小波变换法在输油管道泄漏检测中的应用研究

张 滨，曹江涛，张 一

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 113001）

管道输送技术在石油、天然气等流体中有着广泛的应用。但是近今年来由于人为破坏、管道腐蚀等原因，管道泄漏事故经常发生，造成了巨大损失和环境污染。另外，长输管道距离长，沿途环境比较恶劣，决定了检测方式多为人工定期巡检，限制了泄漏检测与定位的实时性与准确性。因此输油管道泄漏检测的研究与应用成为亟待解决的问题。

通常用于泄漏检测的方法可分为直接和间接检测法。直接检测法多为人工巡检。间接检测方法有物质平衡法、压力梯度法、负压波法等，这些方法各有其优缺点[1]。

文中简单介绍了几种泄漏检测的方法，重点介绍了负压波法在输油管道泄漏检测系统中的应用及其定位算法。并对负压波定位方法中的关键参数，即首、末两端压力传感器接收到压降信号的时间差，利用小波变换法进行了深入的研究与分析，并在Matlab上进行了相应的模拟仿真，结果表明该方法切实可行、定位准确，达到了对精度的要求。

1 管道泄漏检测方法概述

1.1 物质平衡法

管道质量平衡技术是检测管道泄漏[2-3]的一种基本方法，它是许多现代管道泄漏检测技术的基础。该方法主要通过检测管道进出口的体积流量、温度、压力等参数计算出相应的质量流量或直接检测管道进出口的质量流量，并估算出管道内剩余液体的质量变化量，根据进出管道流体的质量差来判断是否发生了泄漏。这种方法简单直观、易于实现，但不能及时检测出管道泄漏，也不能实现对泄漏点的定位且误报警率高。对于单入口、单出口管线，其基本计算公式为：

式中：M0(t)— 管道的泄漏量，kg/s

M1(t)— 管道入口质量流量，kg/s

M2(t)— 管道出口质量流量，kg/s

Mc(t)— 管道内液体随温度、压力等参数的变化量。

1.2 压力梯度法

在理想情况下，管线的压力随管线长度线性变化，当发生泄漏到再次到达稳定值后，沿管线压力变化将如图1所示分布。若用p1和p2计算出上游管段的压力梯度，用p3和p4计算出下游管段的压力梯度，二者在泄漏点处具有相同的边界条件，从而可以计算出泄漏点的位置。压力梯度法只需要在管道沿线的各个截断阀处安装相应的压力检测装置，该方法简单、直观，不仅可以检测出泄漏事故的发生，还可以确定出泄漏点的位置。但因为实际沿线压力梯度呈非线性分布，以至压力梯度法的定位精度不高。测量点x1和x2，x3和x4之间距离的大小直接影响检测的灵敏度，此外，对于长距离输送管道，由于需要布置较多的压力传感器和信号同步传输装置，导致整套检测系统耗资较大。因此压力梯度法可以作为一项辅助方法与其他方法一起使用。

图1 梯度法泄漏定位原理Fig.1 Gradient method of leakage localization principle

1.3 负压波法

负压波法是应用比较广泛的一种泄漏检测方法，其基本原理是：当管道发生泄漏时，在泄漏点处会引起压力突变，形成一个负压波，该波以一定的速度向管道两端传播，安装在上、下游之间的压力传感器根据检测到的压力值变化即可判定出是否发生了泄漏。并根据两端传感器接收到该波的时间差及负压波在介质中的传播速度就可以进行定位。其定位原理图如图2所示。

图2 负压波定位原理示意图Fig.2 Schematic diagram of locating principle of negative pressure wave

设站间管道长度为L(m)，泄漏点距上游压力传感器的距离为x(m)，管道传输介质中负压波的传播速度为v(m/s)，上、下游传感器接收到负压波的时间分别为 t1，t2(s)，上、下游传感器接收到负压波的时间差为△t(s)，则有：

如考虑到管内介质流速对负压波传播的影响，修正定位公式，引入管内流体流速u，则有：

分析以上公式可以看出负压波法用于泄漏检测与定位的关键在于泄漏点处产生的负压波到达上、下游压力传感器的时间差△t的获取。该方法存在以下两个问题：

1)由于现场存在大量干扰、工况变化等因素，使得压力传感器采集到的压力信号含有大量噪声，如何从含噪信号中提取有用的负压波信号对精确确定压力突变时刻、提高定位精度具有重要意义；

