基于模型的输气管道泄漏检测与定位系统

王军茹　刘丽华　王巧玲

【摘 要】为了对输气管道的泄漏进行检测和定位，提出了一种基于模型的泄漏检测与定位方法。本系统是将基于气体管道流动数学模型的方法同基于知识的检测方法想结合，进行优势互补的新型的气体管道泄漏检测方法。根据研究方法搭建实验系统，实验结果表明，系统可以准确地进行输气管道的泄漏检测与定位。

【关键词】输气管道；模型；泄漏检测与定位

油气管道泄漏所造成的人身伤害、环境污染以及经济损失都是非常巨大的，因此各个国家都制定相应的法律法规对管道运行状况进行检测，确定安全检测周期。同时各研究机构和高等院校也对管道泄漏检测与定位相关技术进行研究，对管道实施检测，可以准确掌握管道运行状况，力求及时地发现泄漏、准确定位泄漏，延长管道的使用寿命，有效地减轻因泄漏事故造成损失和危害。世界上发达国家从上世纪50年代就开始进行管道泄漏的检测和定位的研究工作，技术和产品也趋于成熟，一些公司也开发了管道泄漏检测的软件，但价格都比较昂贵，都需要数百万美元。而我国的油气管道又具有自身的特点，仅靠引进国外软件并不能有效解决我国管道的现有问题，因此开发适合我国油气管道运行状况的泄漏检测技术和方法，对我国经济发展具有很重要的现实意义。

首先基于气体管道传输的基本机理，建立管道的状态空间方程，再将具有无限逼近非线性函数的神经网络模型同机理模型相结合，补偿机理模型的建模误差，提出建立输气管道的混合模型，提高建模精度，有效地监测管道的运行状况，并进一步准确地进行泄漏检测和定位，搭建气体管道泄漏检测与定位实验系统，完成系统软件设计，对模型进行验证。系统主要包含气动管道回路、数据采集系统、数据采集系统界面、数据处理和分析组成，可以实现气动管道回路上各个节点上压力数据的采集，对采集的压力数据分析以检测输气管道中泄漏的发生并进行定位。

系统中的软件部分包括数据采集程序和数据处理和分析程序，数据采集程序完成输气管道中各个节点在各种工况下的压力数据，数据的分析和处理程序完成泄漏的判断、报警并进行泄漏位置的判断、定位。

软件系统的实现平台为以研华公司的IPC660工控机为中心数据采集系统，数据采集软件采用LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台，压力数据分析处理软件采用MATLAB平台实现。

1 系统组成

基于模型的输气管道泄漏检测与定位系统是集油气管道运输、检测技术、数据采集、自动控制技术、虚拟仪器技术于一体的软件系统，它是由油气管道泄漏产生的社会影响、经济影响以及对环境和人身的危害角度出发，解决在油气管道泄漏时如何快速采集泄漏数据并进行处理来定位泄漏位置。

泄漏检测与定位系统由气动回路和数据采集系统组成，系统气动回路如图 1所示，其中气源为空气压缩机，可以产生压力范围为0～0.7MPa（表压）的压缩气体，管道上多处安装高精度压力传感器采集压力信号，并且沿管道不同位置模拟了内径大小不同的泄漏孔，管道末端通过安装节流阀调节流量模拟不同工况，节流阀后接消音器通向大气。

图1 系统气动回路

管道泄漏检测数据采集系统如图 2所示，该系统以研华公司的IPC660工控机为中心，数据采集与控制卡采用研华公司的PCL-812PG，这是一款基于ISA总线的MultiLab模拟量和数字量I/O卡，可以实现A/D、D/A转换、数字量输入、输出及计数器/定时器功能。模拟量的输入是通过螺丝端子板卡PCLD-780与数据采集板卡相连。

2 工作原理

基于模型的输气管道泄漏检测系统的主程序流程图如图 3所示。在输气管道泄漏监测的过程中，当调用计算数学模型输出压力值和实际测量压力值误差不大时，认为管道运行状态正常，即不存在泄漏；而误差较大时，则出现泄漏，需要进一步检测泄漏位置和确定泄漏量的大小。

图3 基于模型的输气管道泄漏检测系统主程序流程图

输气管道的数学模型是根据输气管道传输基本机理模型和经过神经网络补偿后的准确模型，用于输气管道运输过程中沿管线各点压力数据的监测。当管道中无泄漏发生时，通过模型计算得到沿管线上各点的参数，与安装在管道上各个节点的压力传感器的测量值进行比较，误差会比较小；但当管道中出现泄漏时，管道上多个点多个时刻模型法的输出会出现较大误差，这时就可以判断管段中出现了异常。这是基于模型的气体管道泄漏检测的第一步。

