长距离输油气管道泄漏监测与准实时检测技术研究

郑恩文

摘要：在实验研究基础上，采用巴特沃兹滤波方法去除信号中的噪声干扰，将基于傅立叶方法的故障诊断方法引入长距离输油气管道泄漏监测与准实时检测技术中，对可以反映油气的泄漏压力信号的相关特征向量指标进行了系统研究。该方法对实验得到的压力信号进行快速傅里叶变换，解决了对时域信号向频域转化的难题，进而通过对加窗后重构的新序列进一步分析，就能根据不同频域内的特征向量值完成对产生泄露原因的识别。并在后期的实际应用中取得了相对较好的效果，同时在上述研究基础上，对总结油气管道泄露检测与准实时检测技术进行分析，为该技术的进一步发展与完善提供指导性建议。

关键词：巴特沃兹滤波方法;傅立叶方法;泄露监测;快速傅里叶变换。

中图分类号：TE973.6 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）10-0020-05

油气运输中的管道泄漏现象，不仅会造物质损失和污染环境，更加可能带来十分重大的人员伤亡。然而近些年来，相关的油气管道泄漏事故却多有发生，故而为了更好的对管道安全运行加以保证并且将油气泄漏事故所带来的危害降低到最小，油气泄漏检测技术快速成为近年来工程研究的重点项目。

众所周知，长距离油气泄漏的管道检测技术是一项涉及到多个领域的跨学科复杂课题-引，其具体涉及到热力学、流体力学、信号学、检测学、传感技术、信号处理、微弱信号检测等多个相关学科方向，是近年来冉冉升起的学术要点，更是学术难点。

1长距离油气输送方式及调节

通常所说的长距离油气输运方式指的是，沿着油气输运管道的各个泵站与泵站，以及管道与泵站之间的关联关系。由于相邻的两个泵站之间的连接方式各不相同，导致设备的选择、泵站内的工作流程、管理水平以及水平也均不相同。而长距离油气的输运方式通常有三种，一般可以归结为，旁接油罐、通过油罐以及从泵到泵（图1）。

1）这里所说的旁接油罐油气运输方法，指的是当上一泵站来油气时，油气将会同时进入到油气泵或者油罐，也就是油罐与主要油气干线呈并联关系。基于这样的设计，如果相邻的两个泵站的油气量较为均衡的时候，油气罐内部的液面则相对平稳，可以使得罐内因蒸发而带来的油气损失减少，而当上下两个泵站之间的输运量不能保持平衡的时候，油气罐就可起到一个缓冲的作用。

2）通过油罐的油气输运方式则通常是指，當上一泵站有油气进入罐内后，油气泵再由油气罐内部抽取油气，并且经过加压后将其输运到下一个相邻的油气泵。在上述通过油罐的输送方式下，多个油气罐则可以在数量无法保持不平衡的时候起到一定的调节作用，同时又可以将油气管路中在输运过程中带来的部分空气排出，这样就可以起到沉淀大量杂质的效果。然而，考虑到油气罐内流体在运输过程中会受到剧烈的扰动，将会导致因蒸发带来大量的油气损耗。综上，该种输运形式被较多的使用在投产过后的试运行阶段中，这是由于该阶段下整个运行机构尚且无法很好地协调，故而各个泵站间的输运量的相对波动是很大的，在这种情况下，油气罐可以起到一个很好的缓冲的作用，同时，上一泵站的来油在罐内可以进行杂质以及空气的排放，这将进一步保证泵站内的设备可以相对安全的运行。在此前前提下，当全部运输线上各个环节均达到协调后，即可以将油气输运方式更改为从泵到泵或者旁接油罐。

3）最后，从泵到泵的的输送方式通常是指，将相邻泵站中的通过上一泵站的所来油气全部输运到下一油气泵中。其中，运输线路中的相邻泵站之间的输油泵则应用密闭输送，即接力传送。这样的设计使得运输线路结构更加简单，因此就可以避免油气经过中间的泵站时带来的的蒸发损耗。