2)由于现场负压波信号突变量较小且含有噪声，难以精确确定出压力波形出现拐点的具体位置，而压力波形突降点的准确识别决定了泄漏检测的灵敏度和精度。

对于以上问题，本文拟用小波变换法对管内压力信号进行消噪处理，并将信号进行多层次、高低频率的重构与分解，进而消除噪声，重构出原始信号波形，找出压力信号波形拐点的位置，实现精准定位。

2 小波变换在泄漏检测系统中的应用

2.1 小波变换法简述

小波变换作为应用数学的分支发展于20世纪80年代后期，是一种信号的时间—尺度分析，在时频中具有表征信号局部特征的能力，同时又是一种信号的多分辨率的时间—频率分析，具有很多优良的特性。作为一种新的信号处理技术小波变换已经在许多工程领域得到了广泛的应用。

连续小波变换的时间—尺度特性可以有效地检测信号的奇异性。信号在其突变点处通常是奇异的，利用小波变换的极值点可以检测出信号的边沿。小波变换还可以抑制噪声波形，在强噪声背景下还原出信号的原始波形。将小波变换的这一原理用于动态系统的故障检测，可以提高故障检测的灵敏度和克服噪声能力[5]。

2.2 输油管道泄漏点的定位仿真

通过应用小波对压力信号波形的突变点进行检测，根据管道两端压力传感器采集到的压力信号进行定位仿真[6]。图3为某原油管道发生泄漏时首端压力传感器所采集的压力信号，采样频率为。

图3 管道泄漏事故压力信号Fig.3 Pressure signal of pipeline leakage accident

如图3所示，当管道发生泄漏时，压力信号由于受到现场的各种干扰，使其完全淹没在噪声之中，很难看出压力信号波形的原始走势，更难以确定信号出现拐点的具体位置，进而确定不出压力信号波形突降的时刻，无法进行定位。

采用Matlab编程，利用小波分析的方法对压力信号进行消噪、重构以及细节信息的还原来确定拐点的具体位置。在小波变换函数中，有许多具有不同类型、性质的小波族，应用不同的小波族处理同一数据也会产生不同的结果，相应的也会对定位的精度产生一些影响，故选用哪一种小波基也是需要考虑的因素[7]。以下仿真采用的是daubechies小波，简称db；首先采用db5小波对压力信号波形进行低频段5个层次的重构，如图4。

图4 低频重构信号Fig.4 Signal reconstruction of low frequency

a1～a5为压力信号波形在低频段5个层次的重构，可以看出信号在分解到第5层，即a5已经较为明显的还原出了压力信号波形的原始走势，并在第3 000 ms采样点左右出现了压降，意味着管道发生泄漏。但低频段重构出的近似信号很容易丢失信号原有的细节信息，因此还需对信号进行高频段的重构来更加精确的提取出信号的细节信息。下面同样采用db5小波对压力信号波形进行7个层次的高频分解，如图 5。

图5 高频重构信号Fig.5 Signal reconstruction of high frequency

图5 中d1～d7反映了信号在高频段的细节特征，当压力信号波形被分解到第7层，即d7时，可以明显看出信号在第3 200 ms采样处发生了尖峰突变，再结合图4中a1～a5的低频重构信号，确定出压力信号在第3 200 ms采样点处产生压降，即管道发生泄漏。后将第3 200 ms采样点处所对应的具体时间记为t1，即可得到首端压力传感器接收到泄漏信息的具体时间，同理根据末端压力传感器的压力信号波形分析计算出t2，即可得到时间差△t，再代入到负压波法的定位公式中，计算出泄漏点的具体位置，实现对漏点的定位。

3 结论

本文将负压波检测法与小波变换法相结合，采用多频段的小波分解与重构来捕捉压力信号波形的具体特征。实验证明，基于此法的输油管道泄漏检测定位系统简易可行，极大的提高了信号的可检测性及精度。

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