采用音频控制系统的信息化蒸汽管网泄漏报警系统

朱慧峰

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)供热系统是中国最大的热网系统之一，其供热管网大小管道全长近100 km，最长单管约10 km，分布在10 km2范围内。该热网系统主要的汽源点有煤电厂、2#乙烯水汽车间、催化余热锅炉等，有大小用户上百家，规模用户二十多家，除此之外，还包括了大量的食堂、浴室等采暖和物料支管伴热系统。其低压蒸汽供热总量平均约1 100 t/h，中压蒸汽供热总量平均约275 t/h，其中包括4.2，3.5，1.3，0.6 MPa等几个压力等级的蒸汽。随着上海石化的产业升级和原油深加工、精加工能力的不断上升，新的化工装置还在不断建造，而新的蒸汽管网和伴热系统同样也越建越多。面对如此复杂而且越来越庞大的供热管网系统，如何来保证这个系统能够安全稳定的运行显得尤为重要。靠野外巡检工人每天去现场步行检查来发现蒸汽管道的泄漏点，已经远远满足不了日益庞大而复杂的管网系统的需要。因此，需要找到一个科学的可代替人工检查管道泄漏的方法，并整合成为一个泄漏报警系统，以更少的人员来管理更大的供热系统。科技的发展和新的电子技术工具的应用，为这种研究提供了可能。

1 音频泄漏报警系统的原理

1.1 管道蒸汽泄漏的分类

蒸汽在化工装置中的使用非常广泛，蒸汽本身的性质就是高温高压，且无明火，蒸汽管道的泄漏一般可以分为4类。

(1)隐漏。隐漏也叫渗漏，这种类型的泄漏一般出现在泄漏的初级阶段，大都发生在阀门、法兰片或管道接口处。由于是非常细小的泄漏，在对管道进行巡查时基本看不出来，只有隐漏的水蒸气和外界接触遇冷，才会凝结出水滴滴下来。而通常阀门和管道都包裹了厚厚的保温层，就是有水滴也大都遇到热的管道和阀门而蒸发掉，只有很少一部分会滴下来，这类泄漏点只有非常耐心仔细地观察才会被发现。

(2)小型泄漏。这种类型的泄漏一般发生在阀门、法兰片垫片或管道等主体上，是由于受力不均匀，或者阀体管道接口出现细小的沙眼造成的。这类泄漏一般因为泄漏点较小，管道压力较大，会发出比较尖锐的啸叫声，喷出白色的蒸汽。这类泄漏必须尽早发现，尽快处理，因为高温高压的蒸汽会对泄漏点产生一定的切割效应，造成泄漏点的逐步扩大。

(3)大型泄漏。这类泄漏一般出现在蒸汽管道发生小型泄漏后，没有及时的发现和处理，造成了泄漏点的扩大；或者是蒸汽压力管道突然遭到了较大的应力压力冲击，如负荷压力突变、管道水冲击等，使管道来不及伸缩造成的。这类泄漏一般会伴随较大的蒸汽冲刷带来的噪声，同时喷出大量白色略带透明的蒸汽。

(4)管道爆破。这类泄漏一般发生在管道接口、法兰片连接部位，是出现较大撕裂破口或直接断开造成的泄漏。这类泄漏破坏力大，噪声巨大，伴随着喷出大量透明蒸汽，需要对泄漏点立即进行隔绝处理。

1.2 音频泄漏报警的原理

根据上文管道蒸汽泄漏的分类可以看出管道蒸汽在泄漏时的某些特征。从蒸汽的隐性泄漏来看，因为隐匿性强，不易被发现，这类泄漏危害性小，监测困难，甚至有时巡检人员站在泄漏点面前也无法确定是否有泄漏的发生；而从小型泄漏、大型泄漏到管道爆破都有着一个共同的特性，就是在泄漏点因为压强的缘故，在泄漏的破口处，都会伴随着发出较为显著的持续性强大噪声。如果我们采用一种音频采集设备，即类似那种侦测噪声的电子仪器，在一片管道复杂的区域内设置一个音频采集点，那么这个区域内无论哪根管道发生小型泄漏以上级别的蒸汽泄漏，都会触发该仪器报警，提示巡检人员尽快过来查找、确认、隔绝并消除泄漏隐患。那么对于一个类似上海石化这样的供热管网大小管道全长近一百公里的大型供热系统，就不需要更多的巡检人员以每天步行近100 km，来检查该系统的每一个角落是否有泄漏的发生，不论光照是否充足，气候或地形有多复杂，都可以时刻监测系统的每一个角落。

