天然气长输管线泄漏检测与定位系统的实施.pdf

北京化工大学硕士研究生学位论文天然气长输管线泄漏检测与定位系统的实施摘要近年来随着S C A D A 系统在油气管道行业的广泛应用，利用多种检测方法复合的软件技术进行管道泄漏的实时检测已成为学术界关注的热点和发展的潮流本文依托浙江省天然气管道S c A D A 项目，将小波降噪、神经元网络及负压波定位结合在一起，完成了一套泄漏检测及定位的软件系统具体工作如下：1 ．过程数据的预处理( 滤波) 部分在深入学习小波分析基本理论知识的基础上，借助M a Ⅱa b 语言首先完成了小波分析的基本算法，包括离散小波正变换和反变换；接着分别从小波基、阈值的选择等方面详细讨论了基于闽值决策的小波降噪方法及其应用在此基础上，探讨了对一般的阈值方法的改进，即平移不变小波变换降噪法实验证明，应用改进后的方法能更好地逼近真实信号为实现小波滤波化，引用0 L M S ( o n ．1 i n eM u l t i s c a l e )矗l t e “n g 算法，并分别应用于M a t l a b 中的仿真信号和实际过程数据中2 ．利用R B F 神经网络进行泄漏检测部分’分析了R B F 神经网络的算法和性能，研究了对R B F 神经网络进行改进的措施，并利用改进的R B F 神经网络建立了长输管道的泄漏检测系统。

3 ．改进定位公式部分针对负压波定位公式中管道传输介质采用平均流速影响定位精度的问题，提出了一种变介质平均流速的循环迭代算法，仿真结果表明此算法较原算法定位精度有了很大提高北京化工大学硕士研究生学位论文关键字：S C A D A ，R B F 神经网络，小波分析，多尺度( O L M S )滤波，泄漏检测与定位北京化工大学硕士研究生学位论文B e c a u s ei nt h en e g a t i v e - p r e s s u r el o c a t i o nf o r m u l a ，t h ev e l o c i t yo fm e d i u mi np i p e l i n ew a sl o o k e da sa v e r a g e ，S Ot h el o c a t i o na c c u r a c yw a sa f f e c t e d ．Am e t h o di sp u tf o r w a r dt oi nt h i st h e s i s ，w h i c hi sc i r c u l a t i o ni t e r a t i v ea p p r o a c ha l g o r i t h mb a s e du p o nu n c e r t a i ns t a t em e d i u n ，t h ee m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h el o c a t i o na c c u r a c yi sb e t t e rt h a nt h ef o r m e rm e t h o d ．K E YW O R D S ：S C A D A ，R B Fn e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e ta n a l y s i s ，o n l i n em u l t i s c a l ef i l t e r i n g ，l e a k sd e t e c t i o na n dl o c a t i o n北京化工大学位论文原创性声明Y8 8 1 9 0 9本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注封篱羹鹱嚣爨雾，羹蠢蓬蘩鐾羹篓攀瑟篓薹羹襄篓嚣燮蠹羹雾嚣嚣羹篓l | 薹鋈黧冀j 雾薹爨渣嚣鏊襄鬟羹| 萋l 囊囊誊鬻冀辫羹差熏．裂疆翁羹裂甏墓堂馨委篓美鬟霪羹鬻秦囊鎏零囊薛羲冀囊鍪薹埕羹萋霉鬟i霎鍪篓臻；麓羹鬟j萋雯；霆tepharl eGT h e o r yf o rm u l t i r e s o l u t i o ns i g n a ld e c o m p o s i t i o n ：r e p r e s e n t a t i o nI E EET r a n s a c t i o n so nP a t t e r n A n a l y s i sa n dM a c h i n eI n t e l l i g e n c e ，6 7 4 —6 9 3[ 5 5 ]张贤达．现代信号处理．清华大学出版社，1 9 9 4 ，1 3 6 - 1 4 8【5 6 ] G o p i n at hR ．A ，，B u r r u sC ．S E f f i c i e n tc o m p u t a t i o no ft h ew a v e l e tP r o c e e d i n gs ·I C A S S PI E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nA c o u s t i c s ，S p e e c hP r o c e s s i n g，1 9 9 0 ，3 ：1 5 9 9 —1 6 0 1[ 6 2 】【6 3 】[ 64 】[ 65 ][ 6 6 ][ 6 7 ]t hew a v e l e t北京化工大学硕士研究生学位论文1 ．1 论文选题的背景和意义第一章综述用长输管线输送流体是一种方便经济的运输方法。

这种运输方法不仅用于各种液体和气体的输送上，而且还用于固体( 如煤炭、冶金矿等) 的输送上，因此长输管道在工业中有着广泛的应用由于运行时间的延长，管壁受到冲刷腐蚀及人为破坏等原因，管道泄漏事故频频发生，给人民的生命财产安全造成了巨大的威胁⋯尤其是管道泄漏后，不仅会造成经济上的损失，而且会污染环境，甚至引起火灾和爆炸例如1 9 8 9 年6 月，由于西西伯利皿一乌拉尔—伏尔加地区的成品油管道破裂使液化气漏失，造成起火爆炸事件，使5 7 3 人丧生，6 2 3 人受伤；1 9 9 8 年1 0 月1 7 日尼日利亚南部城市瓦里附近的一个村庄，由于输油管道被破坏，造成大量石油泄漏，突然发生大火并导致输油管道爆炸，有3 0 0 多人当场死亡以上数据充分说明，管道泄漏造成的经济损失、环境污染及人身伤害是巨大的如果能够及时发现泄漏，确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的损失和危害然而由于管道埋地较深，通过常规的巡线检测方法很难找到泄漏点：另外，长输管道距离长，沿途多为荒漠、沼泽、戈壁或河流，而检测方式多为人工定期巡检，这都限制了泄漏检测与定位的实时性与准确性因此，管道的维护管理、泄漏的检测、保障管道安全运行已成为世界上重要的研究课题并日益受到重视。

