專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于模擬仿真技術(shù)的管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓力管道缺陷檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模擬仿真技術(shù)的管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
管道供油工程是燃油運(yùn)營(yíng)服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。供油工程包括長(zhǎng)輸管道、中轉(zhuǎn)油庫(kù)、使用油庫(kù)和加油管網(wǎng)等關(guān)鍵組成部分。由于管道輸送具有成本低、節(jié)省能源、安全性高及供給穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，管道運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行腐蝕和磨損、設(shè)備的自然老化、地質(zhì)災(zāi)害以及人為損壞等原因，燃油管網(wǎng)微小缺陷(如腐蝕穿孔、焊接裂縫等)導(dǎo)致的泄漏事故時(shí)有發(fā)生。燃油管網(wǎng)泄漏缺陷造成資源浪費(fèi)，給管網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境和安全造成巨大損害。管道缺陷檢測(cè)問(wèn)題是目前管道供油系統(tǒng)面臨的一大難題。

實(shí)用新型內(nèi)容基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種基于模擬仿真技術(shù)的管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，考慮到各種對(duì)管道泄漏量改變明顯的環(huán)境因素，本實(shí)用新型立足于對(duì)管道信號(hào)噪音的處理，將系統(tǒng)獲得的信號(hào)通過(guò)維納濾波方法抑制管道信號(hào)噪聲，提高被檢測(cè)信號(hào)的信噪比，并對(duì)管道數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，之后基于本實(shí)用新型提出的模擬仿真技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)微小泄漏檢測(cè)。該系統(tǒng)需要首先建立起管網(wǎng)的模擬仿真模型，并以過(guò)濾和校準(zhǔn)后的`壓力和溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)模擬仿真模型輸入，通過(guò)模擬仿真技術(shù)計(jì)算管網(wǎng)泄漏率，當(dāng)泄漏率高于一定門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出管道泄漏報(bào)警。該系統(tǒng)具有管道數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括可編程邏輯控制器(PLC)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，對(duì)可編程邏輯控制器或遠(yuǎn)程終端單元采集的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取處理，并通過(guò)總線傳送到SCADA服務(wù)器；SCADA服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)處理；管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)提供每一個(gè)被測(cè)段的壓力、溫度或流量等測(cè)量值，通過(guò)管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的通訊接口與微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信；微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，包括通訊接口 ；泄漏檢測(cè)主機(jī)，其`控制管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)漏操作，當(dāng)檢測(cè)到管網(wǎng)泄漏時(shí)發(fā)出報(bào)警，并計(jì)算出泄漏率。測(cè)試結(jié)果表明，該發(fā)明適用于檢測(cè)管道微小泄漏，可在50分鐘內(nèi)檢測(cè)到泄漏率為
O.04升/小時(shí)/立方米的管道泄漏。該系統(tǒng)的檢測(cè)速度、靈敏度和可靠性達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施方式
基于模擬仿真技術(shù)的管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，1.管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)；2. SCADA服務(wù)器；3..通訊接口(管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)端)；4.總線；5.數(shù)據(jù)采集服務(wù)器；6.可編程邏輯控制器；7.遠(yuǎn)程終端單元；8.微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)；9.泄漏檢測(cè)主機(jī)；10.通訊接口(管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)端)。