输油管道负压波检漏系统：定位功能毕业设计（论文） .doc

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1、西安石油大学本科毕业设计（论文） 毕毕业业设设 计计（论文（论文）任任务务书书 题 目输油管道负压波检漏系统：定位功能 学生姓 名 学号专业班级 设计 （论 文） 内容 及基 本要 求 1. 管道长度：300km，管道压力：首站 0.4-0.9Mpa，末站 0.2- 0.4Mpa,管道流量：150-200m2/h，介质：原油，负压波传输速度： 1100m/s。 2. 学习讨论研究负压波检漏和定位原理。 3. 根据任务要求选择和学习一种现代工业组态软件或工业常用运 算或仿真软件 （如组态王、 MATLAB 或 C+等） 。 讨论该软件在管 道检漏中的应用。 4.设计管道负压波检漏系统，负责内容手

2、动定位运算和报警功能。 完成系统的模拟联调。 5.完成相关资料检索和开题报告。 6.完成论文的写作和 15000 字符以上的英文资料翻译。 设计（论文）起止时间 2015 年 1 月 2 日 至 2015 年 6 月 30 日 设计（论文）地点自动化教研室 指导教师签名年 月 日 系（教研室）主任签名年 月 日 学生签名年 月 日 西安石油大学本科毕业设计（论文） 输油管道负压波检漏系统：定位功能输油管道负压波检漏系统：定位功能 摘摘 要：要：输油管道作为一种经济、有效、环保的运输手段，在我国国民经济中发挥的 作用越来越重要。管道在多年的运行以后，管道防腐覆盖层会逐渐老化变质，失去 其原有的保

3、护作用，或者由于自然灾害和人为的破坏，导致管道泄漏的情况时有发 生，这样既造成了国家财产的损失，又污染了环境。因此，人们希望借助于先进的 检测手段来及时地发现泄漏并准确定位，以便及时采取有利措施进行维护。因此建 立管道泄漏监测定位系统意义重大，迫在眉睫。本文对基于负压波的管道泄漏定位 方法进行了研究，介绍了负压波泄漏定位原理及方法，说明了其优缺点。此外，本 文采用的方法是利用组态软件分析负压波管道泄漏定位系统的工作过程，介绍了怎 样利用趋势画面中的压力波形图计算泄漏点位置的方法。 关键词：关键词：组态王；泄漏定位；负压波 西安石油大学本科毕业设计（论文） The negative pressu

4、re wave of oil pipeline leak detection system：Location function Abstract：Transport pipeline as an economic, efficient, environmentally friendly means, plays a more important role in Chinas national economy. After running several years, the pipeline anticorrosion layer will gradually deteriorate, los

5、ing its original protective function, or because of natural disasters and man-made destruction, leading to pipeline leakage occurs，this has resulted in the loss of state property，and pollution of the environment. Therefore, people hope that with the help of advanced detection means to discover the l

6、eakage and accurate positioning, in order to take timely measures to maintain favorable. Therefore the establishment of pipeline leakage monitoring and positioning system of great significance, This paper studied the method of pipeline leak location based on negative pressure wave, the negative pres

7、sure wave leak location principle and method, illustrates its advantages and disadvantages. In addition, the method used in this paper is the analysis of the working process of the negative pressure wave pipeline leak location system using the configuration software, introduces the method of how the

8、 leak location is calculated by using the figure in the picture of the trend of pressure wave. Key word：King view；Leak location；Negative pressure wave 西安石油大学本科毕业设计（论文） I 目目 录录 1 绪论1 1.1 课题背景及意义1 1.2 国内外研究现状及发展趋势2 1.3 课题的研究目的及步骤5 1.3.1 研究步骤.5 1.3.2 研究目的.5 2 组态王软件简介6 2.1 组态王定义概述6 2.2 组态王系统的特点.7 2.3 制作

