基于有限個(gè)SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)的天然氣管道泄漏檢測(cè)

摘 要

摘要：探討了實(shí)時(shí)模型法、負(fù)壓波法、模式識(shí)別法3種天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理、特點(diǎn)、適用情況及應(yīng)用案例。關(guān)鍵詞：天然氣管道；泄漏檢測(cè)；SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)；實(shí)時(shí)模型法；負(fù)壓波法；模式識(shí)
摘要：探討了實(shí)時(shí)模型法、負(fù)壓波法、模式識(shí)別法3種天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理、特點(diǎn)、適用情況及應(yīng)用案例。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；泄漏檢測(cè)；SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)；實(shí)時(shí)模型法；負(fù)壓波法；模式識(shí)別法
Detection of Natural Gas Pipeline Leakage Based on Limited SCADA Monitoring Points
WANG Shuai，YU Jianjun，YAN Mingqing
Abstract：The principle，characteristics，applicability and application case of three kinds of detection technologies of natural gas pipeline leakage，including real-time model method，negative pressure wave method and pattern recognition method are introduced.
Key words：natural gas pipeline；leakage detection；SCADA monitoring point；real-time model method；negative pressure wave method；pattern recognition method
1 概述
    近些年來(lái)，我國(guó)長(zhǎng)輸天然氣管道和城市天然氣管網(wǎng)相繼設(shè)置了SCADA系統(tǒng)。它可對(duì)天然氣管網(wǎng)一些節(jié)點(diǎn)的壓力和流量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力和流量信號(hào)傳回控制中心，以此來(lái)監(jiān)控整個(gè)天然氣輸配系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[1]。但SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置價(jià)格很高，在管網(wǎng)中設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量往往有限(約每5km設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，而且目前缺乏有效的故障診斷方法，在遇到管道突發(fā)泄漏或小泄漏量事故時(shí)，難以及時(shí)找出事故發(fā)生的具體位置。因此利用有限個(gè)SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)識(shí)別天然氣輸配系統(tǒng)的泄漏事故有著重要的實(shí)際應(yīng)用意義。
2 利用2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)長(zhǎng)輸管道泄漏
長(zhǎng)輸管道具有分支少、流量大、管網(wǎng)運(yùn)行壓力高等特點(diǎn)。因此，可以僅在管道首末兩端分別設(shè)置1個(gè)SCADA遠(yuǎn)傳裝置，傳送首末端固定傳感器采集到的管道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用控制中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以判定管道是否存在泄漏并定位泄漏點(diǎn)。固定傳感器采集到的數(shù)據(jù)包括管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量，管道中天然氣的溫度和相關(guān)聲波參數(shù)(主要應(yīng)用于負(fù)壓波法)等。利用兩個(gè)SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)雜的管道運(yùn)行，可以減少人力和財(cái)力支出，在管道泄漏檢測(cè)中有較大的發(fā)展空間。目前在該領(lǐng)域研究較深的方法有實(shí)時(shí)模型法和負(fù)壓波法。
2.1 實(shí)時(shí)模型法
    ① 實(shí)時(shí)模型法的泄漏檢測(cè)及定位原理
    用模型在線檢測(cè)管道的壓力和流量，并與壓力、流量的實(shí)測(cè)值比較來(lái)診斷泄漏事故，這是實(shí)時(shí)模型法的基本思想。實(shí)時(shí)模型法以管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的實(shí)測(cè)參數(shù)為邊界條件，以管道沿程的熱力、動(dòng)力平衡微分方程和氣體連續(xù)性方程建立管道的實(shí)時(shí)模型。在沒(méi)有分支的管道首末端各設(shè)置1個(gè)SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬后加以分析，可以檢測(cè)出管道是否存在泄漏。
要建立管道的實(shí)時(shí)模型，需要把管道劃分成無(wú)數(shù)個(gè)管長(zhǎng)為出的微元管段。由熱力學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)方程、連續(xù)性方程和狀態(tài)方程[2～3]，同時(shí)考慮氣體壓縮因子方程Z=Z(p，T)，得到方程組，見式(1)。
 