該系統(tǒng)具有管道數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括可編程邏輯控制器(PLC)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，對(duì)可編程邏輯控制器或遠(yuǎn)程終端單元采集的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取處理，并通過(guò)總線傳送到SCADA服務(wù)器；SCADA服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)處理；管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)提供每一個(gè)被測(cè)段的壓力、溫度或流量等測(cè)量值，通過(guò)管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的通訊接口與微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信；微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，包括通訊接口 ；泄漏檢測(cè)主機(jī)，其控制管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)漏操作，當(dāng)檢測(cè)到管網(wǎng)泄漏時(shí)發(fā)出報(bào)警，并計(jì)算出泄漏率。以下詳細(xì)說(shuō)明系統(tǒng)處理的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。1. 數(shù)據(jù)獲取與管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的通訊基于模擬仿真技術(shù)的管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)可安裝在任何支持與第三方軟件通信的管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中。管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)通訊接口可以是軟件接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口或串行通信接口。微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)通訊接口從管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)獲取每一個(gè)被測(cè)段的壓力、溫度或流量等測(cè)量值。系統(tǒng)通過(guò)第三方軟件接口每間隔固定時(shí)間向SCADA系統(tǒng)請(qǐng)求被測(cè)管段的壓力和溫度測(cè)量值。數(shù)據(jù)請(qǐng)求的時(shí)間間隔為O. 01秒到10秒之間。SCADA系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口向本系統(tǒng)提供相應(yīng)數(shù)值。 系統(tǒng)核心處理部分根據(jù)SCADA系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算得到泄漏率，并判斷是否發(fā)生微小泄漏。2.管道壓力數(shù)據(jù)噪聲抑制封閉管道系統(tǒng)發(fā)生微小泄漏時(shí)，參數(shù)變化是非常微小的。這種參數(shù)的微小變化，很容易淹沒(méi)在背景噪聲中，因此必須將背景噪聲濾除。本實(shí)用新型采用濾波方法，可以在很大程度上降低背景噪聲的影響。I)定義管道信號(hào)模型如下y (t) = s (t) +n (t)(I)其中，y(t)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)，采集到的信號(hào)可以是壓力信號(hào)或溫度信號(hào)。通常，采集到的信號(hào)包括目標(biāo)信號(hào)及各種噪聲和干擾；s(t)是管道內(nèi)待檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)；n(t)是背景噪聲信號(hào)。其中，通過(guò)傳感器采集管道測(cè)試期間的背景噪聲，估計(jì)其噪聲功率譜均值，經(jīng)加權(quán)平均后作為系統(tǒng)背景噪聲功率譜初始值
K
n(w0)= ^a{w)N{w)(2)2)背景噪聲功率譜跟蹤并選擇系統(tǒng)信噪比較低的時(shí)刻和頻率點(diǎn)，進(jìn)行背景噪聲功率譜的如下更新Nik ) = ^v(vJ+(1-又) Υ{Κ)<βΝ{Κ.ι)(3)
n IN U others其中λ是遺忘因子，系統(tǒng)中選擇λ取值范圍為O. 8到1. O之間，β用來(lái)控制跟蹤噪聲信號(hào)功率譜的信噪比，系統(tǒng)中選擇β取值范圍在1. 2到5. O之間；3)維納濾波在估計(jì)到噪聲功率譜的基礎(chǔ)上，通過(guò)以下公式去除噪聲
S{kn) = Y{kn)-N(kn)(4)3.管道數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)實(shí)際的管網(wǎng)泄漏受到管道材質(zhì)、管道壁厚、管道埋地環(huán)境、地溫、燃油組分等多種復(fù)雜因素的影響。其中，燃油組分將影響燃油物性，從而影響管道泄漏量大小。地溫改變會(huì)影響管道的容積，也會(huì)影響燃油溫度，從而造成燃油粘度變化，最終影響管道泄漏量大小。在對(duì)管網(wǎng)微小泄漏進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要考慮到這些對(duì)管道泄漏量改變明顯的影響因素，對(duì)管道數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。