融合多信號源的地下風(fēng)管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施 劍，羅 宇

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引 言

新風(fēng)及配套系統(tǒng)是地下實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量降低環(huán)境本底輻射對實(shí)驗(yàn)的干擾[1]，尤其是降低惰性氣體氡的含量。氡的放射性主要源于238 U系列衰變子體222 Rn。222 Rn及其子體發(fā)生α衰變和γ躍遷產(chǎn)生的α和γ射線會(huì)對低本底高純鍺γ能譜測量裝置以及暗物質(zhì)、無中微子雙β衰變和中微子等稀有事件探測實(shí)驗(yàn)構(gòu)成本底干擾，限制實(shí)驗(yàn)靈敏度的提升。某地下實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)及配套系統(tǒng)使用氮?dú)鉀_刷屏蔽體的內(nèi)腔，進(jìn)一步降低了氡本底輻射干擾，同時(shí)保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)良好，有效降低了實(shí)驗(yàn)大廳的氡濃度。另一方面，泄漏監(jiān)測成為新風(fēng)系統(tǒng)管道安全管理的重要難題，為防止氡進(jìn)入新風(fēng)系統(tǒng)，確保某地下實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行，迫切需要研究通風(fēng)管道泄漏監(jiān)測的方法，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測技術(shù)的突破。

1 通風(fēng)管道泄漏監(jiān)測技術(shù)

由于工作原理和工作環(huán)境的限制，通風(fēng)管道的工況與長輸管道存在很大區(qū)別，因此泄漏監(jiān)測系統(tǒng)也面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，其主要技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)為壓力低、管徑大，泄漏等故障信號強(qiáng)度低。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，通風(fēng)管道起始處壓力值約為12.9 KPa，末端直接接通屏蔽試驗(yàn)區(qū)，因此其壓力接近環(huán)境氣壓。管道泄漏產(chǎn)生的聲波強(qiáng)度隨壓力的減小呈現(xiàn)出強(qiáng)勢的遞減。其次，通風(fēng)管道的管徑較大——直徑為800 mm，厚度為27 mm，內(nèi)徑為746 mm，因此，根據(jù)流體力學(xué)原理，當(dāng)管道發(fā)生泄漏孔徑小于10 mm時(shí)，聲波強(qiáng)度較弱。由于以上兩個(gè)條件疊加，導(dǎo)致通風(fēng)管道的泄漏監(jiān)測難度極大。理論分析表明，相較于條件類似的中低壓氣體模擬管道(內(nèi)徑小于89 mm，工作壓力0.2 MPa，泄漏孔徑3～10 mm)，通風(fēng)管道的聲波信號強(qiáng)度低50倍以上。

2 融合多信號源的通風(fēng)管道泄漏監(jiān)測方法

2.1 通風(fēng)管道泄漏監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前較實(shí)用的管道泄漏監(jiān)測技術(shù)有直接檢測技術(shù)(檢測泄漏液體的地表痕跡或其揮發(fā)氣體，或者采用人工巡線或機(jī)載儀器飛行巡線檢漏)和間接檢測技術(shù)(測量管道系統(tǒng)在泄漏時(shí)的壓力、壓力波、流量、聲音等物理參數(shù)的變化)[2]，后者是當(dāng)前管網(wǎng)的主流檢測方法。本研究基于后者采用基于信號處理的方法——次聲波法、負(fù)壓波法[3-4]。

2.1.1 次聲波法

在壓力作用下，管道介質(zhì)在管道泄漏瞬間會(huì)激發(fā)形成一個(gè)脈沖波信號，該信號沿介質(zhì)向兩端傳播，經(jīng)傳播衰減，可在幾十公里外接收到次聲波信號[5]。采用維納濾波法、自適應(yīng)濾波法等分別濾除管道運(yùn)行的背景噪聲和管道操作中產(chǎn)生的各種干擾，提取增強(qiáng)后信號的時(shí)域、頻域、倒譜等特征向量，輸入識(shí)別器進(jìn)行模式分類。實(shí)際上，管道因壓力、溫度、流體特性、背景噪聲等物理參數(shù)不同，運(yùn)行存在巨大差異。為了使實(shí)時(shí)識(shí)別器模型更快更好地適應(yīng)管道的現(xiàn)場運(yùn)行狀況和操作干擾，提高識(shí)別精度，可以利用這些數(shù)據(jù)對通用模型實(shí)施訓(xùn)練。

