陳修偉，秦 超

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)山東天然氣管道有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

管道運(yùn)輸是天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。傳輸管道在地下密閉地輸送天然氣，具有安全穩(wěn)定的特性，天然氣不易揮發(fā)，從而能夠保持較高的品質(zhì)。隨著現(xiàn)代化技術(shù)手段的發(fā)展，天然氣的輸送距離逐漸增大。我國(guó)已陸續(xù)建成西氣東輸?shù)却笮陀蜌膺\(yùn)輸項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的區(qū)域跨度較大，管道鋪設(shè)的距離較長(zhǎng)，運(yùn)輸方式以長(zhǎng)輸天然氣管道為主。長(zhǎng)輸天然氣管道多埋于地底，受到環(huán)境的影響，易發(fā)生腐蝕，或遭受流體沖擊，引發(fā)天然氣泄漏[1]。長(zhǎng)輸天然氣管道一旦發(fā)生泄漏，污染環(huán)境的同時(shí)會(huì)危害人身安全。因此要對(duì)長(zhǎng)輸天然氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修補(bǔ)泄漏點(diǎn)，提高管道的運(yùn)輸能力。

在天然氣的泄漏點(diǎn)，因管道內(nèi)外存在壓力差，因此會(huì)產(chǎn)生射流信號(hào)。聲波信號(hào)在長(zhǎng)距離傳播中的衰減較慢，適用于天然氣的泄漏檢測(cè)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和識(shí)別，可以判斷管道是否發(fā)生泄漏并進(jìn)行定位檢測(cè)。功率譜能夠表征信號(hào)的非線性特征，通過(guò)功率譜估計(jì)，能夠得到有用信號(hào)的集中頻率成分，從而識(shí)別出信號(hào)。本文基于功率譜估計(jì)，提出了一種長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏的檢測(cè)方法，從而保證長(zhǎng)距離運(yùn)輸安全。

1 基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)

1.1 長(zhǎng)輸天然氣管道信號(hào)的濾波處理

天然氣在管道內(nèi)正常運(yùn)輸時(shí)，聲波信號(hào)穩(wěn)定，發(fā)生泄漏時(shí)，天然氣在壓力作用下，會(huì)向泄漏點(diǎn)的上游和下游流動(dòng)。在擴(kuò)散中，天然氣與管壁會(huì)因?yàn)槟Σ磷饔枚a(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)包含了管道泄漏的時(shí)間、位置和泄漏量等信息，可為檢測(cè)技術(shù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于管道周圍的環(huán)境較為復(fù)雜，泄漏信號(hào)在傳播中會(huì)受到很多因素的干擾，表現(xiàn)出多模態(tài)的擴(kuò)散現(xiàn)象[2]。同時(shí)，噪聲的加入會(huì)削弱信號(hào)特征，不利于信號(hào)的波形檢測(cè)，一些微弱的泄漏信號(hào)很可能被忽略。為了正確反映長(zhǎng)輸管道的工況，要先對(duì)采集的管道信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以消除雜波干擾，提取有價(jià)值的泄漏信號(hào)。將采集信號(hào)分解為一系列的IMF分量，分析其內(nèi)在構(gòu)成。IMF分量表示信號(hào)特征的時(shí)間尺度，具有瞬時(shí)特性。對(duì)給定的任意信號(hào)提取所有模態(tài)分量的極值點(diǎn)，利用插值函數(shù)，求解極大值和極小值點(diǎn)信號(hào)集合的包絡(luò)線，計(jì)算公式如下：

式中，t為信號(hào)時(shí)間；θ(t)表示原始信號(hào)包絡(luò)線均值；φ1(t)和φ2(t)分別表示極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)集合擬合的包絡(luò)線。

分解出原始虛擬信號(hào)的模態(tài)分量的計(jì)算公式如下：

式中，y(t)表示原始信號(hào)；γ(t)為分解模態(tài)分量。

重復(fù)迭代分解過(guò)程，直至標(biāo)準(zhǔn)差滿足設(shè)定要求。輸出γ(t)的最高頻率部分即為IMF分量。繼續(xù)判斷剩余分量，提取剩余極值點(diǎn)，重復(fù)上述步驟直至完成濾波過(guò)程。噪聲的IMF分量頻率較高，根據(jù)濾波結(jié)果，剔除模態(tài)的高頻雜波成分，經(jīng)降噪濾波后，泄漏信號(hào)的非平穩(wěn)性得到保留。