9、一个工程的一般过程7 2.4 组态王的主要亮点7 2.5 组态王的核心性能8 2.6 组态王软件总结8 3 负压波简介9 3.1 负压波技术的基本原理9 3.2 负压波的形成9 3.3 负压波的传播9 3.4 负压波检漏定位原理10 3.5 负压波泄漏检测的缺陷11 4 组态画面制作流程13 4.1 新建组态王工程13 4.2 工程浏览器设置14 4.2.1 在数据词典中定义变量.14 4.2.2 新建历史趋势画面.17 4.2.3 图形编辑工具箱.19 4.2.3.1 工具箱简介19 4.2.3.2 工具箱详解19 4.2.4 输入与动画连接.21 4.2.4.1 文本的输入21 4.2.4

10、.2 动画连接21 4.2.5 命令语言.25 西安石油大学本科毕业设计（论文） II 4.2.5.1 命令语言类型25 4.2.5.2 相关函数与语句介绍26 4.2.5.3 函数的应用27 5 负压波定位系统运行31 5.1 模拟数据运行31 5.2 现场数据运行35 6 总结35 参考文献39 致谢40 西安石油大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 随着我国能源结构的不断优化，石油在能源结构中所占的比例逐年加大，输油 管道作为一种经济、有效、环保的运输手段，在我国国民经济中发挥的作用越来越 重要。管道在多年的运行以后，管道防腐覆盖层会逐渐老化变

11、质，失去其原有的保 护作用，或者由于自然灾害和人为的破坏，导致管道泄漏的事时有发生，这样既造 成了国家财产的损失，又污染了环境。因此，人们希望借助于先进的检测手段来及 时地发现泄漏并准确定位，以便及时采取有利措施进行维护。 随着管道泄漏检测技术的不断发展，现有的管道泄漏检测方法很多，通常用于 泄漏的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，如根据油汽泄漏时所露出的地表痕迹以及散发的气味等进行检测；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和泄漏引起的声、 光、电等变化进行检测。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(PP

12、A)、负压波法、声波法等。对于这些检测方法，都各有优缺点。本文设计管 道负压波检漏系统，负责内容手动定位运算和报警功能，完成系统的模拟联调。 随着管道工业的发展，对管道泄漏检测与定位的要求也越来越高，单一的检测 与定位方法已不能满足生产需要。采用基于负压波和流量平衡的泄漏监测方法，编 写可视化监件，克服了常规管道泄漏监测方法误报率高和不能动态监测的缺点，具 有广阔应用前景。该系统有以下一些特点： （1）输油管道泄漏检测与定位系统能可靠地监控输油管道运行、显示管道实时 运行数据和波形图，并能及时准确定位泄漏点。对历史数据的保存，可方便操作人 员查询和综合分析诊断事故。 （2）在输油管道泄漏检测与

13、定位系统的基础上，可为城市供水、供气等主干管 道改进出管道泄漏检测与定位系统，拓宽应用领域。 如何能够实时地监测管道泄漏事故，并尽快定位泄漏点，对降低油品损失和环 境污染、预防重大事故的发生，具有重要的现实意义。 管道一旦泄漏，不仅会带来因流体流失而造成的直接经济损失和对环境的污染， 严重情况下，还可能发生爆炸和引起火灾，甚至造成人员伤亡。例如 1993 年委内瑞 拉的一条天然气管道发生泄漏引起火灾，烧死 51 人。管道输送石油产品的泄漏不仅 造成宝贵自然资源的浪费、环境污染和影响油田的正常生产，危害工农业生产和人 民生活，更重要的是，由于石油产品是易燃、易爆物品，甚至可能具有较强的腐蚀 性，

14、泄漏的石油产品还将直接威胁输油管道、设施的安全运行和人民生命财产，进 而造成更大的间接损失和恶性事故。所以，及时、准确地发现管道输送石油产品的 西安石油大学本科毕业设计（论文） 2 泄漏、泄漏位置和泄漏量具有重大意义。我国输油管道自动化水平的提高为管道泄 漏检测技术的应用创造了条件，但目前所采集的数据仅服务于一些简单的应用，未 能充分发挥自动控制系统的作用，因此，发展管道泄漏检测技术已成当务之急，对 石油产品管道的调度、管理和维护以及充分发挥自动控制系统的作用具有重大和深 远的影响。 1.2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 国外输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自

