礦漿管道洩漏定位報警系統及方法與流程
2023-09-21 07:50:00 1
本發明涉及礦漿管道安全維護領域，具體的講是礦漿管道洩漏定位報警系統及方法。
背景技術：
礦漿管道在現代社會中的應用越來越廣泛,但是隨著管道運行時間的延長,由於各種外力原因，如地震、施工、山體滑坡導致的管道洩漏將造成資源的浪費和環境汙染,建立管道洩漏定位方法,及時準確地報告事故管段的具體地理位置,可以最大限度地減少經濟損失和環境汙染。礦漿輸送管道一旦發生洩漏事故,如果發現不及時將造成重大環境汙染和危險事故等,同時也因輸送礦漿的洩漏，如果不及時採取相應措施，將會給企業帶來重大的經濟損失，因此及時、迅速發現管道洩漏並準確判定洩漏點成為管線安全平穩運行的當務之急。
礦漿管道是鋼鐵企業的生命線，自然破損或人為破壞等會造成管線穿孔或斷裂，若不能及時發現及時處理，不僅影響生產，還會導致礦漿漏失、汙染環境等一系列不良後果，經濟損失可想而知。如果採用技術手段對管線進行有效的在線實時監測，及時準確地判斷洩漏發生並確定洩漏位置，則能夠將損失減小到最低程度。
管道洩漏監測的方法有很多種，其中屬於「水力參數監測」範疇的有管道瞬變模型法也叫質量平衡法、負壓波法也叫減壓水擊波法、管道流量平衡法等。另外還有「振動聲波監測法」，「洩漏聲波監測法」等，其中又以「負壓波法」應用最成功。
其中「負壓波法」通過監測「洩漏」引起的「壓力下降」來判斷有無洩漏發生並進行定位，某些站內操作引起的非洩漏「壓力下降」必須屏蔽，否則會發生頻繁的無意義報警。「流量平衡法」是靠管道兩端的流量計實時監測比對進出流量，判斷有無洩漏發生，而兩種方法都有自身的局限性，所需要調用和採集的數據不同。
中國專利cn106015948a，公開了一種長輸油管道洩漏點快速準確定位的方法及裝置，通過現非線性系統在過程和量測誤差是非高斯分布情況下長輸油管道洩漏點的定位，提出的隨機h∞濾波方法及裝置能夠解決網絡環境所引起的隨機數據丟失情形下長輸油管道洩漏點定位。
其不足點在於，計算過於複雜且最終定位的洩漏點與實際洩漏點差距較大，定位精準度較低。
因此需要一種將「負壓波法」和「流量平衡法」二者相結合，極大提高管道洩漏定位報警準確性的礦漿管道洩漏定位報警系統及方法。
技術實現要素：
本發明針對現有礦漿管道存在洩漏定位不準確的問題，負壓波法在實際運用中無法準確確定上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差從而導致洩漏點位置判斷錯誤的問題，提供礦漿管道洩漏定位報警系統及方法。
本發明解決上述技術問題，採用的技術方案是，礦漿管道洩漏定位報警系統，包括兩個以上壓力傳感器、一號流量傳感器、二號流量傳感器、數據處理器和報警器，兩個以上壓力傳感器沿礦漿管道流向與礦漿管道外壁連接，且相鄰壓力傳感器間距相等，一號流量傳感器設於礦漿管道起始端，二號流量傳感器設於礦漿管道末端，數據處理器分別與壓力傳感器、一號流量傳感器、二號流量傳感器和報警器連接。
進一步的，兩個以上壓力傳感器、一號流量傳感器、二號流量傳感器和報警器通過無線方式與數據處理器連接。
本發明解決上述技術問題，還提供了礦漿管道洩漏定位報警方法，包括以下步驟：
第一步，採集統計正常輸送時，礦漿管道的管壓和礦漿流速；
第二步，礦漿管道發生洩漏，沿礦漿管道中礦漿流向，洩漏點距離最近的兩個壓力傳感器分別為位於洩漏點上遊的上遊壓力傳感器和位於洩漏點下遊的下遊壓力傳感器，測定礦漿壓力波在礦漿管道中壓力波傳播速度a；
第三步，確定上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差δt；
第四步，通過礦漿壓力波在礦漿管道中壓力波傳播速度a、上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差δt和上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器間距l，確定洩漏點與上遊壓力傳感器的距離x。