2 音频泄漏报警系统的组成

音频泄漏报警系统一般由现场检测仪、数据比较与分析、数据传输和终端比较报警显示几个部分组成。

2.1 现场检测仪的工作原理

音频泄漏报警系统一般设立现场监测仪，监测仪由微型电容式麦克风和运算放大器芯片组成，而采集的触发信号源般用分贝来表示。

分贝常用于电子系统中增益和损耗的计算，绝大多数的频谱分析仪和网络分析仪都是用它们校准为分贝的显示器来显示测量结果。分贝用功率比来定义，公式如下：

A(dB)=10lg(ρ2/ρ1)

式中：A(dB)表示分贝数，ρ1和ρ2表示两个功率。

如果功率ρ1和ρ2是从两个电阻器R1和R2两端的两个电压得到的，则

式中：V1和V2表示作用在R1和R2两端的电压[1]。

在正常情况下，检测仪是以分贝数来监测周围情况的变化。根据上述原理，微型电容式麦克风在接收到振动或受到气流的摩擦时，由于振动使电容两极板间的距离改变，会引起电压的变化。电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率，并通过换算得到了我们需要的分贝数。

2.2 数据比较与分析

如果把正常情况下周围环境的分贝数确立一个绝对值，把它称为净空环境噪声。如果出现了蒸汽泄漏，就会在周围环境产生一个高于这个绝对值的触发信号。并且这个数值反映在电脑上是一个逐步上升或长期稳定的高于净空环境噪声的信号，这个信号区别于其他声音，如汽车鸣笛和敲打声等短时间分贝数高于绝对值所触发的信号，具体如图1所示。

图1 泄漏噪声在环境噪声中的表达

在正常无泄漏情况下，仪器收到的是只有净空的环境噪声。在蒸汽泄漏开始后，在某个泄漏时间点出现了泄漏噪声，因为泄漏点压强与金属强度达到一种平衡，蒸汽泄漏的噪声也会达到一定的恒定。随着时间的推移，金属强度不足以长期支撑蒸汽的压强，破口将会逐步扩大，泄漏的噪声也随之变大。

而在现实情况中，大部分蒸汽管道并不处在绝对值信号相对较为弱小的情况下，也就是说相对环境比较嘈杂。在原本嘈杂的环境下如何测量到我们需要的分贝数，用来区分到底是环境噪声还是泄漏噪声。在这里引入了噪声消声原理。

2.3 自适应干扰对消

自适应干扰对消器由自适应滤波器与求和器组成，它有两个输入，主输入也就是真正的蒸汽泄漏信号源输入P，另一个是基准输入R。I是干扰信号，Y是有用信号。当自适应滤波器的输出Y与I等幅相同时，则干扰完全对消。当平衡破坏时，则有干扰输出，误差信号ε=I-Y的控制下，按照均方误差准则改变自适应滤波器参数使平衡条件再次恢复达到干扰对消的目的[2]。自适应干扰对消原理如图2所示。

图2 自适应干扰对消原理

2.4 音频相位对消消声法

相位对消消声法广泛使用在音乐音频软件制作处理中。在正常情况下，泄漏声源I是没有的，我们接收的都是干扰声源R，而干扰声源R同时进入了相位延时器和信号比较处理器。声音从本质意义上说是一种有频率有振幅的声波，高音部分频率高而密集，低音部分频率低而缓慢。而任何声音发出的频率和功率都是不同的，正如每个人发出的声音，都是由各自的频率功率组成的自己特有的声纹，无法替代。所以，要消除某种干扰声源，在电子声波工艺处理上就要模拟出与之相反的声波电子脉冲波形来对冲抵消，该声波电子脉冲必须要尽量和原来的干扰声源的声波电子脉冲在功率、频率、振幅等方面的参数基本相同，但方向相反才可以。我们采用的方法是无论干扰声源有多么复杂和独特，不需要进行建立新的模拟对应的功率、频率、振幅，在不改变干扰声源的功率、频率、振幅的情况下，通过相位延时器，把干扰声源频率相位延滞了180°。那么干扰声源R在通过了相位延时器后变成RY，干扰声源还是原来的干扰声源，功率、频率、振幅都不会改变，只是相位延滞了180°，工作情况如图3所示。