15、 20 世纪 70 年代以 来，就在许多油气管道中安装了泄漏检测系统，效果显著。我国在 80 年代以来，数 家单位相继开展了流体管道泄漏检测的研究工作，对流体的性质、流体的流动、传 热及过程控制系统进行了实验和研究。虽然对管道泄漏检测和定位方法的研究已有 几十年的历史，但由于管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式 的多样性及检测的复杂性，使得目前没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏 检测和定位问题，特别是小流量的泄漏检测和泄漏点定位问题。所以，加强管道泄 漏检测和定位技术的研究和应用，提高管道输送管理水平，减少经济损失和环境污 染，具有重要的现实意义。 负压波检漏技术自问世以

16、来,已为众多的研究人员所利用并不断完善,目前该技 术在液体管线泄漏诊断领域中的改进主要表现在以下 5 个方面： （1）提高系统采样频率,以提高对泄漏信号的捕捉能力。双扭环技术、FIFO 技 术和多端口技术都可以提高数据采集器的采集频率,但是要同时满足泄漏诊断的采集 以及分析的实时性要求,较好的方式是采用双扭环技术。双扭环技术是一种基于双页 缓存器采集方式的速度匹配单元, 个环状存储器互相扭合在一起,因此称之为双扭环。 （2）采用 GPS 时钟同步技术,以消除系统由于运行时间增加所带来的累积误差。 GPS 时钟同步技术提高同步精度的基本原理是利用全球定位系统同步误差不超过 1s 的秒脉冲前沿对分

17、布式数据采集系统同步触发采集,这样就可使各站点的数据 具有精确的时间起点。另外,人为设定同步时间间隔就可消除由于系统运行时间增长 所带来的累计时间误差。泄漏发生时,先获得相邻站点所记录负压波前沿的时间标签 后,通过漏点定位公式,就可以对漏点进行定位。 （3）采用多线程技术,实时快速对大量数据进行处理。 管道泄漏诊断系统由数 据采集、数据处理、数据通信、泄漏诊断等模块组成,要满足实时性诊断要求,各个 模块必须采用并行机制同时执行。多线程技术是 Windows、Linux 和 UNIX 等平台提 供的数据并发处理功能,此功能协同双扭环机的双内存同步运行,就可以实现泄漏诊 断的连续实时分析。各个线程

18、通过操作系统提供的接收/发送消息的机制与其他线程 进行数据通信的控制与调度;通过访问全局变量的方式实现各个线程之间共享数据的 西安石油大学本科毕业设计（论文） 3 访问与刷新。 （4）采用无相移滤波降噪方法,如奇异值降噪技术、小波降噪技术等,保留压力 拐点的幅值与相位信息。数字滤波、FFT 滤波和平滑算法等信号预处理手段在噪声 与信号特征频谱频率范围差异情况下,降噪效果明显。但在负压波信号强度较弱且特 征不明显,并掩埋于频谱分布广度较大的背景噪声下时,现代数字信号处理方法显得 尤为重要。如小波变换,自适应噪声抵消技术和奇异值分解降噪技术等。 （5）采用现代数字信号处理方法,提高对泄漏波形的识别

19、和定位能力。以奇异值 分解降噪技术为例,它是从统计意义上找出系统能量的 n 个特征方向,以及表征其所 包含能量的特征值。考虑 n 个特征值的数值分布,若系统的动力学维数 k 小于 n,将 有 n-k 个特征方向上的能量分布为零。一般来讲,负压波信号频率较低,属低维信号, 而噪声信号一般都是高维信号,噪声的存在使得在各个特征方向上的能量分布均不为 零。因此,选取前 k 个较大的特征值及其所对应的特征方向,使得大部分能量分布在 主要由负压波信号构成的低维子空间,并将原来的 n 维空间向量向该子空间投影,获 得 k 维的新向量,经过反变换,就滤除了维数较高且能量较小的噪声信号。 国外在泄漏检测方面起

20、步较早，已经形成了较为成熟的理论体系和专用技术， 广泛使用在石油产品输送管道的泄漏检测中，而我国在这方面的起步较晚，所做的 工作还非常有限。20 世纪 80 年代，国内的研究成果是在城市供水、煤气管道或者 在实验室内搭设的等温、随机干扰少、介质状态(水、煤气等)稳定的小型管道上实 验基础上得出的，没有涉及实际的原油、成品油或天然气的集输或长输管道的情况。 在实际工业管道的运行中存在大量复杂的问题，如工况的正常调节、输送介质形态 随温降的连续变化等都是实验室中研究难以完全涵盖的。虽然目前国际上已有多种 检测管道泄漏的方法，有多家公司提供管道泄漏检测方面的软件包，如 ATMOSPIPE、ATS、L

