浅析长距离越野矿浆管道的泄漏检测定位系统

徐鹏魁

(攀钢集团矿业有限公司白马选矿厂，四川攀枝花617000)

浅析长距离越野矿浆管道的泄漏检测定位系统

徐鹏魁

(攀钢集团矿业有限公司白马选矿厂，四川攀枝花617000)

为实现对长距离越野矿浆输送管道的泄漏进行检测并定位，阐述了国内外矿浆输送管道泄漏检测定位方法及其应用现状，重点研究了负压波泄漏检测与定位算法在实际中的应用。尤其对负压波定位公式中需要的首站、压力监测站及尾站压力拐点的时间差，即各站压力下降的拐点寻找进行了比较深入的研究与分析。在此基础上设计了一套基于SCADA系统的泄漏检测系统，给出了系统的总体组成结构、各部分功能及数据处理原理。

矿浆管道;泄漏检测;负压波;定位系统

0 引言

长距离越野矿浆输送管道泄漏检测技术是当今矿山、冶金领域科研工作者研究的热门课题。由于长距离越野矿浆输送管道运行压力较大(一般15～30 MPa较为常见)，管道越野穿越区域地理环境复杂，而腐蚀、地质灾害及人为等因素极易引起管道泄漏事故的发生，管道一旦泄漏，将会给矿浆输送管道安全运行带来很大隐患。因此，有必要研制出一种快速、有效、实用的管道泄漏检测系统，以克服传统的人工管道巡检存在的各种弊端;防止由于矿浆管道泄漏造成的人员伤亡及设备事故;避免环境污染，保护管道穿越区域的生态平衡。这就要求矿浆输送管道泄漏监测系统具有以下几个基本特性[1]:泄漏监测的灵敏性、实时性、定位的准确性。

随着管道泄漏检测技术的不断发展，近年来，泄漏检测方法从简单的人工分段沿着管线巡视到较为复杂的人工智能监测方法，以解决管道泄漏的及时报警及准确定位。通常用于泄漏检测的方法可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法就是根据泄漏的介质进行检测，如根据矿浆泄漏时所露出的地表痕迹等进行检测;间接检测法就是根据泄漏引起的管道压力、流量等输送条件的变化进行检测。国内外主要应用的间接泄漏检测方法有压力分布法、压力点法(PPA)、负压波法、声波法等 。对于这些检测方法，都各有优缺点。该文主要介绍负压波法在长距离越野矿浆输送管道泄漏检测系统中的应用。

1 泄漏检测定位方法原理

该文以负压波法为理论基础[2]，该方法是基于信号处理的方法，不需要建立管线的过程数学模型，利用信号模型，采用相关函数、频谱分析等方法，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等模型特征，从而检测故障发生并定位。由于我国多数长输矿浆管线不在中间压力监测站设立流量计，所以目前主要采用压力信号进行泄漏检测。

1.1 负压波法理论分析

负压波定位技术具有很快的响应速度和较高的定位精度，可迅速检测出突发性的泄漏，自动化程度高，且定位原理简单、适用性较强。但对于比较小的泄漏或已经发生的泄漏效果不明显。而长距离越野矿浆输送管道运行压力较大，其泄漏特点是较小的泄漏持续时间短，泄漏量会在瞬间增大，属于突发性事故，符合负压波传输的特点。其传播规律与管道的声音、水击波相同，速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性。负压波泄漏检测定位原理图见图1。

图1 泄漏检测原理Fig.1 Leak Detecting Principle

设置在泄漏点两端的压力监测站或泵站的数据采集系统拾取压力波信号，并将采集的压力信号经初步处理后可分成两类:压力正常数据和压力异常数据，并发送到中控室控制系统进行分析处理，根据压力波的幅值变化梯度的大小和上下游检测到的拐点时间差就可确定是否泄漏及泄漏位置。

图1管道长度为L，泄漏点为C。泄漏点C产生的压力波突变传到首站A点的时刻设为tA，传到压力监测站B点的时刻为tB，当管道的长度和输送的介质己知，在理想的情况下，忽略介质的粘度、温度、流动状态等因素的影响，设压力波在油中的传播速度为v，全程突变波传播时间为tL，则有:

设t为tA与tB的时间差，t可正可负，则有:

由式(1)、式(3)推导得到:

则泄漏点C与首站A点的距离可由下式求得

1.2 负压波突变时刻的捕捉算法设计

由于工业现场的电磁干扰、泵站设备的振动等因素的影响，实际采集到的负压波序列附着大量的噪声。尤其进站的压力较低时，噪声影响更明显。如何在大量的噪声中提取有用信号，人们提出了很多方法。如小波变换技术、压力梯度法、捕捉最大斜率微分算法、自适应滤波法、模糊神经网络方法、极性相关技术、贝叶斯法、中值滤波法及数理统计法等。该文采用数理统计法。

定位公式中泄漏点的位置与管长L、压力波传播整条管道时间tL及压力波从泄漏点传播到相邻两站(以首站和压力监测站为例)的时间差t有关。其中管长L可事先测定。在介质状态稳定的情况下，可忽略介质的粘度、温度、流速对压力波向相邻两站两个方向传播速度的影响。所以tL可事先进行测量，在定位算法中可直接作为常量，也可根据介质状态情况进行实时测定。因此定位公式中时间差t就成为一个关键参数。那么如何捕捉相邻两个站点的压力突变时刻就变得异常关键了。解决该问题的办法是:对首站、压力监测站及尾站的SCADA系统定期进行校时，即时间基准要一致。在时间基准一致的前提下，求两站点的压力突变时刻。相邻两站压力下降曲线与压力突变时刻见图2。

图2 管道压力P下降曲线Fig.2 Curve of Pipeline Pressure Drop

对压力波突变的捕捉算法由SCADA系统完成。该文采用了时间值直接逆推法。时间值直接逆推方法的基本思想为:在管道没有泄漏情况发生，也没有切换阀门或者调整主泵出口压力的情况下，管道压力总会以某一数值为中间值上下波动，定义此值为基准值PRef，上下波动的范围称之为△1，只要压力波动不超过这个阈值范围，即︱P—PRef︱≤△1，即认为压力趋于稳定。

一旦泄漏发生，在泄漏点将产生一个瞬时负压波，而且该负压波以很快的速度向管道两端传播。SCADA系统将能捕捉到该负压波信号，具体体现为管道压力呈现下降的趋势见图2。

从首站中心控制室监测的角度来看，如果在一定的时间范围内，管道的压力监测站和首站先后都检测到压力向下波动的幅度有超过阈值△2的趋势，即︱P—PRef︱≥△2，则初步认为发生了泄漏。

获得压力下降到关键点(压力下降点2)时刻的时间，己知采样间隔及基准值，首站、压力检测站和尾站各自从捕捉到的压力突变时刻2起倒推，直到满足压力值P不小于基准值PRef为止，此时上升到突变之前的稳态基准值的第一个压力值即为要找的压力突变拐点[4]。该点即为推导出来的实际压力突变拐点。统计其间的压力数据的个数，便能推导出:实际压力突变时刻=捕捉到的压力时刻－所统计的压力个数×采样间隔(单位精确到ms)。若首、尾两站分别倒推的实际压力突变时刻为t和tB，则可求得负压波传播到管道首末两端的时间差t，将所得的时间差带入定位公式(5)，便能对泄漏点进行定位。

2 长距离越野矿浆输送管道泄漏检测系统的组成及原理

2.1 系统总体组成结构

图3 系统组成结构Fig.3 System Assembly Structure

系统的总体结构框图见图3。系统总体结构由泄漏检测定位上位终端和SCADA系统两部分组成。SCADA系统由首、尾站HMI，首、尾站和压力检测站PLC控制系统以及安装在管道上的压力变送器等现场仪表组成。当管线上的某点发生泄漏时，其压力信号会随之产生相应的变化，泄漏检测定位上位终端上的监测软件对采集上来的压力信号以曲线的形式进行实时显示，并根据矿浆输送管道首、尾站和压力监测站的压力采集信号，以负压波方法为理论基础，对矿浆输送管道中所出现的泄漏及时进行判断，并确定泄漏点位置。

2.2 SCADA系统的功能

SCADA系统采用基于PLC的工业控制系统作为数据采集系统的控制核，基于工控机的HMI为人机操作界面。各PLC控制系统与人机操作界面和泄漏检测定位上位终端之间的数据通讯采用工业以太网通讯方式。