图3 相位延时消声仪工作情况

当泄漏声源I和干扰声源R混合转换成一个IR的电子信号进入信号比较处理器后，和经过迟滞后的信号RY进行相位比较对消，通过波形来显示干扰效果，具体见图4。

图4 干扰声源对消效果

从图4可以看出：虚线部分是延滞后的对消声源，正是因为使用的对消声源来源于干扰声源的本身，所以除了相位不同，频率振幅甚至功率也是一模一样的，才能利用干扰声源来消除干扰声源的目的。

3 数据采集、识别、比较和音频工作范围测量

3.1 原始数据样本的采集、识别与比较

如果得到一个音频，要判断分析该音频是否是蒸汽泄漏状态下的音频数据，那么环境音频原始数据就显得非常重要。首先要在音频监测系统安装使用前，采集各个安装地的音频数据，建立一个音频样本特征库，也就是图3中的干扰声源R。该音频样本特征库数据包括：正常情况下的环境音频样本特征、风雨天环境音频样本特征、晚间环境音频样本特征等。在样本特征库建立以后，当一个音频信号IR输入，判断它是否是泄漏状态，可以通过图5的运作模式，进行数据信息的提取、识别和判断[3]。

图5 信息提取和识别

在图5中，当环境音频输入后通过A/D转换，提取到该音频的信息特征，并将该音频的信息特征与该地已经采集到的音频样本特征库数据进行比较。当有异常数据和样本库数据不匹配时，就表示该地有异常声音出现，如果数据是短时间出现异常，稍后数据恢复正常，那么有可能是汽车、人的行为，机械工作造成的声音干扰。而蒸汽泄漏的声音不会只在短时间出现，而是随着时间的推移，泄漏破口会逐步加大，声音特征比较恒定，且将会越来越大。根据这个蒸汽泄漏声音的特性，可以通过计算机识别判断，将有可能的泄漏点信号输出到终端显示上，以提醒有关人员进行相关的检查隔绝操作。

3.2 音频设备的数据采集和实际工作范围测量

以上海石化某个1.3 MPa的蒸汽管道为例，以疏水器排放来模拟管道泄漏产生的噪声，通过手持式工业级数字噪声计，测得净空环境噪声为：模拟人耳61.4 dB，机械噪声68.6 dB，对于零距离排放噪声，把疏水器开启程度调整到100 dB。然后每间隔1 m，分别测量模拟人耳和机械噪声的衰减程度和最大有效噪声监测距离。比较情况见表1。

表1 不同距离下模拟人耳和机械噪声情况

从表1可以看到：在前3 m距离音频噪声衰减较快，但是越往后，随着距离的加长，噪声衰减的较为缓慢。到了距离噪声源30 m的地方还能可靠地测量到清晰的噪声。这是单方向的噪声检测数据，也就是说如果在距离泄漏点30 m的距离设立一个噪声检测点，可以清晰地侦测到检测点前后左右直径为60 m范围内的所有蒸汽泄漏的声音。这是手持式的数字噪音计测量的结果，如果是采用固定式的噪音计，灵敏度会更高，测量的距离将更远。