21、ogical 等基于全线远程数据采集和监控(SCADA)系统的管道 检测软件包，但这些系统的价格一般在数百万美元，由此可见其引进费用极其昂贵。 进入 90 年代以来，我国的一些科研小组在工业管道上进行了一定的研究工作， 尤其针对于穿越沙漠、海底、沼泽等特殊环境下的输送管道，需要充分利用管道油 品输送的流动特性，它是运用现代分析方法和控制理论，对所采集的管道运行数据 进行处理，结合管道流体的流动规律，实现管道泄漏检测和定位，人们称这种方法 为现代管道泄漏检测和定位技术。随着经济的快速发展，我国必将成为一个世界管 道大国，对管道泄漏检测系统的要求也日益迫切，因而利用自动检测技术，研制开 发一种适合

22、我国管道状况的泄漏检测与定位系统，对于我国经济发展、提高安全生 产效率将有重要意义。 此后，人们还尝试了各种新的方法和手段，以提高泄漏检测的灵敏度和更加准 确地判断泄漏点位置，逐步建立起了现代管道泄漏检测定位的理论体系，填补可这 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4 方面的空白。通过研制和开发新型高效的管道泄漏检测系统来提高泄漏检测与定位 的灵敏度、精确度和可靠性，管道泄漏检测技术有如下的发展趋势： （1）泄漏检测系统和 SCADA 系统的结合。SCADA 系统不仅能为泄漏检测提供 数据来源，而且能对管道的运行状况进行监控，是管道自动化的发展方向。由于单 一的泄漏检测系统并不经济，因此将它集成

23、到 SCADA 系统中，充分利用 SCADA 系统的功能，成为 SCADA 系统不可或缺的一部分。 （2）多泄漏点、管网泄漏检测与定位的研究。目前的管道泄漏检测和定位技术 的研究多是事对单根官道上的单点泄漏进行的，而对于单点多泄漏、多管耦合的泄 漏研究还少见。该方面的研究对解决管道实际运行状况具有更直接的现实意义。 （3）基于负压波的检测适合我国管道的泄漏检测。但是实际管道中的压力信号 中混杂大量的噪声，主要来自于仪器仪表的测量噪音，输送过程中的随机噪声和外 界干扰。噪声和干扰信号的幅度甚至可以讲泄漏引发的有用信号淹没。如果不能对 原始压力信号进行有效的过滤，该泄漏检测方法将严重失效。因此，有

24、效地滤波技 术也是检测系统研究的主要内容。 （4）分布式光纤传感器应用于管道检测。光纤传感器是今年来发展的一个热点， 它在实际物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有 着独特的优越性，它有着传统传感器所无法比拟的优势。此外，随着各种分布式光 纤传感器的发展，未来可以实现利用一根或多根光纤对油气管道内介质的温度、压 力、流量、管壁应力进行分布式在线测量，这在管道监控系统中将极具应用潜力。 因此，江分布式的光纤传感器应用于管道检测有着良好的前景。 （5）应用以软件方法为主、硬件方法为辅的软硬结合的方法进行油气管道泄漏 检测。近年来，由于计算机技术、控制理论、信号处理、模式识

25、别、人工智能等学 科的发展促进了以软件为主的油气管道实时泄漏检测技术的反战，这种方法能实现 实时在线检测，及时给出报警信号，因此这方面的检测技术仍将是研究的热点和趋 势，而且作为非线性时变参数的管道系统，自适应的思想在检测和定位算法中也将 发挥越来越重要的作用。但是基于硬件的而方法有很高的定位精度和较低的误报警 率，因此基于硬件的方法和基于软件的方法实现互补可以满足管道泄漏检测系统的 要求。 （6）提高泄漏检测与定位系统的自适应性、鲁棒性，解决检测灵敏度与误报率 之间的矛盾，并对检测系统进行稳定性、灵敏度、鲁棒性等分析，是衡量一个检测 系统好坏的标准。 （7）音波管道泄漏检测技术是近几年新发展

