基于激励响应的油气管道泄漏检测方法及系统
技术领域
本公开属于油气管道泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于激励响应的油气管道泄漏检测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
管道运输因其在输送液体和液体方面的便利、高效等独特优势，现已广泛应用于石油及其产品的运输中，随着运输管道的规模增大，必然会出现一些不可避免的问题，如管道的自然老化，腐蚀，磨蚀，第三方破坏以及各种地质因素的影响，使管道发生泄漏甚至断裂等安全问题。由于大部分油品管道都是埋地敷设，油品管道发生泄漏，泄漏油品在土壤中的渗流迁移很难被观察到，但其造成的影响如：环境污染、经济损失以及潜在的火灾爆炸风险却是不可忽略的。因此，研究油品管道的泄漏检测技术对确保管道安全高效运行具有重大意义。
据发明人了解，目前已有多种管道泄漏检测与定位技术，如常用的负压波法、声波法、瞬态模型法等。但现有的这些方法在适用的泄漏工况和应用上都存在一定的局限性，例如，管道焊缝以及管道不平滑会严重影响漏磁检测的精度；负压波法，声波法等仅适用于突发泄漏，且很难检测到小泄漏、缓慢泄漏和已有泄漏；而瞬态模型法需要对每种管道、泄漏情况进行分别建模，过程较为复杂，且普适性较差。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于激励响应的油气管道泄漏检测方法及系统，本公开通过主动施加一个激励信号，根据动态压力波的变化分析管道的泄漏信息，能够在实验室条件和现场管道运营中，完成对逐渐变大的泄漏孔、原本存在的泄漏孔等通过负压波法或声波法无法检测的泄漏孔的有效检测准确定位，为油气管道的安全运行提供有力保障。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于激励响应的油气管道泄漏检测系统，包括：
激励信号模块，被配置为产生激励信号，传输至待检测的油气管道上；
检测模块，包括若干沿油气管道沿线布设的压力传感器，用于检测由激励信号产生的压力波传播过程中，瞬态信号到达管道边界处和/或泄漏点时被转向而形成的反射信号；
瞬态压力响应模块，被配置为对比管道无泄漏和有泄漏时的瞬态响应压力随时间的变化，找出两种工况下瞬态响应压力的区别，判断是否泄漏；
信号处理模块，被配置为对采集到的动态压力信号进行去噪，并提取有效特征，识别信号奇异点，并结合频域特征进行判断，识别反射波信号,分析反射压力波的到达时间以及压力波的幅频特性,根据压力波在时域中的表现结合频域中的分布判断管道泄漏情况，并根据反射波到达传感器的时间和声波在管内传播速度对泄漏点进行准确定位。
作为进一步的限定，所述激励信号包括主动式激励信号和被动式激励信号。
所述主动式激励信号为外界直接输入的压力脉冲，被动式激励信号为开关阀门等元件产生的压力波动。
作为进一步的限定，所述油气管道的上下游各设有一个储油罐。
作为进一步的限定，所述检测模块，包括至少设置在油气管道的上游的一动态压力传感器，动态压力传感器于A/D采集卡连接，所述A/D采集卡与处理器连接。
一种基于激励响应的油气管道泄漏检测方法，包括：
产生激励信号，传输至待检测的油气管道上；
利用动态压力传感器实时检测由激励信号产生的压力波传播过程中，瞬态信号到达管道边界处和/或泄漏点时被转向而形成的反射信号；
将采集到的动态压力信号进行去噪处理，并提取有效特征，识别信号奇异点，并结合频域特征进行判断，识别反射波信号；
对比管道无泄漏和有泄漏时的瞬态响应压力随时间的变化，找出两种工况下瞬态响应压力的区别，判断是否泄漏；