4 音频检测设备安装点分布、数据传输及投资估算

4.1 音频设备安装点分布与数据传输

音频检测设备的安装相对简单，价格非常便宜，但调试比较复杂。以上海石化的蒸汽管网系统为例，虽然整个蒸汽管网长度将近100 km，但大多数管道是由许多根蒸汽管、伴热并排安装在一些统一的龙门桁架上。管道铺设集中，且管道之间距离较近，在这种管道之间安装一个音频检测点，可以同时检测该范围内的多根管道的泄漏情况；也可以在管道、焊口、阀门、法兰片、弯头补偿器等密集且容易泄漏的地方安装检测点；在一些地形复杂、距离较远，平时巡查不易、攀爬不便的地方，比如在桁架高处的管道设置安装点；而在一些多为直管不易泄漏的地方，或者在巡查方便的地方，少设置或不设置检测点。在安装时，主要是做到防雨防潮，而且要有电源，可以适当借用化工装置的电源、仪表电源、采用太阳能面板、蓄电池等电源。在安装好音频监测点以后，在某些不易攀爬或危及巡查人员安全的位置，也可以配合安装监控摄像头一起使用，在音频泄漏报警以后，及时调阅监控摄像头来查看是否有蒸汽泄漏冒烟情况发生，以尽快消除安全隐患。

对于数据的传输，一般的化工企业都有固定的仪表信号传输管道路径和仪表小室，可以借用。在仪表小室安装数据分析中继点，及时分析比较样本数据库，排除干扰数据，把有效的数据传回终端电脑。因为大多数误报数据、干扰数据已经在前期通过了样本比较和干扰对消等消声处理，因此实际需要传输的数据并不是很多，所以对数据传输的要求不是很高，也可以通过一般的有线或无线信道来传输。还有一种方法是在终端电脑设立样本数据库，所有的数据通过电信部门或移动数据网络定时定期传输上来，而现在大部分的噪声传感器都被设计制造成这种自带无线数据上传功能。一旦有泄漏发生，音频检测点就会将接收到信号并传输，在终端电脑统一进行对比判断所接受数据，会根据报警数据比对分析，找出真正的泄漏报警信号，通过发送过来的检测点的位号，找到泄漏位置。

4.2 音频设备投资估算

根据表1，通过实地检测得到的数据，我们知道噪声检测仪的有效检测直径是60 m。而上海石化供热管线单管最长不超过10 km，总的分布范围不超过10 km2，管道主要集中在大堤路、卫六路、金一路北侧等一些管廊上。根据管道主要集中走向，以及管道的重要性，去除不重要的和不易泄漏的管道或人工巡检方便位置的检测点，把需要检测的管道距离以30 km为基础检测长度来计算，大概需要安装500个噪声检测仪。以某品牌挂壁式高灵敏度噪声传感器为例，该噪声传感器测量范围30～130 dB，分辨率0.1 dB,具有GPRS/4G无线信号传输功能，运营支持中国移动、中国联通2G/3G/4G手机卡,并具有防水外壳，价格在400元左右。500个噪声检测仪的成本约为20万元，如果以所有数据传回终端进行比较和干扰对消，购置电脑等音频处理软件及设备需要30万元，再加上软件开发、设备安装调试费用，总投资在150万元左右。

5 音频监测系统的利弊与未来展望

如果视频监控是人类眼睛的视力的延伸，那么音频的监测就是耳朵听力的延伸。音频监测对蒸汽管道系统的泄漏能够起到有效的长期的监控作用，降低操作人员的劳动强度，提高员工工作的安全性。同时在大型化工企业内，只要是压力管道、压力容器，如乙烯管道、氢气管道都可以进行泄漏有效监控。因为这些压力管道和压力容器如果出现泄漏，都会因为压强的原因，在破口处发出较大的噪声。因此，在安装蒸汽管道的音频监控的同时，也对在监控点附近的其他压力管道和容器的运作，起到了实时的泄漏监控的作用。但与此同时，音频监测存在最大的问题是对非管道泄漏所造成的干扰噪声的消音处理。外在的自然界天气声音、机动车的鸣号、人为的室外工作的机械声、电动机运转声等，都会对音频监测的准确性造成误判。所以，消音设备和软件要时常进行更新，找出更多的声音样本进行比对，以消除误报警。同样，也可以根据管道泄漏的声音特征，如声音持续时间长、变化不大、且只会越来越响等特性，从软件开发比对上来区别其他等杂音。可以根据更加先进的音频的频谱测量，来进行超过了耳朵的感知范围声音的监测，以发现一些大型高速运转的机械设备，在出现细微的金属疲劳或内应力变形时，发出各种我们无法听到的次声波异响，从而对设备的安全运行情况进行早期有效的干预，确保设备安全。