26、的管道泄漏检测技术。它利用泄漏 点产生的次声波沿管道两壁传播的特点，开发出了配套的软硬件，较好的解决了目 前管道泄漏检测领域存在的一些难点，具有反应灵敏，定位精度高，可靠性强等特 点 西安石油大学本科毕业设计（论文） 5 流体输送管道泄漏检测的方法很多，分类也很多，到目前为止没有一个统一的 分类方法。根据近十几年来国内外相关资料，比较公认的分类方法大致有：基于硬 件和软件的方法、根据测量媒介分类、更具检测装置所处位置分类、根据检测对象 分类、基于信号处理方式分类等等。 20 世纪 80 年代以来，随着计算机、信号处理、模式识别等技术的迅速发展， 基于 SCADA 系统的实时数据采集泄漏检测技术

27、受到了人们越来越多的关注，并逐 渐发展为检测技术的主流和趋势。这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力 信号进行实时分析和处理，以此来检测泄漏并定位。 1.3 课题的研究目的及步骤课题的研究目的及步骤 1.3.1 研究步骤研究步骤 首先利用组态王软件做出压力历史趋势画面，等到泄漏报警发生的时候，手动 在压力波形图上确定首站与末站的压力计检测到的负压波下降沿的时间，然后两个 时间作差（末站减去首站） ，求得时间差，接下来利用负压波检漏公式计算出泄漏点 的位置，即泄漏点到首站的距离。 1.3.2 研究目的研究目的 此课题目的是利用上述步骤确定泄漏点离首站（或末站）的距离，让负责管理 管道的研究和

28、维护人员能在第一时间检测到泄漏发生，并尽快维修管道，尽量把管 道泄漏事故给国家和社会带来的损失降到最低。负压波捡漏的方法在实际工程中的 应用非常广泛，而且特别实用，用到的原理简单易懂，容易操作和分析，接下来介 绍一下本课题所用到的基本原理。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 6 2 组态王软件简介组态王软件简介 2.1 组态王定义概述组态王定义概述 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算 机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 组态王 kingview6.55 是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端 自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标

29、开发的一套产品。该产品以搭建战略 性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库 （KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分 析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得 最优化的结果。 组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内 众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王 kingview6.55 提供 了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用 户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及 web 发布功 能进行

30、了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。 组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王 的历史库或 KingHistorian 为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月 报表、季报表和年报表。此外，还可以实现值的行列统计功能。 组态王在 web 发布方面取得新的突破，全新版的 Web 发布可以实现画面发布， 数据发布和 OCX 控件发布，同时保留了组态王 Web 的所有功能：IE 浏览客户端可 以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE 客户端与 Web 服务器保持高效的数据 同步，通过网络您可以在任何地方获得与 Web 服务器上相同的画面和数据

31、显示、报 表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控 制的功能。 组态王集成了对 KingHistorian 的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和 工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储 容量和存储速度的要求。KingHistorian 是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。 具有单个服务器支持高达 100 万点、256 个并发客户同时存储和检索数据、每秒检 西安石油大学本科毕业设计（论文） 7 索单个变量超过 20000 条记录的强大功能。能够更好地满足高端客户对存储速度和 存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史

32、运行数据的要求。本课题就 可以利用组态王去仿真，操作简单、方便，组态王的监控工能在工程中运用的特别 广泛，后面会用到。 2.2 组态王系统的特点组态王系统的特点 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以 把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接 控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系 统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动 画。 通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组 态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，

33、它 能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控 制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具 有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。本课题就利用了组态王 监控这一层也完成了画面、数据、动画这些过程。 2.3 制作一个工程的一般过程制作一个工程的一般过程 建立新组态王工程的一般过程是： （1）设计图形界面（定义画面） （2）定义设备 （3）构造数据库（定义变量） （4）建立动画连接 （5）运行和调试 需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交 错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要

