基于DSP的管道泄漏特征识别技术

贺诗瑶刘钇池魏赞徐艳艳李红

（1.中国石油天然气集团公司华北油田分公司第三采油厂 河北河间 062465；2．河北华北石油港华勘察规划设计有限公司 河北任丘 062465）

基于DSP的管道泄漏特征识别技术

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（1.中国石油天然气集团公司华北油田分公司第三采油厂 河北河间 062465；2．河北华北石油港华勘察规划设计有限公司 河北任丘 062465）

基于DSP(独特的微处理器)管道泄漏特征识别技术的研究与应用，改变了管道泄漏报警系统通常所采取的“三降一升”特征识别方式，采取可量化的极值识别的处理方式，通过对管道小流量泄漏监测的弱信号异常变化的量化分析，实现了“管道泄漏报警定位”技术由笼统判断方式向精确识别方式的转变，解决了早期管线泄漏报警技术对微小泄漏量不易识别、不能准确定位等问题。

微小泄漏量；噪声干扰；泄漏特征；定位

输油管道穿孔如果不能及时发现，会导致油品外泄、环境污染、停输等一系列不良后果，抢险补漏时会造成大量经济损失。单靠增加人力、加强巡线力度，虽然能起到一定作用，但效果并不明显。早期开发的管道泄漏报警系统，利用负压力波法原理，采取“三降一升”方式对管道泄漏进行特征识别判断，其识别过程需要人为参与，这不仅加大了管道小流量泄漏定位的误差，而且，不符合管道泄漏报警系统对泄漏报警定位自动化的要求。

1 基于DSP的管道泄漏特征识别技术

管道泄漏特征识别系统用于监测长输管线上某管段的泄漏情况。一旦某管段发生原油泄漏，该系统就会立即报警并定位。早期研制的管线泄漏报警技术对泄漏特征不能有效区分，其根本原因是由于从传感器获得的电信号，由于传输过程中的各种噪声干扰、工作现场的电磁干扰以及前段电路本身的影响，往往会有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号甚至会淹没有效输入信号，致使系统无法对信号识别判断。

图1 信号噪声干扰

图2 信号数字滤波效果前后对比

为了减少干扰噪声信号对监测过程的影响，开展了“基于DSP管道泄漏特征识别技术”的研究应用。基于DSP的管道泄漏报警系统采用DSP信号识别与处理技术，从软、硬件两方面入手构建完善的管道泄漏报警体系，并进行模块化功能分析。从实际需求出发设计系统的硬件体系框架，研发并制造了基于DSP的RTU（远程终端数据采集模块）硬件电路，包括前端输入信号调理电路设计和系统内部硬件资源分配的实现等，对现场采集的信号实现实时在线降噪分析，抗干扰能力强、运算速度快、工作可靠性高。

图3 硬件体系框架

建立并实现基于DSP的系统软件设计，包括整个系统程序流程的设计、各个模块应用程序的实现和内核模块的初始化设置，创造新的软件处理方法，提高了管道小流量泄漏的定位精度及灵敏度。

“基于DSP管道泄漏报警定位系统”基于负压力波法技术原理开发的智能管道泄漏报警定位技术，是在原有输油管道报警系统技术之上跨越式的飞跃。从基于DSP的系统软件开发、基于DSP芯片的RTU、数字型流量变送器产品设计开发三个方面对原系统进行技术升级改造。RTU设计实现了信号硬件的在线降噪处理、分析及信号转换速度的提高，系统运算能力得到大幅提高。

软件融合了FFT的DSP算法优化、数字滤波器的DSP技术等多种综合技术，创造出独有的适合监测管道微小泄漏的实时监测曲线。同时，结合人工神经网络的自学习、联想、记忆功能，能够对管道各种信号特征的变化进行智能化直观识别，实现了自动、高效、准确地分析，识别小流量泄漏的目的。

图4 基于DSP管道泄漏报警定位系统

流量信号实现数字化处理，在抗干扰、检测精度、灵敏度等方面取得成效。自主开发的“基于DSP的管道泄漏报警定位系统”技术，实现管道泄漏报警定位系统由笼统判断方式向精确识别方式转变，能在泄漏发生后迅速、准确地判断出泄漏位置，实现对管道小流量泄漏难以监控和识别的关键技术上的突破，提升系统对原油外输管线安全运行的技术监控与管理能力。为油田生产单位及时调动人力应对突发事件提供了准确、可靠的依据，使损失降低到最小程度。

2 系统工作原理

输油管道泄漏监测系统以负压力波法为基本方法，利用管道瞬态模型，采用流量报警，压力定位。

当管道发生泄漏时，泄漏点由于管道内外的压差，使泄漏处的压力突降，泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充，在管道内产生负压波（压力下降），负压波从泄漏点沿管道以一定速度向上、下游传递，波幅随着传输距离而递减，最后到达管道两端，造成首站出站压力下降、出站流量上升；末站进站压力下降、进站流量下降，从而产生输差；这种压降和正常压力波动不同，具有比较陡峭的前沿。管道两端（首末站）的压力变送器接收管道的压力信号并进行连续记录。结合压力和流量的变化特征，可以判断泄漏是否发生，通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上游、下游两站的时间差和管道内的压力波的传播速度即可计算出泄漏点的位置。为了克服噪声干扰，软件上采用了多种滤波算法，国内油品的压力波传播速度约为1050～1200m/s。对于一般管线，负压波的速度约为1080m/s（管道存在变径则情况不同）。

根据压力波响应时间差、管道长度、压力传播速度，建立基本的数学理论模型，对由于因管线的工况参数及被输介质的理化性质和温度衰减等引起压力波的传递速度及衰减速度变化进行必要的补偿和修正，由公式即可计算出相应泄漏位置。

图5楚任长输线概况

3 现场应用情况及效益分析

2016年10月，在采油三厂楚任线进行了推广应用。通过微小泄漏技术应用，泄漏的灵敏度由2m3/h提高到0.05m3/h，泄漏定位的精度由200m提高到100m。

图6 基于DSP管道泄漏报警定位系统在楚任长输线的应用

通过对软件、硬件的改进、完善，解决了信号的噪声干扰；对存储信号的分析处理和信号的分类研究，建立了对波源有效性的判断识别方法，准确地分辨出有效波信号，实现了“管道泄漏报警定位”技术由笼统判断方式向精确识别方式的转变。

4 结束语

“基于DSP管道泄漏特征识别技术”是针对管道原油输送自动化安全监测管理技术,适于长输管线自动化监测管理大规模推广。通过现场应用，该技术具有灵敏度高、定位准确的特点，在数字油田系统建设、管理中具有较好的发展前景。