管道泄漏检测实验平台设计与开发

王明达，徐长航，付建民

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580）

石油管道是保障能源供给、关系国计民生的基础性设施，近年来因腐蚀穿孔、打孔盗油等自然、人为因素所导致的管道泄漏时有发生，而油品一旦泄漏往往带来严重的后果。我校安全工程专业的学生就业主要面向石油石化等高危行业，因此让学生全面掌握管道泄漏检测技术既是一项基本的知识要求，也是对国家和人民应负的责任。

有代表性的管道泄漏检测方法有：质量平衡法、负压波检测法、分布式光纤检测法、声学检测法等［1－5］。这些检漏方法间的技术原理、实施手段差别较大，其中负压波检测法因其投资少、检测实时性好等特点，在国内各大油田应用最为广泛，具有较好的代表性，因此该实验主要围绕负压波管道检漏技术来设计。

1 负压波管道泄漏检测技术理论基础

管道正常输送流体时，内部是一个完整的水力学系统，压力比较平稳，见图1（a）。如果管道上某点发生泄漏，在泄漏处压力将下降（见图1（d）所示）。压降波形称之为负压波［6］。负压波产生后会沿着管道传播到管道两端的压力传感器中，通过压力传感器检测到该波形特征即可判断管道是否发生了泄漏。由于在管道内输送流体过程中不仅泄漏会产生负压波，一些正常的工况操作，如：停泵、调阀等也会产生类似的负压波，分别如图1（b）和（c）所示，因此管道泄漏检测技术的核心是对不同工况下负压波形的识别。

对采集到的负压波形数据进行泄漏模式识别主要包括以下2个步骤：

图1 不同工况下的压力波形图

（1）特征向量提取。提取能够表征压力波特征的参数是提高泄漏检测准确率的关键。本文采用奇异值特征指标方法，即先将采集到的管道压力波序列构成Hankel矩阵，然后提取该矩阵的奇异值特征并构建成特征向量，详见文献［7］所述。

（2）模糊识别器构建。每次工况操作所产生的负压波波形都有一定的模糊特性，可采用模糊模式识别的方法进行工况分类［8－12］。即先选取一些典型工况操作的波形特征向量作为标准模式Si＝ ［si1，si2，…，sin］，然后利用欧式模糊贴近度法计算待测负压波特征向量X＝ ［x1，x2，…xn］和与各标准特征向量之间的距离Di（见下式），最后用最大隶属度原则进行分类。

2 管道泄漏检测实验平台硬件系统构建

以水为介质循环输送构建一套完整的液体管道输送系统。该实验平台需要满足基本的流体储存、泵机组启停、阀门调节、泄漏模拟、平台数据监测与控制（supervisory control and data acquisition，SCADA）等功能要求。

2.1 硬件平台

硬件平台结构见图2。主回路由储水罐、往复泵机组、管道组成，设计压力3MPa，管径10cm，管道全长120m，采用螺旋上升环路布置。

为了防止液体回流及储水罐内空气倒吸，在泵出口处安装止回阀和储水罐回水处安装电磁截止阀（阀门只有开、关两种控制状态，可远控）；为了避免泵出口压力过高，在泵出口处安装安全阀；为了能够观察不同阀门调节操作下管路内压力变化情况，在管路前端安装电磁调节阀（阀门开度可从0～100%任意调节，可远控）；为了观察不同泄漏量下压力波形的变化情况，设计了从φ2～φ15mm不同孔径的泄漏阀。

图2 实验平台硬件结构示意图

2.2 数据监测与控制系统设计

在泵出口处和泄漏点位置安装压力仪表，以监测泵出口压力和泄漏发生后的压力变化情况。为了能够监测泄漏量大小，在泄漏位置前后分别安装流量计。为避免增加管内流体的摩擦阻力，采用超声波流量计，两端通过法兰与管道相连接。

为满足流体在管道的正常输送，需要远程控制机组启停、截止阀开闭（开关量）以及流量调节阀开度的任意调整（0～100整形变量）。管道输送启动控制逻辑：先检查各仪表状态是否正常，如果正常则依次打开截止阀、调节阀、机组。输送停止控制逻辑：关闭机组、关闭调节阀开度到0%，最后关闭截止阀。

图3为该平台所对应的SCADA系统网络拓扑图。下位机采用的数据采集与控制单元为PLC；上位机通过组态技术实现与下位机通信，采集到的数据先缓存在内存中，当所需数据采集完毕后，打上“采集起始时间”标签后压缩存储到数据库中。

3 管道泄漏检测实验平台软件系统设计

该实验平台软件的功能是对采集到的压力波信号进行泄漏识别。从数据流角度来看，该软件的数据从上位机的数据库源流出，经过特征提取、泄漏模糊识别的加工，转换为“工况类型”的识别结果，因此需要根据算法构建特征提取与模式识别模块。

图3 实验平台SCADA系统网络拓扑图

事实上，在软件设计与开发过程中还需要考虑一些实际问题，比如：负压波数据段在整个待识别数据段中的相对位置对识别结果有较大影响，因此需要对数据进行裁切处理，保证负压波段在整个数据段中的位置“合适”；压力表采集到的管道压力数据含有大量噪声，因此在进行特征提取之前需要对数据进行降噪处理；阀门操作时，阀开度的调节范围不同对应的负压波波形差别较大，因此还需要针对不同的阀开度调节范围，建立各自的标准模式向量。

综合考虑实际应用过程中可能碰到的一些问题，设计该软件的功能结构框图见图4。该软件在.Net平台上开发，压力数据识别结果界面见图5。

图4 实验平台软件功能结构框图

图5 压力数据识别结果界面

4 实验教学过程

管道泄漏检测实验较为复杂，需至少3名学生一组协同开展，一人负责实验台的控制（启停泵、调节阀门开度）与数据采集，一人负责开启泄漏阀门，一人负责数据的分析与识别。基本的实验教学过程如下：

（1）实验台管内压力较高，首先对学生开展安全教育；

（2）讲解实验台的操作规程并演示启停泵、调节阀等操作；

（3）学生自由分工，进行启停泵、调节阀操作，采集该操作情况下的压力信号；

（4）分别打开不同孔径的泄漏阀门，采集泄漏瞬间管道的压力信号；

（5）将存入数据库中的待识别压力信号取出（存入数据库时，数据只有时间标签，没有对应的操作类型标签），截取压力数据段为1000点，并选择合适的降噪算法对压力信号进行降噪处理；

（6）提取待测压力信号的特征向量，同时加载标准模式库中的特征向量；

（7）模式识别，计算待测特征向量与标准特征向量间的距离Di，输出识别结果。

步骤（5）—（7）通过操作管道泄漏检测软件实现。某待测压力数据的识别结果见图5。

5 结束语

该实验平台投资较大，是一种基础性的综合实验平台，可根据需要扩展部分功能。

通过管道泄漏检测实验可以使学生掌握启停泵、调节阀对管内水力参量的影响和泄漏发生时管路压力的变化规律，了解特征提取和模式识别方法，还能使学生了解一个简单石油输送单元的结构、输油作业的调控操作流程，加深对石油储运行业工艺过程的认识。此外，该实验需多人一组来开展，既锻炼了学生的动手能力，也锻炼了学生之间的协同工作能力。

总之，通过该实验的开展，能够使学生了解管道储运的概况、全面掌握负压波管道泄漏检测技术及其应用，为学生从事石油石化安全技术岗位工作及相关的科学研究活动打下了良好的基础。

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