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油气管道堵塞检测及定位技术研究

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油气 管道 堵塞 检测 定位 技术研究
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第 41卷   第 1期2009年 1月  哈   尔   滨   工   业   大   学   学   报F N F 2009油 气 管 道 堵 塞 检 测 及 定 位 技 术 研 究刘 恩 斌 1 , 李 长 俊 1 , 刘 晓 东 2 , 彭 善 碧 1(1. 西 南 石 油 大 学 , 成 都 610500, 63. 2. 新 疆 时 代 石 油 工 程 有 限 公 司 , 新 疆 克 拉 玛 依 834000)摘   要 : 针 对 油 气 输 送 管 道 中 的 堵 塞 现 象 ,提 出 利 用 管 道 堵 塞 前 后 两 端 压 差 的 剧 烈 变 化 ,以 及 利 用 管 道 两 端压 力 的 模 拟 值 与 实 际 测 量 值 的 差 异 来 检 测 管 道 的 堵 塞 ,提 出 通 过 检 测 管 道 水 力 坡 降 曲 线 奇 异 点 的 方 法 确 定油 气 管 道 的 堵 塞 位 置 的 原 理 和 方 法 ,通 过 采 集 管 道 两 端 运 行 参 数 ,并 建 立 管 道 运 行 的 数 学 模 型 ,对 管 道 实 施仿 真 ,获 得 整 条 管 线 的 水 力 坡 降 曲 线 ,再 应 用 小 波 变 换 对 管 道 的 水 力 坡 降 曲 线 进 行 奇 异 性 检 测 ,而 管 道 水 力坡 降 曲 线 的 奇 异 点 将 对 应 管 道 的 堵 塞 位 置 . 该 方 法 具 有 所 需 设 备 少 ,操 作 费 用 低 ,操 作 简 单 等 优 点 ,优 于 现 有管 道 堵 塞 位 置 确 定 方 法 词 : 管 道 堵 塞 ; 定 位 ; 检 测 ; 小 波 变 换中 图 分 类 号 : 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 0367 - 6234 (2009) 01 - 0204 - 03P U L I L . 10500, 63. . 34000, A im at in p a to p s of of p of p p of p A to of by of is of p by p by of by W of le so is p 日 期 : 2007 - 05 - 项 目 : 四 川 省 重 点 学 科 建 设 研 究 资 助 项 目 ( 作 者 简 介 : 刘 恩 斌 (1980— ) ,男 ,硕 士 ,讲 师 ;李 长 俊 (1963— ) ,男 ,教 授 ,博 士 生 导 师 年 来 ,对 于 管 道 堵 塞 位 置 的 检 测 技 术 主要 有 以 下 几 种 方 法 :钻 孔 法 、 敲 击 法 、 超 声 波 法 、 应力 应 变 测 试 法 . 这 些 方 法 需 将 管 道 开 挖 露 出 管 道 ,不 断 测 试 管 道 的 变 形 程 度 ,工 作 量 大 ,操 作 费 用高 . 如 格 拉 输 油 管 道 在 1982年 发 生 了 严 重 的 冻 堵事 故 ,采 用 钻 孔 法 寻 找 冻 堵 位 置 ,共 开 挖 深 坑 86个 ,钻 孔 77个 ,排 堵 时 间 长 达 5个 月 ,严 重 地 影 响了 输 油 任 务 的 完 成 [ 5 ] 提 出 了 一 种 基 于 仿 真 技 术 的 管 道 堵 塞 检测 及 定 位 的 方 法 . 