進一步的，第一步中，通過一號流量傳感器、二號流量傳感器和壓力傳感器採集統計礦漿管道正常輸送時，壓力傳感器壓力讀數、一號流量傳感器流速和二號流量傳感器流速。
進一步的，第二步中，礦漿管道中壓力波傳播速度a由以下公式計算得：
其中，a為礦漿管道中壓力波傳播速度，單位為m/s；k為礦漿的體積彈性係數，單位為pa；ρ為礦漿的平均密度，單位為kg/m3；e為礦漿管道的彈性，單位為pa；d為管道的直徑，單位為m；e為管壁厚度，單位為m；c1為管道約束條件修正係數。
進一步的，第三步中，採集上遊壓力傳感器在礦漿管道洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖，通過db小波對信號圖進行重構，確定上遊壓力傳感器產生壓力變化時間t1，採集下遊壓力傳感器在礦漿管道洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖，通過db小波對信號圖進行重構，確定下遊壓力傳感器產生壓力變化時間t2，通過|t1-t2|得出上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差δt。
進一步的，第三步中，先將上遊壓力傳感器在礦漿管道洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行低頻重構，再將上遊壓力傳感器在礦漿管道洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行高頻分解，對比低頻重構和高頻分解圖，得出管道發生洩漏後上遊壓力傳感器採集到洩漏點壓力波，導致壓力變化時間t1。
進一步的，第三步中，先將下遊壓力傳感器在礦漿管道洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行低頻重構，再將下遊壓力傳感器在礦漿管道洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行高頻分解，對比低頻重構和高頻分解圖，得出管道發生洩漏後下遊壓力傳感器採集到洩漏點壓力波，導致壓力變化時間t2。
可選的，第三步中，低頻重構為將壓力隨著時間變化的信號圖在低頻段進行5個層次重構，高頻分解為將壓力隨著時間變化的信號圖在高頻段進行7個層次重構。
進一步的，第四步中，洩漏點與上遊壓力傳感器的距離x由以下公式計算得：
其中a為礦漿壓力波在礦漿管道中壓力波傳播速度、δt為上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差，l為上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器間距，x為洩漏點與上遊壓力傳感器的距離。
這樣設計的目的在於，通過一號流量傳感器、二號流量傳感器和壓力傳感器採集統計正常輸送時的，礦漿管道的管壓與礦漿流速，獲得初始的管壓數據與礦漿流速數據，當發生洩漏時，洩漏點壓力突然降低所產生的負壓力波將沿管道向兩端傳播，瞬時傳播速度是介質粘度、密度、管道管徑、彈性模量的函數。當該負壓波傳遞到管道中時，引起洩漏點上遊壓力傳感器和洩漏點下遊壓力傳感器壓力降低以及流量變化。
通過數據傳輸將壓力和流量信號實時傳輸到數據處理器中，實現動態監測。洩漏位置不同，兩個站響應的時間差也不同，根據管道長度、壓力傳播速度等，並通過查閱相應管道工況參數及被輸介質的理化性質和溫度衰減等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進行必要的補償和修正，即可計算出相應洩漏位置。
在計算洩漏位置時，需要對上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差δt進行確認，由於現場各種工況的幹擾，如電磁幹擾、震動、啟停泵、開關閥門等因素的影響，實際採集的負壓波信號附著大量幹擾波信號，幹擾波信號必須進行處理，從而獲取壓力波時間拐點，精確的得到時間差。