1.2 基于功率譜估計(jì)檢測(cè)異常聲波信號(hào)

根據(jù)信號(hào)濾波的處理結(jié)果，利用功率譜估計(jì)檢測(cè)異常的聲波信號(hào)。功率譜將信號(hào)能量劃分為不同的尺度，每個(gè)通道的功率譜表現(xiàn)出隨機(jī)性和獨(dú)立性，并抑制其中不相關(guān)的成分。通常情況下，正常信號(hào)的分布存在規(guī)律性，功率譜的熵值較??；異常聲波信號(hào)的混亂程度較高，功率譜的頻率分布范圍廣，熵值較大[3]。對(duì)比檢測(cè)信號(hào)的熵值，利用功率譜估計(jì)，可以判斷異常泄漏信號(hào)存在與否，增強(qiáng)低信噪比條件下的檢測(cè)性能。采用信號(hào)正交基的計(jì)算方式，會(huì)造成相位信息的丟失，把隨機(jī)信號(hào)錯(cuò)當(dāng)成確定信號(hào)進(jìn)行處理，導(dǎo)致估算結(jié)果的方差性能較差[4]。因此，本文利用Bartlett法估算信號(hào)功率譜。在頻域上對(duì)被分析信號(hào)進(jìn)行分段，得到各個(gè)分段信息，每個(gè)分段具有不同的功率譜分辨率。將各譜段的數(shù)據(jù)點(diǎn)按低頻到高頻的順序排序，完成頻譜密度和分辨率的匹配。將降噪濾波后的信號(hào)劃分為不重疊的數(shù)據(jù)點(diǎn)段，功率譜的估計(jì)值可表示為：

式中，W表示信號(hào)整體的功率譜強(qiáng)度；s表示分段數(shù)；Wi為第i個(gè)分段的功率譜強(qiáng)度。

功率估計(jì)效果由方差和功率譜分辨率決定。隨著運(yùn)算次數(shù)和數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的增加，估計(jì)值趨近于真實(shí)功率譜的均值。調(diào)節(jié)分段數(shù)和數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量并選擇合適的分辨率，以達(dá)到最佳的功率譜估計(jì)效果。使用直方圖計(jì)算功率譜熵，計(jì)算公式如下：

式中，χ(W)表示功率譜熵；N表示具有相同功率譜強(qiáng)度的子區(qū)間個(gè)數(shù)；uj表示第j個(gè)子區(qū)間的功率譜元素?cái)?shù)目；U表示功率譜強(qiáng)度集合。

功率譜估計(jì)能夠分辨出相鄰子區(qū)間的高頻段和低頻段位置，在分辨率大致相當(dāng)?shù)那闆r下，二者的譜密度分布較為均勻。在檢測(cè)中，泄漏異常信號(hào)的功率譜熵的峰值明顯小于正常信號(hào)，根據(jù)計(jì)算得到的功率分布和峰值結(jié)果，可以有效識(shí)別出管道內(nèi)部存在的泄漏信號(hào)。

1.3 建立天然氣管道泄漏定位模型

當(dāng)長(zhǎng)輸天然氣管道存在異常聲波信號(hào)時(shí)，需要進(jìn)一步對(duì)管道的異常信號(hào)位置進(jìn)行識(shí)別，以定位天然氣泄漏點(diǎn)。本文采用雙傳感器定位模式，在管道上、下游安裝相同型號(hào)的傳感器，根據(jù)泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的信號(hào)傳播至管道首尾端口的時(shí)間差，計(jì)算泄漏點(diǎn)到首端的距離，計(jì)算公式為：

式中，d表示天然氣泄漏點(diǎn)與管道首端的距離；h表示管道總長(zhǎng)度；v表示信號(hào)傳播速度；ΔT表示傳輸?shù)绞孜捕丝诘男盘?hào)延時(shí)。

由于長(zhǎng)輸天然氣管道所處環(huán)境具有復(fù)雜性，同時(shí)不同材質(zhì)的信號(hào)傳播速度有所不同，聲速的計(jì)算結(jié)果不唯一，為了保證聲速計(jì)算的準(zhǔn)確性，聲速要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定[5]。在泄漏點(diǎn)處，聲波信號(hào)會(huì)向介質(zhì)壓力降低的上游方向傳播，在長(zhǎng)輸天然氣管道內(nèi)的方向即為前向和后向。同一泄漏點(diǎn)的上、下游聲波信號(hào)頻率分布存在差異性，信號(hào)傳輸?shù)南辔灰膊煌?，因此存在時(shí)間差[6]。計(jì)算2路信號(hào)的功率譜密度，利用傅氏變換強(qiáng)化有效信號(hào)的高頻成分，以上、下游信號(hào)為相位時(shí)間差的定位變化對(duì)象，根據(jù)壓力信號(hào)的功率譜的相頻特性，得到信號(hào)延時(shí)的計(jì)算公式：