式中cp——天然氣的比定壓熱容，J/(kg·K)
    Dj——焦耳-湯姆遜系數(shù)，K/Pa
    p——天然氣壓力，Pa
    dx——微元管道的長(zhǎng)度，m
    T——天然氣溫度，K
    K——管道的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
    D——管道內(nèi)徑，m
    T0——管道埋深處的土壤溫度，K
    qm——天然氣的質(zhì)量流量，kg/s
    ρ——天然氣密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    λ——摩擦阻力系數(shù)
    v——天然氣流速，m/s
    Z——壓縮因子
    根據(jù)式(1)建立管道模型，利用SCADA系統(tǒng)同一時(shí)刻對(duì)管道兩端實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行兩組管道數(shù)據(jù)的仿真：由起點(diǎn)到終點(diǎn)的模型仿真和由終點(diǎn)到起點(diǎn)的模型仿真。如果管道運(yùn)行正常，則以上兩組仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差較小(允許相對(duì)誤差為5%[4])。但當(dāng)管道發(fā)生泄漏后，仿真數(shù)據(jù)將不能與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的1個(gè)或幾個(gè)吻合，由此可以判定管道發(fā)生了泄漏。當(dāng)天然氣在管道泄漏點(diǎn)處有相同的邊界條件時(shí)，由流體的連續(xù)性可知，泄漏點(diǎn)處的壓力和溫度也相同。因此當(dāng)管道泄漏時(shí)，根據(jù)管道起點(diǎn)邊界條件繪制的壓力曲線1和根據(jù)終點(diǎn)邊界條件繪制的壓力曲線2將相交于L點(diǎn)，見圖1，此時(shí)可判定L點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管道位置x0就是泄漏點(diǎn)位置。泄漏量為起點(diǎn)到終點(diǎn)模型仿真在泄漏點(diǎn)處的流量與終點(diǎn)到起點(diǎn)模型仿真在泄漏點(diǎn)處的流量之差。
 

    ② 實(shí)時(shí)模型法的考慮因素及適用情況
    a. 實(shí)時(shí)模型法中決定精度的根本是模型的仿真程度，模型的敏感參數(shù)為壓力，因此在建立模型時(shí)需要充分考慮管道的熱環(huán)境和沿程阻力及局部阻力對(duì)壓力的影響，以保證模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)中的模型缺少對(duì)沿程阻力變化和管道熱環(huán)境變化的考慮[5]。
    b. 實(shí)時(shí)模型法只適用于高壓干管且在同一時(shí)刻只有1個(gè)泄漏點(diǎn)的情況。對(duì)同一時(shí)刻發(fā)生多點(diǎn)泄漏或在某一點(diǎn)發(fā)生泄漏后其擾動(dòng)尚未傳到管道兩端時(shí)又有新泄漏發(fā)生，以及中壓管網(wǎng)的情況，實(shí)時(shí)模型法并不適用。
2.2 負(fù)壓波法
    ① 負(fù)壓波法的泄漏檢測(cè)及定位原理
    當(dāng)流體輸送管道發(fā)生泄漏時(shí)，其泄漏部位立即產(chǎn)生物質(zhì)損失，這將引起泄漏區(qū)的流體密度減小，壓力降低。由于流體具有連續(xù)性，管道中的流體不會(huì)立即改變速度，泄漏點(diǎn)和相鄰兩側(cè)區(qū)域之間的壓力差導(dǎo)致流體從上、下游區(qū)域向泄漏區(qū)填充，從而引起泄漏區(qū)相鄰區(qū)域的密度減小、壓力降低。這種現(xiàn)象依次向泄漏區(qū)上、下游擴(kuò)散，在水力學(xué)上稱為負(fù)壓波(或減壓波)，其傳播速度就是聲波在管道流體中的傳播速度[6～7]。
    在管道首末兩端安裝壓力傳感器，并由SCADA系統(tǒng)記錄傳感器傳送的數(shù)值。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓波動(dòng)，從泄漏點(diǎn)向上、下游傳播，并以指數(shù)規(guī)律衰減，這種壓力波動(dòng)和正常壓力波動(dòng)大不相同，具有幾乎垂直的前緣。首末兩端的壓力傳感器分別在不同時(shí)刻捕捉到負(fù)壓波信號(hào)，從而判斷管道發(fā)生了泄漏，根據(jù)負(fù)壓波傳到管道兩端的時(shí)間差和負(fù)壓波波速可以進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位[8]。
   負(fù)壓波法進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位見圖2。負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)到達(dá)管道首、末端的時(shí)間分別為t1、t2。令△t=t1-t2，則存在如下關(guān)系：
 

 
式中x——泄漏點(diǎn)距離管道首端的距離，m
    a——負(fù)壓波波速，m/s
    L——被測(cè)管道長(zhǎng)度，m
    v——流體速度，m/s
    △t——負(fù)壓波從泄漏點(diǎn)到達(dá)管道首、末端的時(shí)間差，s
式(2)中，a一般大于1000m/s，v為1.5～3.0m/s，因此v通常忽略不計(jì)，式(2)可以簡(jiǎn)化為式(3)。在式(3)的3個(gè)變量中，L已知，a與△t待求。
 
