流體輸送管道洩露智能故障診斷與定位的方法與裝置的製作方法

2023-04-29 05:42:46 4

專利名稱：流體輸送管道洩露智能故障診斷與定位的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於故障診斷技術領域，特別涉及一種用於對流體輸送管道洩漏進行檢測定位的方法及裝置。
本發明的裝置由壓力(P)、流量(F)、溫度(T)檢測的儀表、下位機、上位機和區域網及GPS全球定位校時系統組成。在首末兩站安裝了壓力(P)、流量(F)、溫度(T)檢測的儀表，通過兩個站的下位機定時採集信號，通過區域網傳送到本站的上位機，首末兩站上位機之間通過高速無線通信網絡交換實時數據。兩個站將接收到的數據分別實時分析處理，進行工況分析及報警提示。下位機由濾波板、A/D轉換器、計數板(I/O板)、嵌入式微機和GPS接收板組成。下位機將實時數據通過網絡傳至上位機。上位機以WindowsNT為操作平臺，包括實時顯示、歷史查詢、數據存儲、報警處理等功能。
現場的壓力、溫度信號通過傳感器，以4-20mA的標準信號傳送到下位機的A/D轉換器，流量脈衝信號傳入到下位機的計數器，通過A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號，存儲為本地數據文件並傳送到首站的資料庫中，以備分析。本發明裝置各部分功能如下1)現場信號傳感變送部分主要是由高性能壓力傳感器和溫度傳感器，磁電式脈衝型流量計組成，負責將管線中的運行參數採集並傳送；2)信號轉換電路A/D信號轉換功能由A/D轉換板完成，A/D轉換板為24路每路12位A/D轉換器，轉換時間10μs，採集速率高達50次/秒以上；3)下位機高可靠性的工業控制計算機，可以進行較大數據量的處理，它是系統軟體完成各項功能的基礎；4)上位機收集本地下位機上傳的數據，互傳異地上位機收集的數據，分析工況；5)高速無線通信網高速無線乙太網，微波傳輸；6)GPS全球定位校時系統由一套衛星天線和GPS智慧卡組成，可以準確無誤地將多個數據採集系統的系統時鐘同步起來，確保三點的數據採集為同一時間。
本發明是用智能傳感器把壓力、溫度、流量信號送給濾波板電路濾波後，通過A/D轉換板和計數板以中斷方式採集數據傳到上位機進行處理、分析和曲線的顯示。然後把兩個上位機處理後的數據通過微波網互傳到對方工作站進行診斷和定位。
本系統的軟體運行環境為NT SERVER或NT WORKSTATION系統。軟體部分主要包括數據採集與處理、網絡傳輸、界面顯示、報警處理、資料庫管理、數據分析等。
1)數據採集系統將經過硬體轉換電路轉換以後的數位訊號採到軟體模塊裡；2)網絡傳輸各子站數據通過網絡傳送到主站的計算機中；3)界面顯示將採集到的壓力、流量溫度信號顯示成實時曲線；4)數據分析分析最近一段時間的數據，通過輸差曲線和負壓波曲線相結合，判斷系統是否正常工作；5)報警處理接到數據分析的報警標誌以後，對本次的報警數據進行排序、存檔，自動記錄洩漏時的曲線特性，以區別站內卸油、站內倒閥門調排量時的曲線特性，逐步形成一個逼近真正洩漏曲線的資料庫。普通情況的數據只需存儲一定的時間(時間可以由用戶自己設定)即可。並且可以提供聲光報警，系統會彈出相應的報警畫面、顯示報警數據，並列印報警曲線，以此來提示值班工人。
6)系統功能設定模塊為用戶提供一個CGI接口，完成一些可以由用戶設定的功能，如曲線量程、時間範圍、曲線標識、列印等；用戶可以進行報警數據列表查詢，對報警時的壓力、流量、輸差歷史曲線進行回顧、列印等操作。
本發明的方法包括檢漏和定位兩個方面。檢漏，採用輸差—壓力波耦合的方法，通過計算機實時計量管線兩端的流量並計算出輸差，對輸差瞬間變化趨勢進行分析，利用產生洩漏這一段時間內的輸差曲線計算出漏失量。定位，採用瞬態壓力波定位方法，計算出洩漏點的位置。利用GPS技術確保首末端下位採樣計算機的時鐘相同和首末端數據採集同步；利用小波變換，從噪聲當中準確地提取出洩漏壓力波信號序列的對應特徵點，精確獲得洩漏引發的壓力波傳播到上下遊傳感器的時間差。管內壓力波的傳播速度，採用模糊-神經網絡技術對波速公式進行在線修正，建立工況知識庫和波速估計模型，實時計算波速。用瞬態壓力波定位方法和輸差檢漏法相耦合的辦法進行分析。有效地降低了誤報率，提高了系統的準確性。