34、依照此过程考虑三个方面： 图形：用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业 现场和相应的工控设备。 数据：怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库， 此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。 连接：数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样的 动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 因为本课题是利用模拟的数据来运行，所以不需要去连接设备，在上述过程中 并没有用到定义设备这个过程，而其他的过程均用到了，在后面的制作过程中可以 西安石油大学本科毕业设计（论文） 8 看到。 2.4 组态王

35、的主要亮点组态王的主要亮点 （1）可视化操作界面 （2）自动建立 I/O 点 （3）分布式存储报警和历史数据 （4）设备集成能力强，可连接几乎所有设备和系统 本课题就利用到了上述“可视化操作界面”与“历史数据”这两个亮点，为课 题的研究带来了方便。 2.5 组态王的核心性能组态王的核心性能 （1）流程图监控功能 （2）完整的脚本编辑功能 （3）实时趋势监视功能 （4）全面报警功能 （5）历史数据管理功能 （6）报表展示功能 （7）历史数据查询功能 （8）历史趋势图纸 上述中的“实时趋势监视功能”与“历史数据管理功能”等功能在本课题中得 到了广泛的应用，是本课题的核心功能。 2.6 组态王软件总

36、结组态王软件总结 本课题利用历史趋势图的监视功能，实时监测压力波形的变化，一旦产生负压 波，立即停止更新，滑动游标，用函数计算出时间间隔，然后带入负压波检漏公式 计算，这样便能快速的对泄漏点进行定位，让维修人员以最快的速度赶到泄露处维 修管道，尽力把该管道泄漏给国家和社会带来的危害和损失降到最低。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 9 3 负压波简介负压波简介 3.1 负压波技术的基本原理负压波技术的基本原理 水击在管道运行中是时有发生的一种特殊重要现象。通常，管道在稳定状态下 运行时，流体介质各个截面上的流速与压力平均值保持不变，或者变化很微小。由 于介质的流动性，具有“牵一发而动全身”的特

37、点，所输介质的改变、局部管道输 送条件的变化、运行参数的调整、泵站设备故障、介质泄漏等都会引起管道中流体 介质的水力状态发生变化，尤其在突然启停泵、快速开关阀门时，管道中介质各个 截面上的流速与压力将会发生急剧变化，管道运行的稳定状态遭到破坏。在生产上， 把这种管道压力突然发生瞬变，可能危及管道及设备安全的不稳定状态称之为水击。 水击会引起管道中的介质密度、管道压力及管道截面积同步发生周期性的起伏变化， 这种周期性的变化容易造成管道振动，并可能带来严重后果。 3.2 负压波的形成负压波的形成 当流体输送管道因机械、人为、材料失效等原因发生泄漏时，其泄漏部分立即 有物质损失，由此引起故障场所的流

38、体密度减小，压力下降。由于连续性，管道中 的流体不会立即改变流速，流体在泄漏点和相邻的两边区域之间的压力差导致流体 从上下游区域向泄露去填充，从而又引起与泄露区相邻的区域密度和压力的降低。 这种现象依次向泄露区上下游扩散，这在水力学上称为负压波。它的传播速度就是 声波在管道流体中的传播速度。 沿管道传播的负压波包含有关泄露信息，由于管道的波导作用，它能够传播数 十公里以上的 较远距。在管道两端安装的压力传感器捕捉到包含泄露信息的负压波， 就可以检测出泄露。由负压波的传播速度和管道首末两端压力传感器捕捉到的负压 波到达的时间差，就可以进行定位。负压波的传播速度在不同规格管线中并不相同， 在原油中

39、为 1100m/s 左右 。因此，这种方法对数公里的管道可以在几秒内检出，具 有极快速度的响应速度，为及时检测出泄露，防止事故扩大，减少损失赢得宝贵时 间。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 10 3.3 负压波的传播负压波的传播 当管道在距上游端 X 处发生泄漏时，该点的压力降低产生压力波动，这个压力 降向管道两端传播，向两端的传播速度为-，向末端的传播速度为 P P 0 +。由于泄漏产生的压力波动可以参照水击压力计算方法来计算，介质流速的瞬 0 时变化引起的压力值的变化为： )( 2 0 vva g p 上式中由于介质流速瞬时变化引起的压力差； 介质的重度，kg/m3； g重力加速度,m/