在无泄漏的情况下，由于管道中存在的阻力，沿管流方向各个节点的压力会沿某一压力梯度方向平滑下降，而当管道中某处出现泄漏时，泄漏点前后的压力会有突变，也即泄漏点前后压力梯度会出现拐点，根据泄漏点前后压力数据分析可以确定泄漏发生的管段，此为泄漏位置的粗略定位。这是泄漏检测的第二步。

确定泄漏发生的管段后，在该管段上应用气体管道水力计算方程来确定管段中泄漏发生的具体位置。这是泄漏检测的第三步。

最后一步是进行泄漏量的估计。根据泄漏点之前管线上的实测压力值，应用流量公式，可以计算出泄漏点前管线上的质量流量，泄漏点后的流量同样可以计算出来，这两个流量的差值即为管段中泄漏点处的泄漏量。

3 数据采集显示

本系统采用的是美国国家仪器公司LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台实现数据采集和显示。虚拟仪器的实质就是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式来表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备来完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。常见的虚拟仪器方案如图4所示。

本系統中，以LabWindows/CVI编写控制与数据采集软件，采集管道不同位置的压力信号，以采集四处压力信号为例，如果需要观测压力信号的动态变化过程，则可设置四个示波器，同时还可根据需要设置若干控制按钮。显示当前时刻各个压力传感器所采集到的压力数据，并进行存储。

4 泄漏检测与定位

管道的数学模型是基于管道传输基本方程建立起来的，会存在着一些误差，本系统采用神经网络补偿模型存在的误差。

4.1 气体管道泄漏位置粗略定位

经过神经网络补偿后的模型用于管道运行状态的监测，管道在无泄漏的情况下，沿管流方向的压力是连续变化、逐渐衰减的，其中液体管道沿管线方向的压力变化，即压力梯度近乎为线性曲线；气体管道的压力梯度虽然没有液体管道那样好的线性，无泄漏时管道上的压力梯度变化也是均匀光滑的，曲线斜率是逐渐变大的。无泄漏但管道末端用气量发生改变的不同工况下压力曲线的对比情况如图5所示，其中横坐标为实验管道长度方向变量，纵坐标为各节点上压力数据，采用的是管道稳态流动时各个时刻压力数据平均值。可以看到不同工况时压力梯度曲线上下浮动，但每一条曲线的下降趋势基本一致，且变化过程比较光滑，沿管流方向曲线斜率逐渐增加。

当管道中出现泄漏时，压力梯度曲线会发生变化，压力曲线不再光滑，泄漏点前后压力曲线会出现拐点。系统采集了不同泄漏位置，在同一位置不同泄漏量的压力数据，其中泄漏位置为L1、L2和L3，即28.0m、37.0m和49.0m三种，同一位置安装1.2mm、1.6mm和2.0mm三种不同直径的泄漏小孔模拟不同的泄漏量。其中28.0m处出现泄漏时压力梯度曲线如图6所示，横坐标为管道长度方向变量，纵坐标为各节点上压力数据。据此可以判断泄漏发生的管段。

4.2 泄漏点的精确定位

在同一位置安装1.2mm、1.6mm和2.0mm三种泄漏小孔，也即泄漏量改变时对泄漏位置进行估算。管道上在28m处发生泄漏时泄漏位置估计情况如图7所示。图中横坐标为采样点，纵坐标为管道长度方向估计的泄漏位置。从图中可以看到随着泄漏孔径的增大，估计位置与实际泄漏位置的误差逐渐变小。

5 结束语

本系统是一种将基于气体管道流动数学模型的方法同基于知识的检测方法想结合，进行优势互补的新型的气体管道泄漏检測方法。这套系统对于油气管道的泄漏检测与定位技术的发展具有十分重要的作用，其应用可以涵盖管道运输、检测技术、自动控制技术、数据采集和分析处理、虚拟仪器技术等多个领域。

【参考文献】

[1]石小琳，孙志毅，何秋生，等.信息融合技术在管道泄漏检测与定位中的应用[J].化工自动化及仪表，2011，38（7）：789-792.

[2]李长俊.天然气管道输送[M].2版.北京：石油工业出版社，2008：64-65，168-175.

[3]何小阳，李健，闵力，等.精馏塔的机理——神经网络混合建模[J].控制工程，2009， 16（2）：211-213.

[责任编辑：田吉捷]