iSafe次声波管道泄漏监控系统的应用

罗 宇，施 剑

(江苏中海达海洋信息技术有限公司，江苏 南京 210032)

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iSafe次声波管道泄漏监控系统的应用

罗 宇，施 剑

(江苏中海达海洋信息技术有限公司，江苏 南京 210032)

一、引 言

用次声波管道泄漏监测系统(acoustic leak detection system)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。次声波管道泄漏监测系统具有灵敏度高、误报率低、定位精度高等优点。中海达iSafe次声波管道泄漏监测系统采用次声波管道泄漏监测技术，能准确迅速发现泄漏，并确定油气管道泄漏位置。iSafe次声波管道泄漏监测系统的推出和应用，必将大大提高管道泄漏监测的性能和质量，为管道的安全运行提供强有力的保障。

二、iSafe次声波管道泄漏监控系统工作原理

iSafe次声波管道泄漏监测系统如图1所示。该系统的主要设备有：ACU(acoustic controller unit)、泄漏监测服务器和通信网络。

图1 iSafe次声波管道泄漏监测系统原理图

1.ACU终端

ACU终端安放在站场或阀室、控制室，主要功能是采集次声波信号并传输到泄漏监测服务器，能够通过管道内流体采集声波信号，将信号进行调理，通过GPS授时完成系统的同步采集，然后转换成数字信号。ACU会实时显示站场的次声波信号波形，便于人工分析和处理；同时，通过先进的信号处理和模式识别方法判断该声波信号是否为泄漏信号。ACU还具有自检功能，能够实时监测传感器、GPS等设备的工作状况。ACU终端包括次声波传感器、GPS和信号处理机等部件。

2.泄漏监测服务器

泄漏监测服务器由硬件和软件两部分组成。硬件一般使用高性价比、高稳定性的PC服务器；软件是拥有自主知识产权的iSafe管道泄漏监测软件。

该服务器主要是将不同地点的ACU数据进行汇聚，通过软件与ACU通信，建立并维护各ACU的通信信道；利用各GPS时钟信号对其发送的数据进行精确时间同步。系统软件可从SCADA系统获取流量、压力、在线密度等参数，以进一步提高系统可靠性，降低误报率。系统软件处理和识别各ACU的次声波数据，判断管道是否发生泄漏。依据管网的拓扑结构及次声波信号到达各ACU的时间差，计算泄漏位置。

系统软件具有自动诊断功能，能够对断电自启动，对通信链路、声波采集、GPS等模块进行自动诊断、报警、提示。人机界面可查看系统的具体参数，如果系统工作不正常可发现出错部位及原因。

3.通信系统

iSafe次声波管道泄漏监测系统使用计算机网络进行通信。ACU的次声波数据通过通信网络传送到泄漏监测服务器，监控终端与泄漏监测服务器也通过通信网络相连接。iSafe次声波管道泄漏监测系统通常直接使用管道SCADA系统现有的通信网络。为保证网络通信可靠性，建议系统通信使用已有光纤网络。

4.软件接口

iSafe次声波管道泄漏监测系统与SCADA系统、人机界面及其他第三方软件采用OPC标准进行通信。

iSafe次声波管道泄漏监测系统可通过OPC接口从SCADA系统获取压力、温度和流量等数据，以进一步提高系统可靠性，降低误报率；可通过OPC接口向人机界面软件，如Citect、IFix和Labview等提供系统运行状态及管道泄漏报警灯信息，用户在人机界面的各种操作也通过OPC接口传递给iSafe次声波管道泄漏监测系统核心模块；支持通过OPC接口与其他系统进行通信，具有高度的灵活性，包括负压波法管道泄漏监测系统、管壁声波预警系统、管道光纤预警系统、模拟仿真系统等。

5.其他组件及要求

每个ACU都包含1套GPS，因此需要安装GPS天线，GPS天线需要安装在屋顶等卫星信号无遮挡的位置，同时GPS天线都包含1个GPS避雷器，防止GPS受到雷击而损坏；包含1个低噪声直流电源，采用220 V/50 Hz交流电作为输入，输出24 V直流电源给ACU、传感器等设备进行供电；信号链路上包含浪涌保护器，防止瞬时传输信号线的浪涌电压，从而保护后级电路不受到浪涌电压的损坏。