輸差檢漏法主要是根據油氣儲運理論中管線的輸入量之和等於管線的輸出量之和的原理。但實際上，進出口瞬時流量一般是不平衡的，原因在於流體的可壓縮性、溫度影響、流量計計量誤差等多種因素。在正常情況下，這幾方面所導致的輸差是比較穩定的。如果出現輸差的較大上升，輸差的穩定狀態就被破壞，就可大致斷定管線有異常情況發生。通過計算機實時計量管線兩端的流量並計算出輸差，對輸差瞬間變化趨勢進行分析，就可以發現異常的流量損失。但由於現場工藝操作，如調閥，加壓等過程中經常會導致輸差上升，其現象與洩漏相似，因此，單純採用輸差檢漏法會導致頻繁的誤報警。為了提高系統報警的可靠性，我們結合壓力波監測方法，提高了系統報警的準確性。此外，還可以對產生洩漏這一段時間內的輸差曲線計算出漏失量。當管道發生洩漏時，洩漏點處由於管道內外的壓差，流體迅速流失，壓力下降。洩漏點兩邊的流體由於存在壓差而向洩漏點處補充，這一過程依次向上下遊傳遞，相當於洩漏點處產生了以一定速度傳播的負壓力波(減壓波)。當負壓力波傳遞到首末兩站時，產生壓力傳感器採樣值的下降，壓力採樣值開始下降的時刻，稱為壓力拐點產生的時刻，該點稱為壓力拐點。例如壓力波在原油中傳播的速度一般為1000~1200米/秒左右，只要管道兩端的壓力傳感器準確地捕捉到包含洩漏信息的負壓波，就可以監測出洩漏，並能夠根據負壓波傳播到兩端的時間差和壓力波的傳播速度進行定位。該方法具有很快的響應速度和較高的定位精度。定位公式為X=L-V*t2]]>其中X-洩漏點距起始端的距離，m；L-管線全長，m；Δt-壓力曲線拐點的時間差，s；V-壓力波波速，m/s；這類方法都是基於管輸介質中壓力波的傳播速度V為定值這一前提作出的，V決定於管壁的彈性和液體的壓縮性，國外針對熱輸流體管道的研究較少，國內的研究也均忽略了V的變化。事實上隨著管道中流體溫度的變化，密度和液體的壓縮性也會有所變化，V並不是一個定值。應用上式作定位計算會帶來一定的誤差。管內壓力波的傳播速度決定於液體的彈性、液體的密度和管材的彈性V=K/1+[(K/E)(D/e)]C1]]>式中V-管內壓力波的傳播速度，rn/s；K-液體的體積彈性係數，Pa；ρ-液體的密度，kg/m3；E-管材的彈性，Pa；D-管道直徑，m；E-管壁厚度，m；C1-與管道約束條件有關的修正係數；液體的體積彈性係數為其壓縮係數的倒數，隨品種、溫度、壓力的不同而不同。例如我國大多原油具有高含蠟、高粘度、高凝點的特點，需要加熱輸送。由於管道傳輸距離長，散熱明顯，首末端溫差較大，一般能達到幾十攝氏度，末端有時接近凝點，原有的物性隨溫度會有較大不同。公式中體積彈性係數K和密度ρ都是隨原油溫度變化而變化的，重寫公式如下v=K(t)/(t)1+[(K(t)/E)(D/e)]C1]]>上述公式描述了波速和溫度密度以及管道特徵之間的關係，但其中大部分參數都很難準確獲得，在實際使用時需要根據現場情況進行調整。本發明採用模糊-神經網絡技術對波速公式進行在線修正，建立工況知識庫和波速估計模型，實時計算波速。
(a)精確獲得洩漏引發的壓力波傳播到上下遊傳感器的時間差，需要準確地捕捉到洩漏壓力波信號序列的對應特徵點。而由於不可避免的工業現場的電磁幹擾、輸油泵的振動等因素，採集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從噪聲當中準確地提取出信號的特徵點是定位的關鍵。我們針對具體管道採樣信號的特點，利用小波變換及反變換處理被噪聲汙染的採樣信，不僅對原始信號做了有效的濾波，而且穩定地提取了壓力波的下降拐點，適用於各個站信號。
小波分析是近20年來非常活躍的一種信號處理方法。它能夠在時間—頻率域聯合分析信號的特徵，具有對噪聲不敏感、能分析信號的任意細節等特點，被譽為「數學的顯微鏡」。