该 方 法 通 过 采 集 管 道 两 端 的 运行 参 数 ,对 管 道 实 施 仿 真 ,获 得 整 条 管 线 的 水 力 坡降 曲 线 ,再 对 管 道 的 水 力 坡 降 曲 线 进 行 奇 异 性 检测 ,从 而 确 定 管 道 堵 塞 的 位 置 ,无 需 开 挖 管 线 ,能够 及 时 准 确 的 确 定 管 道 堵 塞 位 置 ,为 下 一 步 的 抢修 赢 得 时 间 ,有 着 广 阔 的 应 用 前 景 管 道 仿 真111  管 道 模 型介 质 在 管 道 中 的 流 动 可 视 为 一 元 流 动 ,由 于介 质 的 运 动 必 然 满 足 质 量 守 恒 、 动 量 守 恒 、 和 能 量守 恒 ,因 此 ,可 以 根 据 流 体 力 学 和 热 力 学 原 理 建 立介 质 流 动 的 连 续 性 方 程 (1)、 动 量 方 程 (2)和 能 量方 程 (3) ,这 些 方 程 描 述 了 流 体 的 压 力 、 温 度 、 流量 等 之 间 的 关 系 [ 2 ].        5 1ρ 5 5 0, (1)5 1ρ5 g λ2 V | = 0 , (2)d (CT) λ| V | 32d +4 ( T - = 0 .(3)式 中 : ρ 为 介 质 密 度 , kg/ 内 压 力 , θ为 管 道 与 水 平 面 间 的 倾 角 , 间 变 量 , s; 质 流 速 , m / s; 道 内 径 , m; D 为 管 道外 径 , m; 力 加 速 度 , m / 道 位 置 变量 , m; λ 为 管 道 水 力 摩 阻 系 数 模 型 的 求 解可 以 看 到 ,管 道 模 型 的 方 程 较 为 复 杂 ,求 解 非常 困 难 . 这 里 运 用 特 征 线 法 [ 2 ]对 方 程 (1) ~ (3)联立 求 解 得 到 三 组 特 征 方 程 :正 特 征 线 方 程 C+ + a, 1ρ g λ2 V | 0;(4)负 特 征 线 方 程 - a, 1ρ g λ2 V | 0;(5)温 度 特 征 线 方 程 V,d (CT) λ| V | 32d +4 ( T - = 0.(6)图 1  管 道 仿 真 特 征 线 法 示 意 图将 管 道 划 分 为 N 等 份 ,每 一 等 份 长 度 为 Δ x,取 仿 真 时 间 步 长 Δ t =Δ x / a. 将 以 上 三 组 特 征 方程 表 示 在 管 道 系 统 的 x - 上 ( 管 道 方向 , 仿 真 的 时 间 ) ,如 图 1所 示 ,用 节 点 1, 2, 3的 参 数 可 以 仿 真 计 算 出 节 点 4的 参 数 . 因 此 ,可 以通 过 采 集 管 道 两 端 的 压 力 、 温 度 、 流 量 参 数 作 为 边界 条 件 ,对 整 个 管 道 的 状 态 进 行 仿 真 ,从 而 得 到 管道 的 水 力 坡 降 曲 线 油 气 管 道 堵 塞 检 测 及 定 位 理 论 研 究211  油 气 管 道 的 堵 塞 检 测1) 方 法 1:依 据 管 道 堵 塞 前 后 管 道 两 端 压 差的 剧 烈 变 化 ,我 们 就 可 以 判 定 管 道 发 生 了 堵 塞 . 以天 然 气 输 送 管 道 为 例 ,如 图 2所 示 ,当 天 然 气 管 道处 于 正 常 运 行 状 态 时 ,管 道 全 线 的 水 力 坡 降 曲 线为 曲 线 1,当 距 离 管 道 起 点 发 生 冰 堵 后 ,堵 塞点 前 由 于 管 线 憋 压 ,压 力 上 升 ,流 速 变 缓 ,而 堵 塞点 后 的 管 段 由 于 失 去 部 分 能 量 供 给 压 力 下 降 ,气体 膨 胀 ,流 速 加 快 ,其 水 力 坡 降 曲 线 为 曲 线 2,当管 道 完 全 堵 塞 时 ,管 内 气 体 基 本 停 止 流 动 ,其 水 力坡 降 曲 线 为 曲 线 3. 