室外设备的防爆等级为ExdIIBT4，防护等级为IP67，也根据现场使用要求定制。

三、关键技术

1.高灵敏度次声波传感器技术

次声波传感器是油气管道在线监测系统的核心技术之一，能真实地检测出声发射源的所有信息。

此外对于长距离油气管道，泄漏次声波在到达监测终端前需要沿着管道进行长距离传输。经过传输介质的衰减和吸收，次声波信号强度十分微弱。为降低系统的漏报率，必须研制高灵敏度的油气管道泄漏次声波传感器，以实现管道不停输状态下，可靠地获取油气管道的次声波信号。

2.高精度时间同步技术

iSafe次声波管道泄漏监控系统利用GPS/北斗的PPS脉冲信号对ACU采集的次声波信号进行高精度时间同步。利用GPS/北斗的同步信号进行分布式时间同步具有同步精度高、费用低等优点。经测试，该系统最大时间同步误差不高于1 μs，技术优势明显。

3.次声波信号处理技术

对于管道运行过程中的背景噪声和管道操作过程中产生的各种干扰，iSafe系统采用谱减法滤波和自适应次声波传感器阵列等多种方法进行噪声抑制。

管道内背景噪声是变化比较缓慢的信号，该系统具有的背景噪声估计算法可有效地跟踪管道运行过程中的背景噪声变化。在有效估计到噪声频谱参数的情况下，系统采用谱减法滤波进行背景噪声抑制，具有明显的效果。

对于启停泵、开关阀等管道操作干扰，该系统采用次声波传感器阵列技术进行处理。该技术在管道上同时安装多个传感器，并行采集次声波传感器信号。多个次声波传感器构成阵列，干扰信号通过自适应阵列信号处理方法得到有效抑制。

4.信号检测技术

iSafe次声波管道泄漏监测系统采用了基于人工神经网络的识别器实时处理并识别管道的运行状态。人工神经网络模型是强大而灵活的统计模型，能有效地描述复杂的信号模型。iSafe系统用人工神经网络来描述泄漏次声波及各种干扰信号，解决了人工神经网络结构设计、模型训练、实时识别，以及在针对实际管道的运行优化等一系列问题，从而提高了系统识别微弱信号的灵敏度，降低了误报率。

四、应用案例

某石油技术服务有限公司针对19条油气混输集输干线设计了iSafe次声波泄漏检测系统，并以其中的一条管线作为测试段，测试系统性能。测试管段基本信息见表1。

表1 红河油田油气混输管网泄漏监控系统

该测试管段为油气混输管道，含气量为20%左右，有较大幅度的波动。油气混输管道输送不稳定、噪声较大，给管道泄漏监测系统带来了极大的技术挑战。本次测试的目的是了解iSafe次声波泄漏检测系统在未调试优化情况下在油气混输管道的监控性能。测试过程中，通过切换管道输送流程模拟管道泄漏。整个测试期间，iSafe系统对红一联和红一转站内各种操作和泄漏进行了有效的监测。

测试结果表明，iSafe次声波管道泄漏监控系统在未经调试及参数优化条件下，可以成功检测到模拟泄漏，等效最小可测泄漏孔径约5～15 mm；且能成功监测到红一联站内3＃螺旋板式换热器泄漏及后续流程切换及换热器抢修等事件，验证了iSafe对多相流油气混输管道泄漏监控的灵敏性、有效性、可靠性和准确性。

五、结束语

中海达iSafe次声波管道泄漏监测系统采用了高灵敏度次声波传感器、高精度时间同步、信号处理和信号检测等多种先进技术，具有检测灵敏度高、定位精度高、反应速度快、误报率低等优点，可广泛应用于原油管道、成品油管道、天然气管道、化学品管道和水管道的泄漏监控。

(本专栏由中海达和本刊编辑部共同主办)