將上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器持續採集的壓力信號製成信號圖，採用連續db小波變換的時間--尺度特性可以有效地檢測信號的奇異性。信號在其突變點處通常是奇異的，利用小波變換的極值點可以檢測出信號的邊沿。小波變換還可以抑制噪聲波形，在強噪聲背景下還原出信號的原始波形。將小波變換的這一原理用於動態系統的故障檢測，可以提高故障檢測的靈敏度和克服噪聲能力。
當數據處理器判斷出礦漿管道發生洩漏後，通過控制報警器實現報警功能，提醒作業人員對洩漏點進行修復。
本發明的有益效果至少包括以下之一；
1、「負壓波法」和「流量平衡法」二者相結合，極大提高管道洩漏定位報警準確性。
2、通過網絡、3g/4g、電臺等無線方式把壓力和流量信號實時傳輸到處理器中，即可實現動態監測，減少傳輸用線。
3、通過對壓力隨著時間變化的信號圖進行低頻重構和高頻分解，大幅提高判斷出上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器採集到洩漏點壓力波，導致壓力變化時間，從而更為準確的計算出上遊壓力傳感器與下遊壓力傳感器接收壓力波的時間差δt。
附圖說明
圖1為礦漿管道洩漏定位報警系統及礦漿管道結構示意圖；
圖2為上遊壓力傳感器採集到壓力隨時間變化信號圖；
圖3為圖2採用db小波進行低頻5個層次重構的信號圖；
圖4為圖2採用db小波進行高頻7個層次分解的信號圖；
圖中標記為：1為礦漿管道、2為洩漏點、3為上遊壓力傳感器、4為下遊壓力傳感器、5為一號流量傳感器、6為二號流量傳感器、7為數據處理器、8為報警器。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點能夠更加清晰明白，以下結合附圖和實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明保護內容。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「一端」、「中央」、「周向」、「上」、「內側」、「外側」、「另一端」、「中部」、「頂部」、「一側」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
實施例1
如圖1所示，礦漿管道洩漏定位報警系統及礦漿管道結構示意圖，礦漿管道洩漏定位報警系統包括兩個以上壓力傳感器、一號流量傳感器5、二號流量傳感器6、數據處理器7和報警器8，兩個以上壓力傳感器沿礦漿管道1流向與礦漿管道1外壁連接，且相鄰壓力傳感器間距相等，一號流量傳感器5設於礦漿管道1起始端，二號流量傳感器6設於礦漿管道1末端，數據處理器7分別與壓力傳感器、一號流量傳感器5、二號流量傳感器6和報警器8連接。
使用時，一號流量傳感器、二號流量傳感器和壓力傳感器採集統計正常輸送時的，礦漿管道的管壓與礦漿流速，獲得初始的管壓數據與礦漿流速數據，當發生洩漏時，洩漏點壓力突然降低所產生的負壓力波將沿管道向兩端傳播，瞬時傳播速度是介質粘度、密度、管道管徑、彈性模量的函數。當該負壓波傳遞到管道中時，引起洩漏點上遊壓力傳感器和洩漏點下遊壓力傳感器壓力降低以及流量變化。
通過數據傳輸將壓力和流量信號實時傳輸到數據處理器中，實現動態監測。洩漏位置不同，兩個站響應的時間差也不同，根據管道長度、壓力傳播速度等，並通過查閱相應管道工況參數及被輸介質的理化性質和溫度衰減等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進行必要的補償和修正，即可計算出相應洩漏位置。
實施例2
基於實施例1，兩個以上壓力傳感器、一號流量傳感器5、二號流量傳感器6和報警器8通過無線方式與數據處理器7連接。
實施例3
礦漿管道洩漏定位報警方法，包括以下步驟：
通過一號流量傳感器5、二號流量傳感器6和壓力傳感器統計礦漿管道1正常輸送時，壓力傳感器壓力讀數、一號流量傳感器5流速和二號流量傳感器6流速。
礦漿管道1中壓力波傳播速度a由以下公式計算得：