可 以 看 到 , 当 管 道 正 常 运 行时 ,管 道 两 端 的 压 差 为 Δ 而 当 管 道 发 生 堵 塞时 ,管 线 两 端 一 头 憋 压 , 一 头 失 压 , 压 差 骤 增 为Δ 当 Δ Δ ε 时 判 断 管 道 发 生 了 堵 塞 ,ε为 给 定 的 检 测 门 限 值 . 众 多 的 管 道 堵 塞 事 故 表 明 ,该 方 法 切 实 可 行   管 道 水 力 坡 降 曲 线 图2) 方 法 2:如 图 3所 示 ,利 用 管 道 首 端 所 采 集 的参 数 对 管 道 实 施 从 首 端 到 末 端 的 逐 步 仿 真 [3 ] ,从 而模 拟 出 管 道 末 端 的 压 力 (如 曲 线 1) ,或 者 利 用 管 道 末端 所 采 集 的 参 数 对 管 道 实 施 从 末 端 到 首 端 的 逐 步 仿真 [3 ] ,从 而 模 拟 出 管 道 首 端 的 压 力 (如 曲 线 2) ,将 模拟 值 与 实 际 测 量 值 进 行 比 较 ,当 Δ 给 定的 门 限 值 ε 时 ,判 断 管 道 发 生 堵 塞 油 气 管 道 堵 塞 定 位 原 理油 气 管 道 堵 塞 将 导 致 管 道 的 运 行 参 数 发 生 变化 ,这 一 变 化 可 以 明 确 的 表 示 在 水 力 坡 降 曲 线 上 ,而 管 道 的 水 力 坡 降 曲 线 可 以 采 用 第 二 部 分 所 介 绍的 管 道 仿 真 技 术 模 拟 . 如 图 2所 示 ,当 管 道 处 于 平稳 运 行 状 态 时 ,其 水 力 坡 降 曲 线 1平 稳 光 滑 ,而 当管 道 部 分 堵 塞 乃 至 完 全 堵 塞 时 ,其 水 力 坡 降 曲 线在 堵 塞 点 将 发 生 剧 烈 变 化 ,也 就 是 出 现 了 突 变 奇异 点 . 因 此 ,我 们 可 以 通 过 检 测 管 道 水 力 坡 降 曲 线的 突 变 点 以 及 突 变 点 所 对 应 的 管 道 网 格 节 点 号 ,来 确 定 堵 塞 发 生 的 位 置 .·502·第 1期 刘 恩 斌 , 等 :油 气 管 道 堵 塞 检 测 及 定 位 技 术 研 究图 3  管 道 水 力 坡 降 曲 线 图将 管 道 水 力 坡 降 曲 线 表 示 为 函 数 f ( t) ,采 用小 波 变 换 识 别 水 力 坡 降 曲 线 的 突 变 信 号 . 小 波 变换 法 是 一 种 在 时 频 两 域 均 具 有 良 好 局 部 特 性 的 信号 处 理 方 法 . 卷 积 型 小 波 变 换 的 定 义 为 [ 4 ]W Ta f ( t) = f ( t) 3ψ a ( t) . (7)式 中 : ψ a ( t) = ψ ( t/ a) 为 母 小 波 ,它 是 由 满 足允 许 性 条 件 ∫ψ ( t) 0且 均 方 可 积 的 一 维 函 数ψ ( t) 在 尺 度 因 子 拉 伸 后 得 到 的 . 小 波 变 换具 有 多 分 辨 率 的 特 点 ,可 以 由 粗 及 精 的 分 析 信 号 ,它 是 检 测 低 能 量 的 短 暂 瞬 变 信 号 的 有 效 手 段 ,非常 适 用 于 检 测 水 力 坡 降 曲 线 的 突 变 点 函 数 θ ( t) 满 足∫+∞- ∞ θ ( t) 1,t| → ∞θ ( t) = 0.(8)则 称 其 为 光 滑 函 数 . 在 信 号 的 奇 异 性 检 测 中 ,通 常选 择 光 滑 函 数 的 一 阶 导 数 作 为 母 小 波 (如 一 阶 高斯 函 数 ) ,这 样 式 (7)可 以 写 成 式 (9) :W Ta f ( t) = a f ( t) 3θ a ( t) ) . (9)此 时 小 波 变 换 W Ta f ( t) 被 表 示 为 信 号 f ( t)在 尺 度 ( t) 平 滑 后 的 一 阶 导 数 . 