安装于矿浆输送管道的压力变送器将实时采集到的管道压力以4～20 mA信号的方式传送至各个站点的PLC控制系统，通过PLC将数据分为压力正常数据和压力异常数据以进行泄漏初步判断，同时实现对主要设备的连锁和许可等逻辑控制，PLC控制系统与HMI及泄漏检测定位上位终端通过工业以太网交换机采用工业以太网的通讯方式实现数据通讯，以保证泄漏检测定位上位终端可实时采集到矿浆管道的连续压力值。

2.3 泄漏检测定位系统数据处理原理

泄漏检测定位系统上位机与SCADA系统的以太网通信建立成功以后，开始周期扫描采集数据。数据处理流程见图4。该周期首先从计算出压力基准值PRef开始，压力基准值PRef的大小由首站主泵的运行转速、输送介质(介质为水和矿浆时均有所差异)、尾站阀门站阀门的使用状态等因素有关，因此需要根据不同工况条件计算出不同工况条件下对应的压力基准值PRef。再采用统计判别和手动设定阈值相结合的方式求出数据采集系统所需要△1和△2。

如果管道没有发生泄漏，也没有对主泵启停操作、阀门切换等因素存在的情况下，压力值会以某一数值为中心上下波动，在一定范围内变化。当数据向上或向下波动并大于该范围时，则认为可能有主泵调速或其它因素发生，导致了压力值总体上调或下调。SCADA系统将根据其它工艺参数判断是否工况变化，进而重新确定该工况下对应的压力基准值PRef。如果数据有下降的趋势，需判断是否下降到P2，即是否︱P－PRef︱≥△2。如果是，则基本判断为管道发生泄漏，系统提取数据，进而计算泄漏点的位置;如果数据虽有下降，但是下降的量不到P2，则数据属于正常波动。

图4 数据处理流程Fig.4 Data Treatment Technological Process

2.4 泄漏检测定位系统上位机的功能

主要用来实现整个管道输送系统的运行监控，用户通过它对管道线路上各个压力变送器上传上来的压力数据，进行实时显示，同时通过对压力数据的实时计算与分析，监控矿浆输送管道是否发生泄漏，一旦检测到发生泄漏，立即报警，并指示出发生泄漏的时间与地点。

3 结语

在管道泄漏众多的检测方法中，基于负压波管道泄漏检测方法只需对管道两端的压力信号进行检测，不需构建数学模型，具有实现简单、检测精度高等特点。但它要求泄漏是快速的、突发性的。如果管道泄漏的速度很慢、没有明显的负压波出现，

则此方法失效。而长距离越野矿浆管道输送系统恰恰具有运行压力高，管道泄漏速度快，有明显负压波出现的特点。所以非常适合采用基于负压波理论的泄漏检测及定位系统。

[1]坤.自来水管道泄漏相关检测定位系统研究[J].仪器仪表学报，2006，25(4):241－244.

[2]喻彬，孙士平.基于相关检测的漏点定位系统设计[J].国外电子测量技术，2006，25(10):27－29.

[3]吴晓琴.相关分析在泄漏检测技术中的应用[J].仪器仪表用户，2004(2):32－33.

[4]徐洁.管道相关检测仪性能优化方法的研究[J].管道技术与设备，2003(6):37－38.

[5]韩建.相关分析法在输油管道泄漏检测和定位中的应用研究[J].核电子学与探测技术，2007(1):154－156.

Analysis on Positioning System of Slurry Pipeline Leak Detection for Long Distance Transportation

XU Peng－kui
(Baima Concentrating Plant of Pangang Group Mining Co.Ltd，Panzhihua，Sichuan 617000，China)

For sake of detecting on pipeline leak for long－distance slurry transportation and positioning，the leak detecting and locating methods for slurry pipeline at home and abroad and its application situation were briefly analyzed.Research highlight on practical application of negative pressure wave leak detection and positioning algorithm was given.Especially in－deep investigation and analysis on time difference of pressure inflection point at first station，pressure monitoring station and end station required in negative pressure wave positioning formula，that is inflection point finding of pressure drop at each station，were carried out.On that basis，one set of leak detection system based on SCADA system was designed.Main assembly structure of the system，function of all parts and data treatment principle were provided.

slurry pipeline;leak detection;negative pressure wave;positioning system

TD679

A

1004－2660(2012)01－0051－04

2012－02－05.

徐鹏魁(1983－)，男，陕西人，助理工程师.主要研究方向:工业自动控制.