式中，f0表示壓力信號(hào)的采樣頻率；f1表示功率譜對(duì)應(yīng)譜線頻率；f2表示數(shù)字補(bǔ)償器的離散采樣頻率；λ表示虛擬聲波的恒定參數(shù)，本文取值為4；ω1表示采樣信號(hào)的相頻特性；ω2表示f2對(duì)應(yīng)的相頻特性。

在測(cè)算得到信號(hào)延時(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合聲速和管道長(zhǎng)度，可以得到泄漏點(diǎn)與天然氣管道首端的距離，即得到泄漏定位，進(jìn)而可對(duì)天然氣的傳輸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。綜合上述過(guò)程，完成對(duì)基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道的泄漏檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文提出的基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的正確性和可靠性，搭建了管道泄漏信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。管道系統(tǒng)安裝有壓力傳感器和聲波傳感器，壓力信號(hào)通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償器轉(zhuǎn)化為虛擬聲波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)選取的管道為某城市的天然氣輸送管道，共實(shí)施10次泄漏模擬實(shí)驗(yàn)。人工標(biāo)記泄漏點(diǎn)，泄漏均為迅速開(kāi)閥產(chǎn)生，孔徑為5mm，模擬天然氣突發(fā)泄漏情況。在泄漏點(diǎn)的上、下游管壁上安裝相同的壓電式傳感器，以此獲得泄漏樣本信號(hào)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的管道傳輸距離分別為1km、5km、10km，泄漏標(biāo)記點(diǎn)位置不發(fā)生移動(dòng)。采集傳感器信號(hào)，得到泄漏信息并確定具體管道位置。

2.2 結(jié)果與分析

將功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)得到的結(jié)果，與基于VMD算法和基于EEMD算法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本技術(shù)的有效性。本次實(shí)驗(yàn)主要從最大定位誤差和定位精度兩方面來(lái)衡量檢測(cè)技術(shù)的有效性。3種檢測(cè)技術(shù)在不同輸送距離的測(cè)試中，泄漏點(diǎn)的最大定位誤差如表1～表3所示。

表1 輸送距離1km的最大定位誤差 /m

表3 輸送距離10km的最大定位誤差 /m

在輸送距離為1km的測(cè)試中，基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的最大定位誤差為3.427m，比基于VMD算法和基于EEMD算法的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)分別降低了3.047m和3.154m。

表2 輸送距離5km的最大定位誤差 /m

在輸送距離為5km的測(cè)試中，基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的最大定位誤差為5.945m，比基于VMD算法和基于EEMD算法的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)分別降低了3.079m和3.508m。

在輸送距離為10km的測(cè)試中，基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的最大定位誤差為8.936m，比基于VMD算法和基于EEMD算法的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)分別降低了6.132m和7.177m。在不同泄漏點(diǎn)定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算各檢測(cè)技術(shù)的定位誤差，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，本文提出的基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的誤差為4.56%，分別比另外2種天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的誤差減少了5.29%和6.44%，表明本文提出的檢測(cè)技術(shù)，能夠有效檢測(cè)出長(zhǎng)輸管道是否發(fā)生了天然氣泄漏，并得到準(zhǔn)確的泄漏點(diǎn)位置，提升了檢測(cè)的定位精度，因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 管道泄漏定位誤差

3 結(jié)論

天然氣管道運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展迅速，已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男孤﹩?wèn)題不容忽視。天然氣一旦發(fā)生泄漏，會(huì)造成環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害生命安全，因此需要采取有效措施，及時(shí)檢測(cè)出泄漏位置，以保證長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)目煽啃?。本文基于功率譜估計(jì)，提出了一種長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)能夠檢測(cè)出天然氣泄漏點(diǎn)，并保證較高的定位精度。本次研究只針對(duì)單泄漏點(diǎn)的檢測(cè)，后續(xù)會(huì)結(jié)合多種定位模型和檢測(cè)方法，對(duì)長(zhǎng)輸管道的多點(diǎn)綜合檢測(cè)進(jìn)行研究，以優(yōu)化該檢測(cè)技術(shù)。