40、s2； 负压波在该管道中的传播速度，m/s；a 正常输送时介质的流速，m/s；v 瞬变后的介质流速，m/s。 0 v 3.4 负压波检漏定位原理负压波检漏定位原理 管道泄漏检测软件系统是一个复杂的实时多任务系统，在数据采集显示中，当 已经产生泄漏报警后，根据负压波定位公式，计算泄漏点位置或距离。 当管道发现泄漏时，泄漏处产生因流体物质损失而引起的局部液体减少而出现 瞬时压力降低和速度差。这个瞬时的压力下降，作用在流体介质上，作为减压波源， 通过管线和流体介质向泄漏点的上下游传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时， 泄漏时所产生的减压波就称为负压波，这种方法称为负压波检测法。在管道首末两 端各安装

41、一个压力变送器，根据泄漏产生的负压波传播到。上下游的时间差和管内 的压力波的传播速度就可以计算出漏点的位置，泄漏定位原理如图 3-1 所示： 图图 3-1 如图 3-1 所示，被监测管道长度为 L，管内流体的流速为 V，负压波的波速为 C，泄漏点在距上游泵站 X 的地方，负压波到达管道首站的时间为，到达管道末 1 t 站的时间为。即： 2 t 西安石油大学本科毕业设计（论文） 11 整理可得： 上式中，C 一般在 1100m/s 左右，V 在 13m/s 之间，因此可以忽略 V，因此上式又 可化简为： 上式中 X 代表泄漏点到上游站的距离，单位 m；L 代表监测管道的总长度，单 位 m；C 代

42、表负压波在管输流体中的传播速度，单位 m/s；t 代表上下游压力传感 器接收到负压波的时间差，单位 s。 泄漏检测软件流程本系统软件采用实时多任务的并行诊断机制，可使信息采集、 提取、识别、诊断分析、传输等功能同时执行，不必互相等待，采集频率能够根据 需要进行设置，可以对管道泄漏产生的信号进行精确捕捉，从而提高泄漏检测的精 度。 管线的长度通过实际测量可得到，压力波传播的速度可以根据流体介质的特性 得到，而首末两端压力下降的时间点和根据对压力波形的分析获得。因此，软 1 t 2 t 件的关键是根据现场采集的数据波形进行分析，准确地找到首末两端压力下降的时 间差。 负压波的优点是检测速度快、定位

43、准确、成本费用低。随着新型高精度传感器 的使用和高速计算机的发展，信号检测和信号处理技术正朝着以软件和硬件相结合 的方向发展，负压波法泄漏检测技术具有更大的应用前景。 3.5 负压波泄漏检测的缺陷负压波泄漏检测的缺陷 负压波法灵敏准确，无需建立管线的数学模型，原理简单，适用性强。但它要 求泄漏的发生时快速突发性的，对微小缓慢泄漏不是很有效。该方法主要还存在以 下问题： （1）负压波的传播速度并非常数，它与管壁的弹性、液体的压缩性、管道的摩 擦系数等因素相关。 （2）由于噪声的影响，仅仅使用压力传感器很难精确的检测到负压波的突降点， 即波的时间差的计算精度还有待提高。 （3）由于长输管道系统工况

44、复杂，正常的操作，如泵的启停、阀门的调节等都 会引起负压波，因此能否正确地识别这两种情况下的负压波，对降低误报率，提高 系统的诊断精度有重要意义。 在管道工况复杂时，基于负压波的管道泄漏检测定位技术很难得到令人满意的 检测效果，原因是是因为其原理所限。基于负压波的管道泄漏检测适合于管道外界 环境简单，管道沿线没有高程差，没有大的弯曲或者复杂外界环境的情况下使用。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 12 针对不同的传输介质(石油、天然气)，对前两个问题，国内给出了一定的解决 办法，认为压力波的传播速度受液体的弹性、密度，管材弹性等因素的影响，是一 个变化的物理量，并给出了改进的算法。同时，提出了