因為高頻信號通過的時間短，而低頻信號通過的時間長，所以物理上我們希望信號處理的結果在高頻具有高的時間解析度和低的頻率解析度，在低頻具有低的時間解析度和高的頻率解析度。我們注意到尺度函數在時域中壓縮信號時，其中心頻率和帶寬增加；而信號持續時間越長，頻帶越窄，這正好符合我們的要求，由此我們選擇平移的尺度函數(t-ba)]]>作為展開理論中的基函數，這樣的展開則稱為小波變換。Ψ(t)叫做基本小波，a為尺度因子，b為時移。連續小波變換(CWT)的定義為CWT(a,b)=1|a|s(t)*(t-ba)dt]]>小波變換的特點是品質因數為常數，Q=20]]>，而且對實信號s(t)，只要Ψ(t)是實函數，小波係數也必為實數。為了能在計算機中實現小波變換的計算，必須處理離散的信號和小波。
(b)用壓力波拐點捕捉法計算洩漏點，如果兩端計算機有時差就談不上精確定位。對於兩點系統，可以定義其中一端的計算機為主機，每天通過通訊鏈路定時向另一端的從機發送時間信息。我們可以編寫了自動修改從機的系統時間的程序，能夠使管道兩端計算機有精確一致的時鐘，精度達到ms級。但系統點數較多的時候，就需要有一個統一的時間基準，各個站都向這個統一的時間基準看齊。成型的GPS技術可以解決這個問題，精度高，設備簡單，經濟可靠。
全球衛星定位系統(global positioning system，縮寫為GPS)是美國政府建立的以軍事目的為主的無線電定位系統，由空間部分、地球站和用戶設備組成。空間部分有21顆工作衛星和3顆備用衛星，工作衛星分布於6個軌道平面上，每個軌道上4顆衛星。任一時間任一點GPS接收機可以同時收到4顆衛星的信息，連續得到動態目標的三維位置、三維速度和時間。目前，空間技術、信號處理、信號最佳接收、精密時鐘等技術可使測時精度達幾十納秒。自1992年美國GPS全面投入運行以後，GPS時鐘廣泛應用於電網運行調度、雷電時差定位、輸電線故障定位、電網狀態監測、繼電器保護等等工業控制中。
該發明可以有效及時發現管線洩漏、盜竊現象，避免國家財產蒙受損失和水、氣資源的巨大浪費、避免因為洩漏和偷盜造成環境汙染；可以對管線進行實時監控，隨時掌握壓力、溫度、流量，避免造成管線超壓或排量過低等現象、避免安全生產事故、經過一些具體的修改可以適用於輸送不同流體介質管道的洩漏監測，例如城市供水主幹管網、排汙主幹管網、天然氣(煤氣)主幹管網等，在大部分流體輸送管道的洩漏檢測和定位方面都具有廣闊的應用前景。
本項發明(流體管道洩漏智能故障診斷與定位的方法與裝置)和同類定位系統相比較具有定位精度高、反應速率快、完全消除漏報誤報現象。達到的技術指標有如下幾點1.可測量單段管線最大長度50千米2.洩漏點定位誤差小於被監控管線全長的2％；洩漏監測靈敏度大於管道輸量2％的洩漏量可報警。
3.報警準確率準確率100％，無漏報誤報現象；報警反應時間小於55秒。
4.可估算洩漏量誤差小於實際洩漏量的2％左右。
5.流動監測儀，可以進一步提高定位精度。
6.具有良好的人機界面，可在管道地圖上顯示洩漏點的位置；可長期存儲管道的運行數據，自動生成報表，並可隨時查詢列印。
7.可方便地擴展其他監測功能，可大範圍聯網使用。該系統的研製成功與推廣應用將具有巨大的社會、經濟效益1.「流體輸送管道洩漏監測系統」只要經過一些具體的修改就可以適用於輸送不同流體介質管道的洩漏監測，例如城市供水主幹管網、排汙主幹管網、天然氣(煤氣)主幹管網等，在流體輸送管道的洩漏檢測和定位方面都具有廣闊的應用前景。
2.將有效並及時的發現管線洩漏、盜竊現象，避免國家財產蒙受損失和石油、水、氣等資源的巨大浪費。
3.可以對流體輸送管線進行實時監控，隨時掌握壓力、溫度、流量，避免造成管線超壓或排量過低等非正常運行現象，避免安全生產事故。
4.將實現管線的自動檢測，有效提高科學管理水平、降低人工巡線勞動強度，具有良好的社會效益。
5.系統一次投資，短期內即可收回成本，而且長期收益。