在旁接油罐以及通过油罐这两种输运方式中，每一个泵站以及与其相邻的下一个泵站间的油气管道均可以形成一个独立的水力机构，这样使得各个泵站在很短的时间内就可以各自调整内部的多个运行参数，同时不会对其它的泵站造成直接的影响。这体现了，分布在主油气线路上的油气罐带来的缓冲作用，提高了整个管路调节的灵活性。然而，上述方式均无法在长距离的管路运输中保证油气输运主泵可以以正压来进泵。这导致每一个泵站都需要设置相应的给油气系统，故而油气罐存在带来的缺陷也是不可忽略的，即导致输运过程趋于复杂化，进而需要增加一定的操作人员，更使得经营以及投资的相应费用大幅增加。

对比来看，从泵到泵的油气输运方式则将所有的站与整个运输线路的管路整合成为统一的单个动力系统，这样各个泵站的输运特征则仅仅受到总特征以及整体流量的影响。可以明显看出，基于该设计下，各个站的流量将保持等量，个别泵站的进出油气流量发生突变，则会导致其它所有的泵站流量均随之出现对应的浮动。同时，各个泵站的进出口压强也存在相互影响的现象，举例来讲，某一泵站的相邻前一泵站所输人的压力大于两个泵站之间的线路所耗散的压力，那么消耗后的剩余压力则会转变为其相邻的下一站的进口压力，这将会导致下站的输出压力在原基础上升高。综上，各个站均需要设置相对可靠的自动保护措施以及自动调节系统。通过上述分析可以得出，从泵到泵的输运方法具有能源损耗较少，工艺流程更加简单，节省了油气设备以及节约了人力资源的巨大优势。然而现在我国的大部分油气运输过程还在继续使用旁接油罐或者通过油罐的输运方法。

2泄漏监测与准实时检测的相关数学模型

2.1巴特沃兹滤波降噪方法

在旁接油罐、通过油罐的油气输运方式中，各个油气罐对管道内压力具有一定的缓冲作用，可以类比于电路中电容产生的作用，即对管道内压力的骤然变化提供一定的滤波和降噪作用。而多个油气罐的结构设置则使得油气通路内部介质的压力相对较低，经过大量计算总结得出，该压力通常可以通过将阀组带来的压损与油气罐内的流体高度压相加得到，这将会导致基于管道压力变化来检测油气泄漏的方式的要求变得更高。另一方面，考虑到输运管道中随机出现的工业测量带来的干扰以及设备固有的噪声干扰，去噪方法的提出也尤为重要。因此，本工作中经过大量的实际研究得出大量实验数据，并基于上述数据，对应上述两种噪声干扰给出滤波去噪的方法：采取巴特沃兹滤波方法来过滤去除多种噪声干扰。

巴特沃滋滤波器一的设计流程可以简述为三个部分，首先按照油气泵压力具体数据及泄漏检测具体要求来给出滤波器的对应性能参数。并在此基础上通过巴特沃滋方法不断逼近設定好的性能参数，也就是通常所说的确定巴特沃滋器的单位脉冲函数或者系统响应。最后，对设计的数字系统进行检验，监测滤波器能否达到先前制定的性能标准，如果结果并不理想，则反复修改先前步骤，直到得到符合标准的检测结果，即完成巴特沃滋滤波器的设置。

由上述研究工作可知，本研究中对压强数据的处理的主要是将低频的噪声信号过滤掉，为了起到降噪效果，采用高通滤波器，而通常研究中大多使用低通滤波器，其特性由图2所示。

在前人的研究过程中，巴特沃兹、椭圆以及切比雪夫滤波器应用的最为广泛，而基于对相关压力参数的灵敏度的考虑，在众多研究结构下，可以得出，巴特沃兹滤波器灵敏度是最好的，其次则为切比雪夫，效果最不理想的则是椭圆滤波器，同时考虑到巴特沃兹滤波器具有最低的计算阶次，其可作为长距离输油气管道泄漏监测与准实时检测技术研究中降噪滤波器的最佳选择，其后我们通过Matlab软件完成了低通滤波器向高通滤波器的转换。

波动幅度的平方函数是上述巴特沃兹滤波方法中的重要参数，其定义式如下：

本研究中，我们应用MATLAB软件对巴特沃滋滤波器进行编写，并得出对油泵压力信号进行降噪后的效果图如下：

2.2快速傅里叶分析提取特征压力信号

为了对长距离输油气管道内的油气泄漏所引发的压力骤然下降，和因为泵站调节等因素造成的压力波动进行识别和区分，本文中应用快速傅里叶分析方法代替传统的傅里叶方法，来对特征压力信号进行重构，完成时域信号向频域的快速转变，并对泄露故障进行识别。