   影響負(fù)壓波法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的兩個(gè)關(guān)鍵因素[8～9]為：負(fù)壓波傳播到首、末兩端傳感器的時(shí)間差的準(zhǔn)確確定和管道內(nèi)負(fù)壓波波速的確定，即負(fù)壓波法定位的誤差主要來(lái)自a和△t。在傳統(tǒng)的常波速泄漏定位法中，負(fù)壓波在管道中的傳播速度被視為定值，通常為1000～1200m/s。實(shí)際上負(fù)壓波的傳播速度計(jì)算見式(4)，準(zhǔn)確的a值有助于泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。
 
式中W——流體的體積彈性系數(shù)，Pa
    E——管材的彈性模量，Pa
    δ——管壁厚度，m
    C——與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)
    要得出較準(zhǔn)確的△t，需要管道首、末端的系統(tǒng)時(shí)間必須同步。基于負(fù)壓波進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位的后續(xù)方法主要有相關(guān)分析法、時(shí)間序列分析法和小波變換法等[9～11]。
    ② 負(fù)壓波法的局限性及適用情況
    a. 負(fù)壓波法的局限性在于要求泄漏的發(fā)生是快速和突發(fā)性的。該方法的抗干擾能力差，易誤報(bào)警。
    b. 要求首、末端傳感器的時(shí)間精度始終保持相同，否則定位會(huì)失真。負(fù)壓波法要求泄漏點(diǎn)產(chǎn)生突然壓降，對(duì)快速突發(fā)的泄漏和量較大的泄漏敏感，對(duì)于緩慢發(fā)生的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏則失效。
2.3 應(yīng)用案例
    實(shí)時(shí)模型法和負(fù)壓波法只用兩個(gè)SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可檢測(cè)長(zhǎng)輸管道泄漏，目前已經(jīng)取得實(shí)驗(yàn)的成功并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。
    ① 四川省某輸氣管道長(zhǎng)23.5km，管道外徑為426mm，壁厚為7mm，運(yùn)行壓力為1.5MPa，起點(diǎn)溫度為305.3K，終點(diǎn)溫度為296.5K，在距管道起點(diǎn)5.6km處人為制造了1個(gè)泄漏點(diǎn)。采用實(shí)時(shí)模型法進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。監(jiān)控軟件采用BWRS狀態(tài)方程，18s后發(fā)出了泄漏報(bào)警信號(hào)，47s后將泄漏點(diǎn)定位于距管道起點(diǎn)5.38km處。
    ② 采用負(fù)壓波法對(duì)英國(guó)某天然氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。管道長(zhǎng)220km，內(nèi)徑為560mm，每隔10km安裝1個(gè)截止閥，兩個(gè)截止閥之間設(shè)置5個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。該系統(tǒng)能在60s內(nèi)檢測(cè)出直徑為6.4mm的泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)定位精度為152m。
    ③ 清華大學(xué)與勝利油田油氣集輸公司聯(lián)合研制的長(zhǎng)輸管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用負(fù)壓波法進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位，利用小波變換法和相關(guān)分析法同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。該泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)32km管道進(jìn)行了在線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示：最小泄漏量為5m3/h，泄漏點(diǎn)的定位精度約為管道長(zhǎng)度的2%。
3 城市天然氣管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的模式識(shí)別法
    ① 模式識(shí)別法的原理
城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)具有壓力級(jí)制偏低，分支多，管網(wǎng)復(fù)雜，多成環(huán)狀等特點(diǎn)。從理論方面來(lái)看，無(wú)論一個(gè)管網(wǎng)有多大，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均無(wú)法唯一確定泄漏點(diǎn)的具體位置，泄漏點(diǎn)的定位至少需要3個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。實(shí)時(shí)模型法和負(fù)壓波法均不能解決城市天然氣管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)問(wèn)題，筆者認(rèn)為基于計(jì)算機(jī)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別法能夠解決這個(gè)難題。
    模式識(shí)別法可以根據(jù)管網(wǎng)中設(shè)置的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化來(lái)診斷故障。SCADA監(jiān)測(cè)點(diǎn)在管網(wǎng)中的布置方式會(huì)影響診斷效果，因此盡量使監(jiān)測(cè)點(diǎn)在管網(wǎng)中均勻布置。首先要對(duì)天然氣管網(wǎng)各種代表陛的故障情況與3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化之間的關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立管網(wǎng)壓力、流量的特征矢量，形成故障模式的特征空間(模式庫(kù))并儲(chǔ)存。一旦天然氣管網(wǎng)出現(xiàn)故障，將3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與特征空間進(jìn)行對(duì)比，分析出故障發(fā)生的位置和類別。充分利用模式識(shí)別技術(shù)在非線性映射方面的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其他數(shù)學(xué)模型如多元回歸分析等在處理強(qiáng)非線性問(wèn)題上的不足，提高故障診斷的準(zhǔn)確性[12]。
    特征值的提取與選擇、訓(xùn)練學(xué)習(xí)和分類識(shí)別是任何模式識(shí)別系統(tǒng)的3個(gè)核心問(wèn)題[13]。一個(gè)功能較完善的識(shí)別系統(tǒng)在進(jìn)行識(shí)別前，首先要進(jìn)行學(xué)習(xí)，天然氣管網(wǎng)故障診斷模式識(shí)別系統(tǒng)的原理見圖3。
 