而 W Ta f ( t)的 模 极 大 值 点 对 应 于 f ( t) 的 突 变 点 . 利 用 这 个 原理 ,就 可 以 实 现 水 力 坡 降 曲 线 奇 异 点 的 检 测 ,从 而实 现 管 道 的 堵 塞 定 位 管 道 堵 塞 实 时 监 测 系 统311  硬 件 设 备图 4为 管 道 堵 塞 实 时 监 测 系 统 的 硬 件 结 构 ,所 需 的 仪 器 仪 表 为 :压 力 变 送 器 (2个 ) ;温 度 变 送器 (2个 ) ;流 量 变 送 器 ( 2个 ) ;数 据 采 集 模 块 ( 6个 ) ;工 控 机 (2台 ) ;通 讯 线 路 (2条 )软 件 结 构基 于 环 境 ,编 制 了 一 套 管 道 堵塞 及 定 位 软 件 ,按 照 功 能 分 为 4个 模 块 ,如 图 5所 示 通 讯 模 块 . 主 要 负 责 将 管 道 两 端 的 信 号 传输 到 监 控 计 算 机 堵 塞 检 测 模 块 . 主 要 负 责 管 道 的 仿 真 以 及堵 塞 的 判 断 及 定 位 参 数 设 置 及 数 据 管 理 . 将 管 道 仿 真 必 需 的参 数 输 入 检 测 软 件 ,对 下 位 机 传 输 过 来 的 数 据 进行 存 储 、 查 询 管 理   实 时 监 测 系 统 结 构图 5  软 件 结 构4  结   语1)利 用 堵 塞 前 后 管 道 两 端 压 差 的 剧 烈 变 化能 够 有 效 的 检 测 出 管 道 的 堵 塞 . 利 用 管 道 两 端 压力 的 模 拟 值 与 实 际 测 量 值 比 较 ,也 可 以 有 效 的 检测 出 管 道 的 堵 塞 道 水 力 坡 降 曲 线 的 突 变 点 很 好 的 反 应 了油 气 管 道 的 堵 塞 位 置 信 息 . 通 过 检 测 其 突 变 点 ,便可 以 确 定 管 道 的 堵 塞 位 置 号 小 波 变 换 模 极 大值 准 确 的 对 应 了 管 道 水 力 坡 降 曲 线 的 突 变 点 塞 位 置 的 定 位 精 度 取 决 于 管 道 水 力 坡 降曲 线 的 仿 真 精 度 ,仿 真 精 度 越 高 ,则 定 位 精 度 越 高 文 献 :[ 1 ] 马 秋 宁 ,蔡 有 军 ,王 学 军 输 送 管 线 冰 堵 定 位 检 测 技术 的 开 发 与 应 用 [J ] 化 工 , 2003, 32 (3) : 137 - 139.[ 2 ] 李 长 俊 . 天 然 气 管 道 输 送 [M ]. 北 京 :石 油 工 业 出 版社 , 2000: 161 - 165.[ 3 ] 刘 恩 斌 ,彭 善 碧 ,李 长 俊 . 基 于 瞬 态 模 型 的 管 道 泄 漏检 测 [ J ]. 天 然 气 工 业 , 2005, 25 (6) : 102 - 104.[ 4 ] 杨 力 华 , 戴 道 清 , 黄 文 良 ,等 译 处 理 的 小 波 引 导 [M ]. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2002: 120 - 124.[ 5 ] 姚 志 祥 . 格 拉 管 线 的 冰 堵 排 除 实 践 及 预 防 措 施 [ J ] 技 术 与 设 备 . 2003, (1) : 24 - 27.(编 辑   杨   波 )·602· 哈   尔   滨   工   业   大   学   学   报                           第 41卷  
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