參閱圖2，該裝置將首站或末站管道中流體的壓力、溫度、流量分別通過相應的壓力、流量、溫度檢測儀錶轉換成標準的電信號(壓力、溫度為4～20mA電流信號，流量是脈衝信號)。下位機由濾波板、A/D轉換器、計數板(I/O板)、嵌入式微機和GPS接收板組成。4～20mA標準電流信號經濾波板濾波後，送入A/D轉換器，變成數位訊號。流量脈衝信號經濾波板隔離整形後，送到計數板(I/O板)中。嵌入式微機在GPS定時同步脈衝的驅動下，定時從A/D轉換器、計數板(I/O板)中讀取數據，並通過10M乙太網傳到該站上位機。首末兩站上位機，接到下位機的數據後，經過處理，通過高速無線通信接口與無線通訊線路相接，實現數據交互。上位機軟體運行環境為NT server和NT wokstation系統。下位機運行環境為DOS系統。參閱圖3軟體主要由數據採集，網絡傳輸、界面顯示、數據分析、報警處理和系統功能設定組成。
數據採集將經過硬體轉換電路轉換以後的數位訊號採到軟體模塊裡，網絡傳輸將各子站數據通過網絡傳輸到各站的計算機中；界面顯示將採集到的壓力、流量溫度信號顯示成實時曲線；數據分析，分析最近工作；報警處理，接到數據分析的報警標誌以後，對本次的報警數據進行排序、存檔、自動記錄洩漏時的曲線特徵，以區別站內卸油、站內倒閥門調排量時的曲線特性。並可提供聲光報警、列印報警曲線等功能；系統功能設定為用戶提供一個CGI接口，完成一些用戶設定的功能。
權利要求
1.一種流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位的方法，其特徵在於該方法包括檢漏和定位兩個方面，檢漏，採用輸差—壓力波耦合的方法，通過計算機實時計量管線兩端的流量並計算出輸差，對輸差瞬間變化趨勢進行分析，對產生洩漏這一段時間內的輸差曲線進行計算出漏失量；定位，採用瞬態壓力波定位方法，計算出洩漏點的位置。
2.根據權利要求1所述的流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位的方法，其特徵在於所說的瞬態壓力波定位方法中管內壓力波傳播速度的計算，採用模糊-神經網絡技術對波速公式進行在線修正，建立工況知識庫和波速估計模型，實時計算波速，波速公式如下v=K(t)/(t)1+[(K(t)/E)(D/e)]C1.]]>
3.根據權利要求1所述的流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位的方法，其特徵在於所說的瞬態壓力波定位方法中用小波分析信號處理方法，準確地提取洩漏壓力波信號序列的對應特徵點，精確獲得洩漏引發的壓力波傳播到上下遊傳感器的時間差。
4.根據權利要求1所述的流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位的方法，其特徵在於所說的瞬態壓力波定位方法中利用GPS技術確保首末端下位採樣計算機的時鐘相同和首末端數據採集同步。
5.一種實施權利要求1所述方法的流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位裝置，由壓力、流量、溫度檢測的儀表、下位機、上位機、和高速無線通信網及GPS全球定位校時系統組成，現場信號傳感器變送部分負責將管線中的運行參數採集並傳送；兩個站的下位機定時採集信號，通過區域網傳送到本站的上位機，首末兩站上位機之間通過高速無線通信網絡交換實時數據，兩個站將接收到的數據分別實時分析處理，進行工況分析及報警提示。
6.一種實施權利要求1所述方法的流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位裝置，下位機由濾波板、A/D轉換器、計數板(I/O板)、嵌入式微機和GPS接收板組成。
全文摘要
一種流體輸送管道洩漏智能故障診斷與定位的方法與裝置，屬於故障診斷技術領域，採用的方法包括檢漏和定位兩個方面，檢漏採用輸差—壓力波耦合的方法；定位，採用瞬態壓力波定位方法，計算出洩漏點的位置，其裝置是在首末兩站安裝了壓力、流量、溫度檢測的儀表，通過兩個站的下位機定時採集信號，由區域網傳送到本站的上位機，首末兩站上位機之間通過高速無線通信網絡交換實時數據，並配以GPS全球定位校時系統，兩個站將接收到的數據分別實時分析處理，進行工況分析及報警提示。
文檔編號G01D21/02GK1435678SQ0213252
公開日2003年8月13日 申請日期2002年7月4日 優先權日2002年7月4日
發明者張化光, 於錫純, 馮健, 黎明 申請人:東北大學