    一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量參數(shù)可構(gòu)成表征該測(cè)點(diǎn)所在管道運(yùn)行狀態(tài)的特征矢量，天然氣管網(wǎng)不同部位發(fā)生故障，同—測(cè)點(diǎn)的特征矢量會(huì)有所不同。可以通過(guò)試驗(yàn)(廣義的試驗(yàn)，如數(shù)值模擬等)得出管網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)特征矢量的數(shù)值特性知識(shí)(模式分類)。在日常運(yùn)行中將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的特征矢量值與特征空間進(jìn)行對(duì)比，判斷監(jiān)測(cè)得到的特征矢量值屬于何種管網(wǎng)故障的特征矢量值范圍，從而做出對(duì)故障管道的診斷。特征空間和特征矢量的建立決定了模式識(shí)別的準(zhǔn)確性和精確性，因此在建立特征矢量初期，要考慮管網(wǎng)壓力損失對(duì)特征矢量的影響，為了增加模式識(shí)別的可靠性，應(yīng)該選取適當(dāng)?shù)奶卣魇噶烤S度和分量類別[14]。
    目前針對(duì)各種特征矢量提出的模式匹配方法的研究越來(lái)越深入。針對(duì)天然氣管網(wǎng)的特殊性，判別域代數(shù)界面方程法中的位勢(shì)函數(shù)法、統(tǒng)計(jì)判決法中的正態(tài)模式參數(shù)判別法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法這3種方法比較適合天然氣管網(wǎng)故障診斷的模式識(shí)別[12]。采集分布較好、分布范圍較廣的實(shí)際數(shù)據(jù)非常困難，可以模擬部分?jǐn)?shù)據(jù)以補(bǔ)充實(shí)際數(shù)據(jù)的不足，對(duì)于研究和實(shí)際應(yīng)用都非常必要。
   ② 應(yīng)用案例
   文獻(xiàn)[15]將模式識(shí)別法應(yīng)用于城市給水系統(tǒng)，并且全部采用水力分析來(lái)模擬所需數(shù)據(jù)，即采用管網(wǎng)局部破壞狀態(tài)下的水力分析來(lái)得到所需數(shù)據(jù)。雖然給水系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)在水力學(xué)工況上有很大差異，但是利用模式識(shí)別的方法和思路可以應(yīng)用到天然氣管網(wǎng)中。
    ③ 小結(jié)
    a. 模式識(shí)別的算法有很多種，算法復(fù)雜度的度量應(yīng)獨(dú)立于程序語(yǔ)言種類，這樣能可靠地進(jìn)行復(fù)雜度比較，可提供數(shù)據(jù)內(nèi)在的固有的信息量[13]。
    b. 天然氣管網(wǎng)用氣的不均勻性要求對(duì)管網(wǎng)訓(xùn)練時(shí)區(qū)分區(qū)域和時(shí)間段進(jìn)行設(shè)置，考慮用氣量的變化得到管網(wǎng)各種代表性狀態(tài)的數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的特征空間。比如可將一天分為幾個(gè)時(shí)段，區(qū)分周末和工作日、冬季和夏季，有助于特征空間的訓(xùn)練學(xué)習(xí)及故障診斷，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的詳實(shí)，避免系統(tǒng)誤報(bào)。
    c. 本文僅考慮設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況，若增至4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中的1個(gè)作為備用，可大大提高故障診斷系統(tǒng)的可靠性。即當(dāng)其中1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題或維修時(shí)，其余3個(gè)仍可以進(jìn)行故障診斷。
4 結(jié)語(yǔ)
    目前城市天然氣管網(wǎng)利用有限個(gè)SCADA測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的方法仍處于試驗(yàn)階段，該方法有廣闊的應(yīng)用前景，研究人員可以加大科研投入。在天然氣管道泄漏檢測(cè)中，多種方法相結(jié)合能保證運(yùn)行人員安全和減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為保證定位精確和搶修及時(shí)，在管道泄漏點(diǎn)定位時(shí)還應(yīng)與其他方法相結(jié)合，如利用手持式激光探測(cè)儀、激光雷達(dá)等[16]。
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(本文作者：王帥1 玉建軍1 嚴(yán)銘卿2 1.天津城市建設(shè)學(xué)院 天津 300384；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)