分析反射压力波的到达时间以及压力波的幅频特性,根据压力波在时域中的表现结合频域中的分布判断管道泄漏情况，并根据反射波到达传感器的时间和声波在管内传播速度对泄漏点进行准确定位。
作为进一步的限定，采集到的动态压力信号经小波变换进行去噪处理。
作为进一步的限定，将反射波信号采用短时傅里叶变换，转化到频域，信号的频率特性是信号自身的固有特性，在泄漏孔处的频率信号与管道内的频率信号有明显的不同，通过对泄漏信号频率波段的分析，辅助识别泄漏信息。
作为进一步的限定，无未知泄漏孔工况下施加激励信号的瞬态压力响应随时间的变化：管道系统的上下游边界为储油罐，则当在I处施加激励信号时，I处泄漏产生一个减压波信号，该信号以速度a向上下游两侧传递，声波信号的特点如下：
向上游传播的压力波信号
向下游传播的压力波信号
作为进一步的限定，有未知泄漏孔工况下施加激励信号的瞬态压力响应随时间的变化：
管道系统的上下游边界为储油罐，B处存在一个待检测的泄漏点，则当在I处施加激励信号时，M处动态压力传感器接收到的动态压力随时间的变化，I处泄漏产生一个减压波信号，该信号以速度a向上下游两侧传递，这一过程声波信号特征为：
向上游传播的压力波信号
向下游传播的压力波信号
作为进一步的限定，在
作为进一步的限定，向上游传递的新的压力波信号
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开可完成油气管道中已存在泄漏的泄漏点的检测并准确定位。本公开不仅能对油气管道的突发泄漏进行有效检测，还能够对油气管道运行中的缓慢泄漏和已有泄漏进行检测与定位，该方法具有灵敏度高，定位精度高、适应能力强、计算简便、可检测小泄漏、缓慢泄漏和已有泄漏的优点。本公开对于油气管道的泄漏检测与定位的研究具有重要意义和实际应用价值。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开的无未知泄漏孔时主动施加瞬态泄漏的结构示意图；
图2是本公开的有未知泄漏孔时主动施加瞬态泄漏的结构示意图；
图3是本公开的无未知泄漏孔时瞬态泄漏水头(压力)随时间变化的原理图；
图4是本公开的有未知泄漏孔时瞬态泄漏水头(压力)随时间变化的原理图。
其中：M-动态压力传感器；I-主动施加的瞬态泄漏点(激励信号)；L-管线总长；B-待检测的未知泄漏点；H-管道内流体水头值；t-时间。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
一种基于激励响应的液体管道泄漏检测系统，包括激励信号模块(产生激励信号)，液体管道系统(受检测系统)，检测系统(检测压力信号)，瞬态压力响应模块(瞬态压力引起管道压力波动变化)，信号处理模块(处理分析压力信号)，其中：
激励信号模块是对已有泄漏点的油气管道施加一个主动式激励信号(人为直接输入压力脉冲)或被动式激励信号(开关阀门等产生压力波动)。该激励信号产生的压力波在管内传播，当传播的瞬态信号到达管道边界处和泄漏点时，主波的一部分能量被转向以形成新的反射信号(引起一个负压波)，反射信号又分别向上下游传播被管道沿线的动态压力传感器采集到。可以利用对该反射信号的检测以及其到达传感器时间的测量来检测泄漏。
所述的油气管道系统，包括无泄漏时和有泄漏孔时施加激励信号的管道系统：
(1)如图1所示，无泄漏孔时施加激励信号的管道系统由以下设施组成：一段总长为L的油气管道，管道上下游设有两个储油罐，在距离上游储罐xM,1处设有一个动态压力传感器(M),在距离上游储罐xI,1处施加一个主动式激励信号(人为直接输入压力脉冲)或被动式激励信号(开关阀门等产生压力波动)(I)，在I处因激励信号产生的瞬态压力在分别向管道上下游传播，由M处动态压力传感器接收动态压力变化。