以管道壓力數(shù)據(jù)為例，壓力數(shù)據(jù)校準(zhǔn)可寫(xiě)成下列函數(shù)P' = f (溫度，管徑，壁厚等)(5)對(duì)于特定的管線， 實(shí)測(cè)多組數(shù)據(jù)后，可以確定上式中的數(shù)學(xué)模型和工作參數(shù)。4.管道模擬仿真本實(shí)用新型提出基于模擬仿真技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)微小泄漏檢測(cè)。該系統(tǒng)需要首先建立起管網(wǎng)的模擬仿真模型。并以壓力和溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)模擬仿真模型輸入，通過(guò)模擬仿真技術(shù)計(jì)算管網(wǎng)泄漏率，當(dāng)泄漏率高于一定門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出管道泄漏報(bào)警。以下將給出管網(wǎng)模擬仿真模型建立的詳細(xì)說(shuō)明。I)管網(wǎng)模型簡(jiǎn)化通常，管網(wǎng)由特殊材質(zhì)的鋼管焊接而成，其中充滿(mǎn)燃油?，F(xiàn)代管網(wǎng)規(guī)模宏大(比如機(jī)場(chǎng)環(huán)境)，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也極其復(fù)雜，同時(shí)由于管網(wǎng)燃油輸送需要，管網(wǎng)需要閥門(mén)、泵、溫度壓力變送器等力學(xué)性能極其復(fù)雜的配件。實(shí)際的管網(wǎng)力學(xué)模型極其復(fù)雜。在建立管網(wǎng)力學(xué)模型時(shí)，需要對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。首先，假設(shè)管網(wǎng)中輸送介質(zhì)為燃油單一介質(zhì)。這一假設(shè)也基本符合國(guó)內(nèi)外管網(wǎng)的正常工況；其次，在分析過(guò)程中，假設(shè)閥門(mén)、泵、變送器等力學(xué)性能極其復(fù)雜的配件在檢測(cè)過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)引起管網(wǎng)系統(tǒng)力學(xué)特征發(fā)生變化；最后，管網(wǎng)可以通過(guò)各種質(zhì)量可靠的閥門(mén)分隔為獨(dú)立的檢測(cè)管段。為理論分析和計(jì)算方便，在同一個(gè)檢測(cè)管段內(nèi)，本實(shí)用新型將忽略彎頭、三通、閥門(mén)、泵等復(fù)雜的管道部件，從而把被檢測(cè)管段網(wǎng)簡(jiǎn)化為一個(gè)連續(xù)的圓柱形管道，管徑與被檢測(cè)管段相同，長(zhǎng)度等于被檢測(cè)管段長(zhǎng)度相加。假設(shè)簡(jiǎn)化后的被檢測(cè)管道半徑為r，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，該管道中燃油體積為V = Ji *r2*L(6)2)燃油的流體物性當(dāng)發(fā)生泄漏的設(shè)備的裂口是規(guī)則的，而且裂口尺寸及泄漏物質(zhì)的有關(guān)熱力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及參數(shù)已知時(shí)，可根據(jù)流體力學(xué)中的有關(guān)方程式計(jì)算泄漏量。當(dāng)裂口不規(guī)則時(shí)，可采取等效尺寸代替；當(dāng)遇到泄漏過(guò)程中壓力變化等情況時(shí)，往往采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。[0040]理想正壓流體在有勢(shì)質(zhì)量力作用下，其運(yùn)動(dòng)方程在定常及無(wú)旋兩特殊情形下可以積分出來(lái)，運(yùn)動(dòng)方程的這兩個(gè)第一積分分別為伯努利積分和拉格朗日積分。伯努利積分
P + + pgh = t旦量
2(V)是能量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)。左邊各項(xiàng)分別代表單位質(zhì)量?jī)?nèi)的壓力能，動(dòng)能，勢(shì)能。由此式推出單位質(zhì)量?jī)?nèi)的總能量，即壓力能，動(dòng)能，勢(shì)能的總和在流線上守恒。根據(jù)伯努利方程，液體泄漏速度可用流體力學(xué)的伯努利方程計(jì)算。理想正壓流體經(jīng)小孔泄漏速度計(jì)算公式為
Q = CdAp I2^f ~F°
V P(8)其中，Q——液體泄漏流量，kg/s ；Cd——排放系數(shù)，通常取O. 6 O. 64 ；A——泄漏口面積，m2 ； P——泄漏液體密度，kg/m3 ；P——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa ；P0——環(huán)境壓力，Pa ；g——重力加速度，9. 8m/s2 ；h——泄漏口上液位高度，m。實(shí)際正壓流體通過(guò)小孔發(fā)生泄漏時(shí)，還受到泄漏孔形狀、位置、介質(zhì)狀態(tài)等影響，泄漏速度與理論速度不同。小孔排放系數(shù)Cd是正壓流體泄漏時(shí)，實(shí)際泄漏速度與理論泄漏速度之比，用于補(bǔ)償公式推導(dǎo)中忽略了的摩擦損失，因慣性引起的截面收縮等。3)其他影響因素實(shí)際的管網(wǎng)泄漏還受到管道材質(zhì)、管道壁厚、管道埋地環(huán)境、地溫、燃油組分等多種復(fù)雜因素的影響。其中，燃油組分將影響燃油物性，從而影響管道泄漏量大小。地溫改變會(huì)影響管道的容積，也會(huì)影響燃油溫度，從而造成燃油粘度變化，最終影響管道泄漏量大小。在對(duì)管網(wǎng)微小泄漏進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要考慮到這些對(duì)管道泄漏量改變明顯的影響因素。