本文应用上述方法对长距离油气输运过程中的加速度数据和油气泵内的压力数据进行了处理与分析。结果表明，由于长距离油气输运的验过程中各种信号的采集量均较为旁大，故而直接应用傅立叶变换会导致计算量过大，对计算机的内存和以及CPU的处理速度要求相对很高。因此，从正常输运过程，即非泄漏过程的采集数据中截取数段数据，同时在泄漏过程中截取数段数据，并将多端不同情况下的信号进行快速傅立叶处理，是本文采用的可行且节约计算资源的处理方法。在我们的研究中窗函数中的hamming窗被应用于数据的截取，并且根据大量测试，将窗口的长度设置成69个采样的信号点，这里为了证明在长距离有气泄漏检测研究中过滤降噪处理的必要性，我们在对滤波后得到的正常油气输运数据进行快速傅立叶转换的基础上，对没有经过滤波的正常信号同样作出快速傅立叶转换，并将两种情况下的计算结果进程对比，对比结果如图5中所示。

同时，对应于上述操作，从油气泄漏情况下的数据中截取局部数据，并对其进行快速傅立叶转换，这部分操作也同样使用了hamming窗，窗函数的尺度与上述操作中相等，并同样给出滤波前后油气泄漏情况下数据的对比分析，对比结果见图6。

联合观察图5、图6，我们可以分析得出，在上述的两种输运状态，即正常输运和发生油气泄漏的输运过程中，两种状态下的到的采集数据的能量均集中分布于2500Hz以下的低频率区域，然而在油气泄漏现象较为频繁出现的3000Hz-24000Hz频率分布带内则无法观察到明显的处理信息。通过研究分析我们得出，从长距离油气输运实验中我们所检测得到的流动加速度信号以及泵站压力信号中，是以较低频率的信号占据了较为重要的地位，而这些较低频率的信号的成分却是基本由各种各样的噪声信号组成的，这样以来，研究中较为重要，且具有价值的油气泄漏时对应的特征信号，反而由于所处频带较高而被能量较高的低频信息所掩盖，而无法正常显示，不能得到很好的分析，也就是通常认为的信噪比较低。

而为了将信噪比例有效的提高，我们在前面的研究中采用了巴特沃滋滤波器进行滤波，较为有效的将泵站信号中低于2500Hz的各种低频率信号消除，而后在此基础之上使用快速傅立叶处理，对信号进行时域向频域的转换。如图5中右边的两个经过滤波后的云图所示，由于图5中给出的数据是基于正常油气输运状态下实验采集得到的，在该状态下并没有相应的油气泄漏现象发生，因此可以在图中看出，在时频分布中油气泄漏具有发生可能的时频区域内并不出现可观察到的云图成分，也就是无法提取出相应的油气泄漏特征，这个现象同样可说明快速傅立叶转换所得到的结果是合理且相符于实际情况的。进一步分析图6，泵站的压力信号在通过滤波后于0.012处出现瞬态冲击。对比实验分析，这与油气泄露产生的时间点基本符合。

3油气管道泄露监测与自动控制系统设计

长距离输油气管道泄漏监测与自动控制系统具体如图7所示。系统在监测到泄露信号之后，搜集泄露信息，并对泄露信息进行处理，进行故障报警。现场根据报警显示确定泄露点，并进行泄露原因识别和泄露故障处理。系统检测泄露点处理完毕之后恢复正常运行状态。

4结语

本文针对长距离油气输运过程中的泄漏检测进行了较为深人的研究，结果表明，在对长距离输油气管道泄漏监测与准实时检测的研究中，直接使用快速傅立叶变换，由于各种非泄漏噪声的低频数据在整体能量分布上占据了主要部分，会导致信噪比降低，是无法区别提取管道泄露信息的，进而无法进行准时的检测，在研究过程中需要通过对流动加速度以及压力信号进行滤波降噪处理，应用巴特沃兹滤波器消除在能量上占据主要地位的低频信号段，再联合使用快速傅里叶变换，则能够成功的从流体的加速度数据以及泵站的压力数据中有效的提取出油气泄露相关数据特征。在此基础上，本文进一步设计了长距离油气管道泄漏监测自动控制系统。