声压交互识别技术对燃气管道的泄露点精确定位的探究

声压交互识别技术对燃气管道的泄露点精确定位的探究

刘聪

（温州市燃气集团有限公司 浙江 温州 325000）

摘要：随着社会的快速发展，社会对燃气的需求不断上升，燃气管道铺设的规模越来越大，但是管道铺设的位置越来越隐秘，最初的铺设的管道年代久远，进而燃气管道发生泄漏的事故逐年增长，严重危害人们生命财产安全。目前常用的燃气管道泄漏点的监测方法精确性不高，并且较为依赖人力，因此需要对燃气管道泄漏点的监测方法进行技术创新。本文通过对声波监测和压力波监测方法的优缺点进行分析，结合声波监测和压力波监测，提出声压交互识别技术进行燃气管道泄露点的精确定位。并且根据燃气泄露的现实情况提出进一步对泄漏点精确定位的方法。有利于提高对管道泄露点定位的精确性，为现代管道安全环境监控提供了理论依据。

关键词：信号过滤；声压识别；负压波信号

1引言

城市燃气管道系统是现代城市基础设施的重要组成部分，主要负责输送和分配天然气,是保障工 业持续发展的命脉，更是维持居民平稳生活的保障。天然气作为一种清洁能源，在城市生活中扮演着越来越重要的角色，目前城市燃气管道系统规模越来越大，管道网路规划也越来越复杂。我国将油气管道规划建设作为战略目标，短期内城市燃气管道的发展规模仍然存在不断扩张趋势[1]。与此同时，天然气管道的快速建设也逐渐暴露出一些安全问题，例如大连市在2014年6月发生了原油管道泄漏燃烧事故，松原市在2017年7月发生了燃气管道泄漏爆炸较大事故，十堰市在2021年6月发生了重大燃气爆炸事故等。这些天然气泄露造成的重大安全事故对工人和周边居民的生命财产安全产生巨大威胁。事故使人们付出了惨痛代价，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，并一定程度上阻碍了社会经济发展与和谐社会建设。

针对我国部分城市管道使用年限久远，城镇化进程中施工等过程对燃气管道的干扰，燃气管道运营面临的压力剧增的形势，在燃气管道出现破损，燃气泄露的初期做到及时发现，快速抢修，有利于减少事故损害。目前国内城镇燃气管道公司在管道泄漏监测方面应用最广泛的是通过人员定期对燃气管道进行巡检，这种方法监测的效率和时效性均偏低[2]。在自动化管线自动检测方面，多数燃气公司通过SCADA系统进行监测，在燃气管道发生大流量泄漏的时候，SCADA系统通过压力、流量等参数的快速减少促发警报，进而得知燃气管道发生泄漏。由于此方法无法精确的定位管道发生泄漏的位置，需要通过增加监测点的密度从而提高定位泄露点的速度和精度，大大增加了运行成本[3]。因此，需要通过技术创新，实现管道泄漏检测和定位。

本文通过分析负压法和声波法的优缺点，提出基于声波信号及压力波信号耦合识别燃气管道泄漏的定位技术，实现对燃气管道的实时监控。在燃气管道发生泄漏后可以及时准确的找到管道泄漏位置，避免燃气泄漏产生爆炸事故，实现燃气管道的安全平稳运行。

2 声波和压力波信号分析

2.1 负压波信号

天然气在管道中运输的时候往往通过加压的方式将天然气从始端输送到终端。在管道发生泄露时，由于管道内的压力远大于管道外部的压力，天然气会从管道的泄漏点喷射出来，在泄漏点的周围位置会出现压力和密度骤降的现象[4]。而天然气管道具有连续性，在泄露位置的压力骤降之后，会对阶段性影响管道内的压力，由泄漏点从近到远，形成压力差，进而出现负压波动。管道泄露产生的波动与正常天然气使用产生的波动不同，在波动前言是垂直的。根据泄露产生的压力波的特征，在管道运行的两端安装压力传感器，对管道两端的压力进行实时的监测和信息采集，并通过分析之后判断管道是否发生泄漏[5]。