管道溫度和壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)噪聲抑制和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)之后，將作為參數(shù)輸入到管網(wǎng)模擬仿真模型之中。根據(jù)管網(wǎng)力學(xué)模型，通過(guò)模擬仿真疊代計(jì)算，估算管網(wǎng)的實(shí)際泄漏率。當(dāng)某管道泄漏率高于一個(gè)門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出該管段泄漏報(bào)警?；谀M仿真技術(shù)的管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)以壓力、溫度或流量變化為管網(wǎng)模擬仿真模型輸入，通過(guò)模擬仿真技術(shù)判斷管網(wǎng)是否發(fā)生微小泄漏。測(cè)試結(jié)果表明，該發(fā)明適用于檢測(cè)管道微小泄漏，可在50分鐘內(nèi)檢測(cè)到泄漏率為O. 04升/小時(shí)/立方米的管道泄漏。該系統(tǒng)的檢測(cè)速度、靈敏度和可靠性達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
權(quán)利要求1.一種管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，包括 管道數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括可編程邏輯控制器(PLC)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)； 管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)，包括 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，對(duì)可編程邏輯控制器或遠(yuǎn)程終端單元采集的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取處理，并通過(guò)總線傳送到SCADA服務(wù)器； SCADA服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)處理； 通訊接口，管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)通訊接口為軟件接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口或串行通信接口； 管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)提供每一個(gè)被測(cè)段的壓力、溫度或流量等測(cè)量值，通過(guò)管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的通訊接口與微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信； 微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，包括 通訊接口，微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)通訊接口為軟件接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口或串行通信接口； 泄漏檢測(cè)主機(jī)，其控制管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)漏操作，當(dāng)檢測(cè)到管網(wǎng)泄漏時(shí)發(fā)出報(bào)警，并計(jì)算出泄漏率。
專(zhuān)利摘要一種管網(wǎng)微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，具有管道數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括可編程邏輯控制器(PLC)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，負(fù)責(zé)分段采集管道數(shù)據(jù)；管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，對(duì)可編程邏輯控制器或遠(yuǎn)程終端單元采集的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取處理，并通過(guò)總線傳送到SCADA服務(wù)器；SCADA服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)處理；管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)提供每一個(gè)被測(cè)段的壓力、溫度或流量等測(cè)量值，通過(guò)管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的通訊接口與微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信；微小泄漏缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，包括通訊接口；泄漏檢測(cè)主機(jī)，其控制管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)漏操作，當(dāng)檢測(cè)到管網(wǎng)泄漏時(shí)發(fā)出報(bào)警，并計(jì)算出泄漏率。
文檔編號(hào)F17D5/02GK202868318SQ201220549948
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者黃騰飛, 羅群, 馬兵 申請(qǐng)人:黃騰飛, 羅群, 馬兵