态软件），实时显示管道的运行状态，当发生泄漏时及时报警。可以配置多台监控终端与泄漏监测定位服务器相连，监控终端也可和泄漏监测定位服务器共用一台计算机。硬件要求：（1）操作系统：Windows XP SP2，SP3 / Windows Server 2003 / Windows Vista；（2）处理器：800 MHz Pentium III or equivalent or higher；（3）内存：256 M RAM；（4）硬盘：40 M Available HDD Space；（5）显卡：DX 9.0c Compatible graphics card；（6）声卡：16-bit Sound Card；（7）其他：还需要满足人机界面程序所使用组态软件的配置要求。

4.通讯系统。使用计算机网络（运行TCP/IP 协议）。数据采集处理终端的数据通过通讯网络传送到泄漏监测定位服务器，监控终端与泄漏监测定位服务器也通过通讯网络相连接。各个数据采集终端和监测定位服务器之间需要网络平台支撑，可以利用现有网络。采集终端与服务器之间传送的数据已经过加密，可以通过公网传输。另外系统应有严格的数据完整检查和出错重传机制，保证每条数据都准确可靠地传递。如果系统出现故障，可以进行远程调试。

5.关键技术。（1）通讯数据加密，支持跨网段传输；（2）发送数据缓存，接收数据应答，数据校验，丢包数据重传，保证每条数据正确可靠传输；（3）支持复杂管网（树状、环状等），在分支位置可以不设采集终端；（4）支持运行时刻参数修改和音速校准（不需要重新启动程序）；（5）可配置是否生成本地 OPC 服务器；（6）可连接任意多采集终端；（7）支持断点续传。

五、结束语

智能音波油气管道泄漏监测系统的优势：（1）全球最先进的泄漏监测技术。（2）智能音波法各项性能指标都比其他泄漏监测方法优越。（3）可监测气体、液体、气液混合以及多相流管道（其他泄漏监测技术一般只能监测液体管道）。（4）本地化的技术支持和维护。

参考文献：

[1]DOLPHIN智能音波管道泄漏监测系统[J].自动化博览，2009，(3).[责任编辑 王玉妹]