(2)如图2所示，有未知泄漏孔时施加激励信号的管道系统由以下设施组成：一段总长为L的油气管道，管道上下游设有两个储油罐，在距离上游储罐xM,1处设有一个动态压力传感器(M),在距离下游储罐xB处有一个待检测的未知泄漏点(B)，在距离上游储罐xI处施加一个主动式激励信号(人为直接输入压力脉冲)或被动式激励信号(开关阀门等产生压力波动)(I)，在I处因激励信号产生的瞬态压力在分别向管道上下游传播，当传到泄漏点B处和上下游储罐时会产生一个反射信号，反射信号又继续向上下游传播，由M处动态压力传感器接收采集。
所述的检测系统，检测系统用于对管道末端的动态压力信号进行采集，由动态压力传感器、A/D采集卡、计算机及数据采集软件组成。
所述的瞬态压力响应模块，包括无泄漏时和有泄漏孔时施加激励信号的条件下的瞬态压力响应：
(1)如图3所示，无泄漏时施加激励信号的瞬态压力响应随时间的变化：管道系统的上下游边界为储油罐，则当在I处施加激励信号(泄漏)时，M处的动态压力传感器接收到的动态压力随时间的变化变化(在不考虑能量损失的情况下)见说明书附图3。I处泄漏产生一个减压波信号，该信号以速度a向上下游两侧传递，下面对这一过程声波信号进行分析：
向上游传播的压力波信号
向下游传播的压力波信号
(2)有未知泄漏孔时施加激励信号的瞬态压力响应随时间的变化：管道系统的上下游边界为储油罐，B处存在一个待检测的泄漏点，则当在I处施加激励信号(泄漏)时，M处动态压力传感器接收到的动态压力随时间的变化(在不考虑能量损失的情况下)见说明书附图4。图中分析可知，I处泄漏产生一个减压波信号，该信号以速度a向上下游两侧传递，下面对这一过程声波信号进行分析：
向上游传播的压力波信号
向下游传播的压力波信号
进一步的，所述的信号处理模块，利用小波变换的信号处理技术对瞬态压力奇异点进行识别。泄漏点处产生的反射波受管道振动，背景瞬变和仪器噪声的影响，含有很多噪声，并且由于声波信号的不断衰减，会使泄漏反射信号混淆，不易识别。因此，泄漏检测的一个关键点就是提取出泄漏信号的有效特征，准确识别反射波信号，以准确进行泄漏检测和定位。由于小波变换具有良好的时频特性，本实施例应用小波变换对声波信号进行消噪和识别，提取有效特征，分析对比从而达到泄漏检测与定位的目的。同时，采用短时傅里叶变换，将信号转化到频域，信号的频率特性是信号自身的固有特性，在泄漏孔处的频率信号与管道内的频率信号有明显的不同，通过对泄漏信号频率波段的分析，可以辅助识别泄漏信息，提高该检测方法的精度。
基于激励响应的油气管道泄漏检测方法包括如下步骤：
1)施加激励信号：对已有泄漏点的油气管道施加一个主动式激励信号(人为直接输入压力脉冲)或被动式激励信号(开关阀门等产生压力波动)，该激励信号产生的压力波分别向管道两端传播。
2)信号采集：由安装在管道沿线的动态压力传感器对瞬态压力信号进行采集，通过动态压力传感器采集的声波信号经动态数据采集卡(A/D采集卡)最终传至监控主机。
3)信号处理：由于采集的瞬态压力信号中含有噪声，将采集到的动态压力信号经小波变换进行去噪处理，并提取有效特征，识别信号奇异点，并结合频域特征进行判断，识别反射波信号，分析对比从而达到泄漏检测与定位的目的。
4)瞬态响应压力分析：分析对比管道无泄漏和有泄漏时的瞬态响应压力随时间的变化，找出两种工况下瞬态响应压力的区别，识别泄漏信号与激励信号传到泄漏点处、上下游储罐处产生的反射信号，判断是否泄漏。
5)泄漏判断与定位：分析反射压力波的到达时间以及压力波的幅频特性，根据压力波在时域中的表现结合频域中的分布判断管道泄漏情况。并根据反射波到达传感器的时间和声波在管内传播速度对泄漏点进行准确定位。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