虽然目前国际上已有多种检测管道泄漏的方法，其技术也在逐步趋于成熟，并有多家公司提供管道泄漏检测方面的软件包[ 2 】，如A T M O s P P E 、A T s 、L o g i c a 、s c i c o nT r a l l s ．I n d u s t r i a lD a t eP r o c e s s i n gT D S 、N e 砌a r k 等提供基于S C A D A 系统的管道检测软件包，但这些系统的价格一般在数百万美元，引进费用极其昂贵而我国在这方面的研究仅有十多年的历史，应用范围也较为有限随着经济的快速发展，我国必将成为一个世界管道大国，对管道泄漏检测系统的要求也日益迫切，因而利用自动检测技术，研制开发一种适合我国管道状况的泄漏检测与定位系统，对我国大面积、高数量、可靠使用天然气不仅有着重要的经济意义，对民族工业的发展也有深远的历史意义北京化工大学硕士研究生学位论文在这样的背景下，本课题以浙江省天然气管道工程为依托，以神经元网络和小波变换相结合，白行开发了一套自动检测系统，提高了企业的经济效益1 ．2 国内外管道泄漏检测技术发展现状1 ．2 ．1 国内外管道泄漏检测与定位的几种主要方法对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于检测的复杂性，如管道介质的多样性，管道所处( 如地上、管沟、埋地、海底) 的多样性，以及泄漏形式的多样性( 渗漏、穿孔、断裂等) ，使得目前还没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏检测问题。

国外一些较发达国家从7 0 年代末已经开始对管道泄漏故障进行了研究，8 0年代末进入较实用的商品阶段目前，国外的输油气管道实时检测技术己趋成熟德国学者R ．I s e m a n n [ 3 1 和H ．s i e b e r t 经过多年研究，提出将输入输出的流量和压力信号经过处理后进行互相关分析的泄漏检测方法该方法能够有效地检测出较小的泄漏，提高了检测的灵敏度和准确度并在实际应用中取得了满意的结果，对以后的研究具有较大的启发意义，但是这种方法计算量较大，检测的实时性较差T 0 s h i oF u k u d a 提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测方法【4 J 该方法通过自回归模型对变化的管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析，用以检测出管道的泄漏此种方法建立起包含管道和流体模型的回归模型对于仪表精度要求不很高，但是这种方法的模型可能会受工况条件的影响偏离实际管道，而且对管道动态变化敏感，抗干扰能力较差为了能够使泄漏信息不致随时间而消失，并能够检测出工作条件差异很大的管道泄漏，L B i l l I n a n 和R ．I s e 衄a n n ( 1 9 8 7 年) 提出采用非线性模型的非线性状态观测器的方法，A ．B e n k h e r o u f ( 1 9 8 8 年) 提出卡尔曼滤波器方法[ 5 】，这类方法能够跟踪管道故障的变化，对管道中间状态也可以估计。

但在实际应用中要建立一条管道的精确数学模型常常是不可能的，况且管道的很多参数还可能随时间变化，如摩擦系数会随温度、流体物性等改变，积蜡、结垢会引起管道有效内径的变化等经过特殊设计的观测器或滤波器基本上可以较好的避免参数变化的影响但由于这种方法假设泄漏后首末端压力不变，与实际工况有一定偏离同时这种方法计算量偏大北京化工大学硕士研究生学位论文的算法对输油管线进行泄漏检测和定位的技术，白2 0 0 1 年4 月至今，在胜利油田“孤岛一永安”和“孤岛一集贤”管线上得到了应用，并取得了良好的效果文献[ 1 3 ] ( 2 0 0 4 年) 提出针对海底管道泄漏监测问题，基于信号检测原理分析了受噪声干扰的流量差观测序列引入了信息理论和自适应滤波算法，建立了以泄漏信号的幅值为随机参量的二元复合假设检验模型，提出了具有一致最大功效的序列似然比检验方法，并进行了平稳观测序列强泄漏信号和非平稳观测序列弱泄漏信号的检测对以上两种情况无需预先假设可能发生的有关泄漏量统计知识，利用该方法即能做出准确判断，检测概率均达到9 5 ％以上与现有的序列似然比检漏方法比较，一致最大功效探测泄漏信号的准确性较高，发现泄漏信号的时间短，更容易适应不同运行工况及泄漏规模。

1 ．2 ．2 管道泄漏检测各种分类方法由于管道泄漏检测与定位技术是多学科知识的综合，其检测手段差别很大，现有的管道泄漏检测与定位的方法很多，其分类方法也很多，到目前为止，还没有一个统一的分类方法根据近十几年来国内外相关资料，比较公认的分类方法大致有四类：1 ) 根据检测过程中所使用的测量手段不同，分为基于硬件和软件的方法【1 4 】基于硬件的方法( h a r d w a r e ．b a s e dm e t h o d s ) 利用由各种不同的物理原理设计的硬件装置，如基于视觉的红外线温度传感器，基于听觉的超声波传感器，基于嗅觉的碳氧检测装置等，将其携带或铺设在管道线上，以此来检测管道的泄漏并定位；基于软件的方法( s o f c w a r e - b a s 。