负压波监测虽然可以快速检测到管道发生泄露情况，但是这种技术最大的缺点是对于发生泄露的位置判断的不够精准，需要人力进行排查，缩小泄露范围[6]。另外，压力传感器在收集压力信息的时候，容易受到外界环境的干扰，例如管道外壁的水压变化、汽车行驶等都会造成馆内压力出现波动，进而产生压力变化被压力传感器监测到。因此在负压波信息采集的时候需要对信号进行有效的去噪处理，提高获取的信号中对负压波信号的准确识别是提高监测准确率的关键之一。

2.2 声波信号

在天然气管道发生泄露的时候，天然气流出过程与管壁之间发生摩擦，产生声波。声波会沿着管道进行远距离传播，形成稳定的声波信号。声波信号的强弱与传输的距离存在反向关系，距离泄漏点越远，声波强度越小。声波信号衰减的因素有很多，最主要的是声波被吸收，其中又可分为热传导吸收和媒介的粘滞吸收。声速体现了某介质在受到扰动状态下的压缩特性，一般而言，如果该介质的可压缩性比较小(如铁)，那么声速较大。如果该介质的可压缩性比较大(如天然气)，那么声速会较小。声波在介质中的传播速度和其压强、温度、密度等因素有关。根据对声波信号的收集以及分析，可以快速的判断出管道泄漏点的精确位置。

3 声压交互识别技术监测管道泄露

3.1 基于声压交互识别管道泄漏

的总体设计

在管道泄露时候，通过压力传感器和声波传感器接收压力和声波信息，并对其中的特征信息进行提取分析，可以快速准确的监测到管道发生泄露并且可以精确的分析出泄露位置，有助于管理部门对泄露的管道进行快速处理，避免人生安全和财产的损失。

在具体的实现操作中，首先通过设置压力信号、声波信号采集系统对信号进行实时的采集，随后对采集到的信息进行放大、滤波处理[7]。再经过模数转换将模型信号转化为数字信息，并对数字信息进行分析，找到并识别脉冲突变点，并利用时间差计算出发生泄漏点的准确位置（图1）。

图1 声压交互检测系统总体设计图

3.2 声压信号采集系统

管道发生泄漏时，天然气与管道发生摩擦震动，生成一种宽频信号沿着管道向外扩散，由于声波在传播的过程中存在热传导吸收和媒介的粘滞吸收，宽频声波信号中的高频信号容易被吸收，在传播中不断衰减，直至消失。而宽频信号中的低频信号可以沿着管壁传播到较远的距离[8]。在管道泄露的过程中这种次声波会持续不断地的生成，通过采集声波信息可以确定管道是否发生泄露。但是声波采集中，管道内燃气与管道摩擦生成的噪音、过往车辆产生的噪音都会被声波采集系统一并采集，因此需要对管道泄漏的声波进行特征分析，泄露后声波信号特征图如图2所示。

图2 泄露后声波信号特征图

管道发生泄露时由于管道内外存在压力差导致管道内的压力向外泄露，而管道内泄露位置的压力骤减，促使周围的燃气向泄露出流动，从而形成压力波。在泄露的过程中管道内的负压波信号会形成周期性的波动。但是收到阀门开关，燃气调流等因素会影响负压波信号。安装在燃气管道上游和下游内部的压力传感器能检测并捕捉传到管内的瞬间压力信号，安装在管道外壁的声波传感器捕捉声波信号，通过声波传感器和压力波传感器的信号采集之后，需要利用滤波系统对信号进行过滤降噪处理。

图3 泄露后压力信号特征图

3.3 信号放大处理

在对泄露时燃气管道的声波和压力信号进行采集之后需要对采集后的信号进行有效放大。图4为信号放大电路图，主要采用芯片构建运放电路，具有信号带带宽，噪声小等特点。

图4 信号放大电路

3.4信号过滤降噪转换处理

在对声波信号和压力波信号进行放大的同时，噪声信号同样被放大，此时需要信号降噪处理，减少噪声信号对采集的声波和压力波的影响。通过芯片中信号滤波电路进行噪音的过滤。图5为信号滤波电路图，具有输入失调电压小、输出偏置电流低、开环增益高的特点。