其中，a為礦漿管道1中壓力波傳播速度，單位為m/s；k為礦漿的體積彈性係數，單位為pa；ρ為礦漿的平均密度，單位為kg/m3；e為礦漿管道1的彈性，單位為pa；d為管道的直徑，單位為m；e為管壁厚度，單位為m；c1為管道約束條件修正係數。
採集上遊壓力傳感器3在礦漿管道1洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖，通過db小波對信號圖進行重構，確定上遊壓力傳感器3產生壓力變化時間t1，採集下遊壓力傳感器4在礦漿管道1洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖，通過db小波對信號圖進行重構，確定下遊壓力傳感器4產生壓力變化時間t2，通過|t1-t2|得出上遊壓力傳感器3與下遊壓力傳感器4接收壓力波的時間差δt。
先將上遊壓力傳感器3在礦漿管道1洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行低頻重構，再將上遊壓力傳感器3在礦漿管道1洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行高頻分解，對比低頻重構和高頻分解圖，得出管道發生洩漏後上遊壓力傳感器3採集到洩漏點2壓力波，導致壓力變化時間t1。
先將下遊壓力傳感器4在礦漿管道1洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行低頻重構，再將下遊壓力傳感器4在礦漿管道1洩漏期間壓力隨著時間變化的信號圖通過db小波進行高頻分解，對比低頻重構和高頻分解圖，得出管道發生洩漏後下遊壓力傳感器4採集到洩漏點2壓力波，導致壓力變化時間t2。
洩漏點2與上遊壓力傳感器3的距離x由以下公式計算得：
其中a為礦漿壓力波在礦漿管道1中壓力波傳播速度、δt為上遊壓力傳感器3與下遊壓力傳感器4接收壓力波的時間差，l為上遊壓力傳感器3與下遊壓力傳感器4間距，x為洩漏點2與上遊壓力傳感器3的距離。
從而計算出洩漏點2距離上遊壓力傳感器3的距離。
實施例4
如圖2至4所示，國內某礦漿管道於2015年實施礦漿管道洩漏應急演練，該礦漿管道內徑d為224.5mm，礦漿密度ρ為2121kg/m3，管道材質彈性模量e為2.07*10^11pa,管道壁厚e為10mm,上遊傳感器與下遊傳感器距離l為47公裡，洩漏點設定在距管道上遊泵站35.2公裡處，以上方法理論計算洩漏點，經實驗測得輸送礦漿的體積彈性模量為27*10^7pa。
通過理論計算測得負壓波速約為992m/s，將上遊壓力傳感器採集到壓力隨時間變化信號圖導出製得圖3，當管道發生洩漏時，壓力信號由於受到現場的各種幹擾，使其完全淹沒在噪聲之中，很難看出壓力信號波形的原始走勢，更難以確定時間拐點的具體位置，進而確定不出壓力信號波形突降的時刻，無法進行洩漏點定位。
利用小波分析的方法對壓力信號進行消噪、重構以及細節信息的還原來確定拐點的具體位置。採用db小波對圖2進行低頻段5個層次的重構得到圖3，可以看出信號在分解到第5層,即a5已經較為明顯的還原出了壓力信號波形的原始走勢，並在第3100ms採樣點左右出現了壓力降，意味著管道發生洩漏。但低頻段重構出的近似信號很容易丟失信號原有的細節信息，因此還需對信號進行高頻段的重構來更加精確的提取出信號的細節信息。
採用db小波對圖2進行高頻段7個層次的分解得到圖4，圖4中d1—d7反映了信號在高頻段的細節特徵,當壓力信號波形被分解到第7層,即d7時,可以明顯看出壓力信號在第3200ms,採樣處發生了尖峰突變,再結合圖3中a1—a5的低頻重構信號，確定出壓力信號在第3200ms,採樣點處產生壓力降，即管道發生洩漏。後將第3200ms,採樣點處所對應的具體時間記為t1,即可得到首端壓力傳感器接收到洩漏信息的具體時間,同理根據末端壓力傳感器的壓力信號波形分析計算出t2,即可得到時間差δt。
最終得出時間差δt為23.16秒，利用礦漿管道洩漏定位公式理論計算得到洩漏點距上遊壓力傳感器距離為34.97公裡，理論計算值與實施演練時礦漿洩漏點位置偏差0.23公裡。極大提高管道洩漏定位報警準確性。