45、用小波变换技术提取瞬时负 压波的信号边缘，并对两端的测点信号进行特征点捕捉，实验获得了满意的效果。 对第三个问题，国外有人提出在管道两端各安装两个传感器，通过判断负压波的传 播方向来判定泄漏。依据对不同波形的机理分析，有人提出了一种基于分段积分算 法的结构模式识别方法进行泄漏确认，但该方法在实际的应用中效果并不是很好， 一些问题还有待于进一步的研究。将小波变换用于检测泄漏引发的压力突降点并对 其进行消噪，可以提高精度和对微小泄漏的灵敏度。 需要声明的是，实际情况下的一些因素，例如管道上下坡、石油的流速等等， 都会影响负压波的传输速度。在本课题中，忽略了实际情况下的一些因素，研究的 是理想情况下

46、负压波检漏系统。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 13 4 组态画面制作流程组态画面制作流程 4.1 新建组态王工程新建组态王工程 （1）启动“组态王”工程管理器（ProjManager） ，选择菜单“文件新建工程” 或单击“新建”按钮，弹出“新建工程向导之一对话框” ，如图 4-1 所示 图图 4-1 （2）单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框” ，如图 4-2 所示 图图 4-2 西安石油大学本科毕业设计（论文） 14 （3）输入“负压波定位系统”然后单击下一步会出现如图 4-3 所示对话框 图图 4-3 （4）单击“确定”继续，弹出“新建工程向导之一对话框” ，如图 4-4

47、 所示 图图 4-4 输入“负压波定位系统” ，单击“完成” ，这样新建工程就完成了，并且将此工程文 件夹保存在了 Windows 桌面。 4.2 工程浏览器设置工程浏览器设置 4.2.1 在数据词典中定义变量在数据词典中定义变量 （1）在“工程浏览器-负压波定位系统”中单击“数据词典” ，然后双击“新建” 。如图 4-5 所示 图图 4-5 （2）在图 4-6 中我们可以看到有“基本属性” “报警定义” “记录和安全区”三 西安石油大学本科毕业设计（论文） 15 条。基本属性中的各功能如下： 变量类型：在对话框中只能定义八种基本类型中的一种，用鼠标单击变量类型 下拉列表框列出可供选择的数据类

48、型。当定义有结构模板时，一个结构模板就是一 种变量类型。 变化灵敏度：数据类型为模拟量或整型时此项有效。只有当该数据变量的值变 化幅度超过“变化灵敏度”时， “组态王”才更新与之相连接的画面显示（缺省为 0） 。 最小值：指该变量值在数据库中的下限。 最大值：指该变量值在数据库中的上限。 保存参数：在系统运行时，如果变量的域（可读可写型）值发生了变化，组态 王运行系统退出时，系统自动保存该值。组态王运行系统再次启动后，变量的初始 域值为上次系统运行退出时保存的值。 保存数值：系统运行时，如果变量的值发生了变化，组态王运行系统退出时， 系统自动保存该值。组态王运行系统再次启动后，变量的初始值为上

49、次系统运行退 出时保存的值。 数据变化记录：系统运行时，变量的值发生变化，而且当前变量值与上次的值 之间的差值大于设置的变化灵敏度时，该变量的值才会被记录到历史记录中。这种 记录方式适合于数据变化较快的场合。 变化灵敏度：定义变量变化记录时的阈值。 首先设置变量名，本课题有多个变量名：首站 P1、末站 P2、时间跨度、卷动 百分比、调整跨度、左标时间、右标时间、启动更新、L、V、X。下面对这几个变 量名以及它们的定义细则作详细解释： （1）首站 P1：泄漏点处的负压波传到首站，被首站的压力传感器检测到，此压 力即为首站 P1；因为首站 P1 的变化范围是 0.4-0.9Mpa，而且模拟时不用连接硬件， 所以“变量类型”应该设置为内存实数， “最小值”设置为 0， “最大值”设置为 1， 单位 Mpa；在“保存数值”前打“” ， “变化灵敏度”设置为 0；单击“记录和安全 区” ，选择“数据变化记录” ， “变化灵敏度”设置为 0。如图 4-6 所示 西安石油大学本科毕业设计（论文） 16 图图 4-6 （2）末站 P2：泄漏点处的负压波传到首站，被首站的压力传感器检测到，此压 力即为末站 P2；因为末站 P21 的变化范围是 0.2-0.4Mpa，而且模拟时不