图5 信号滤波电路图

在信号经过小波变换后，利用噪声中小波系数和有用信号中小波系数的特征值的差别特征以及能量分布特征，来对有用信号进行区别筛选，实现对信号的降噪处理。在管道泄露的信号采集后，对原始信号进行分析，确定母小波与滤波阶数，随后对声波信号进行小波分解以及对高频系数的域值量化，实现待分解信号的小波重构。

3.5 声压交互识别精确定位

在燃气管道的两端各安装一套压力传感器和声波传感器。压力传感器选用稳态压力传感器，其稳定性和抗干扰能力强，该传感器元件采用高精度的扩散硅压力芯体，在保证高精度的同时具有较强的抗震、抗冲击性能和稳定性能。声波传感器采用本安型加速度传感器，具有较好的安全性能和较为灵敏的感应元件[9]。

在燃气管道发生燃气泄漏的时候，声波传感器和压力传感器接收到具有有效特征值信号，并记录接收时间，得到两个传感器接收到信号的时间差值ΔT，由于声波传动速度和压力传动速度远大于燃气传输速度，所以在此忽略燃气的传输速度。假设管道泄露位置距离传感器的长度为L，压力传输速度为V，声波的传播速度为Vx，因此利用声波和压力波监测燃气管道泄露的精确位置通过公式1可计算：

           （1）

声压交互识别进行泄露位置的精确定位利用声波传输速度和压力波传输速度的差值以及接收到两个压力信号的时间差进行计算得出。为了提高监测结果的精确性，在管道两端的感应装置同时接收到泄露信号，并根据两端的燃气管道长度进行验证，可以降低燃气管道监测的误报率和漏报率。

5结语

本文通过对燃气管道的泄露的危害进行阐述，并且针对目前采用的声波信号监测和压力波信号监测的优缺点进行分析，提出采用声波和压力波交互识别的方式进行燃气管道泄漏位置的精确定位。首先分析影响燃气管道中声波信号和压力波信号的因素，并且提取燃气管道泄露时的声波信号和压力波信号的特征值，然后阐述声压交互识别精确定位技术的原理。其中值得注意的是在声压交互识别定位过程中最为关键的因素是对于接收到的声波信号和压力波信号的处理，包括信号放大、信号降噪、信号过滤以及信号转换处理，并给出了切实可行的方法。另外在声压交互识别进行燃气管道精确定位的过程中，单纯的利用一个位置的传感器进行监测计算，其误差还是相对较大，在实际的管道泄漏监测并且精确定位的过程中，需要利用泄露点两侧的传感器以及利用同侧的不同位置的声压传感器上接收到的信息，对信息采用均值分析法计算，提高对泄露位置的精确定位。

参考文献：

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[2] 郑贤斌．中国智慧燃气现状、挑战及展望[J]．天然气工业, 2021, 41(11): 152-160.

[3] Kopbayev Alibek, Khan Faisal, Yang Ming, et al. Gas leakage detection using spatial and temporal neural network model[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2022, 160: 968-975.

[4] 蒲宏斌. 油气管道泄露检测技术研究[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2019, 39(17)：209-210.

[5] Chala GT, Abd Aziz AR, Hagos FY. Natural Gas Engine Technologies: Challenges and Energy Sustainability Issue.Energies. 2018, 11(11): 2934.

[6] 陈方霞. 负压波法泄漏检测系统在输油管道项目中的应用[J]. 中国仪器仪表, 2022, (10)：76-79.

[7] Sun Binyang, Zhang Pingsong, Guo Liquan, et al. Feasibility study of detecting gas leakage in buried pipeline based on resistivity method[J]. IOP Conference Series:Earth and Environmental Science, 2021, 660(1): 012008.

[8] 李玉星, 刘翠伟. 基于声波的输气管道泄漏监测技术研究进展[J]. 科学通报, 2017, (7)：38-46.

[9] Yang Baoliang, Gao Lili, Lu Wenke. Study of coupling-of-modes for wavelet transform processors using surface acoustic wave devices[J]. Microelectronics Journal, 2023, 131.