2.1.2 負(fù)壓波法

如圖1所示，泄漏點(diǎn)的壓降沿管道向兩端擴(kuò)散，形成的負(fù)壓波的傳輸速度等同于流體中聲波的傳播速度[6]。因此，根據(jù)至上游站的距離L、負(fù)壓波傳播到上、下游站的時(shí)間(t1、t2)之差以及管輸介質(zhì)中負(fù)壓波的傳播速度a，利用式(1)可以確定泄漏點(diǎn)至上游站的距離x[7]：

圖1 負(fù)壓波檢漏定位原理

(1)

t1、t2和a是影響泄漏點(diǎn)定位精度的關(guān)鍵參數(shù)。t1、t2與液體密度(隨溫度變化)、管材彈性系數(shù)等因素有關(guān)；在管線流溫變化較小時(shí)，可將參數(shù)a看作常數(shù)，反之則需對a進(jìn)行修正[8]。一般采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步器技術(shù)保證數(shù)據(jù)同步，利用小波變換等技術(shù)在大量工業(yè)噪聲中準(zhǔn)確識(shí)別泄漏產(chǎn)生的弱負(fù)壓波[9]。對于可能出現(xiàn)的泵與管道的調(diào)節(jié)操作產(chǎn)生的負(fù)壓波，可以結(jié)合負(fù)壓波法與流量輸差檢漏，加強(qiáng)對流量變化的分析，提升檢漏的靈敏度[10]。

2.2 融合多信號源的風(fēng)管檢漏方法

針對管道工作壓力低、管徑大、泄漏等故障信號強(qiáng)度低的技術(shù)難點(diǎn)，采取一種融合管道內(nèi)外部聲波等多信號源的泄漏監(jiān)測方法——管道發(fā)生泄漏時(shí)，氣體從泄漏點(diǎn)流出，將產(chǎn)生頻率成分極其復(fù)雜的聲學(xué)信號，包括次聲波信號、可聽聲信號和超聲信號。采用多種精密傳感器，采集管道內(nèi)部和外部聲波等多種信號源，通過信號放大濾波、信息融合等處理方式，提升管道檢漏的靈敏度[11]。

3 基于融合多信號源方法的通風(fēng)管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)采用融合管道內(nèi)部和管道外部聲波等多信號源的管道泄漏監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)對管道泄漏、堵塞等安全事件的監(jiān)測和定位[12]，其主要設(shè)備是監(jiān)控終端和泄漏監(jiān)測服務(wù)器。風(fēng)管安全監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行需要計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)支持。

圖2 風(fēng)管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)原理

(1)監(jiān)控終端。

包括聲波傳感器、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步器和信號處理機(jī)等部件。用于采集管道內(nèi)、管壁、管道外的聲波和震動(dòng)信號，將其傳輸?shù)叫孤┍O(jiān)測定位服務(wù)器。監(jiān)控終端還具有自檢功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測并顯示傳感器、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步器等設(shè)備的工作狀況。

(2)聲波傳感器。

主傳感器采用管道內(nèi)/管壁/管道外聲波信號和震動(dòng)傳感器。聲波傳感器敏捷地將這些聲波信號轉(zhuǎn)換為電流信號傳輸至前端處理模塊。為有效獲取管壁震動(dòng)信號，震動(dòng)傳感器采用高靈敏度加速度傳感器和聲傳感器。

(3)信號調(diào)理模塊。

調(diào)理泄漏產(chǎn)生的聲波信號(在工況限制下信號較弱，傳輸衰減較大)并提取出有效信號傳輸給監(jiān)控終端，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，在第一時(shí)間將故障信息發(fā)送給監(jiān)控終端，保證系統(tǒng)正常工作。

(4)泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器[13]。

其硬件構(gòu)成是性價(jià)比和穩(wěn)定性高的PC服務(wù)器，其軟件構(gòu)成是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管道泄漏監(jiān)測軟件。主要匯聚來自不同地點(diǎn)的監(jiān)控終端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與系統(tǒng)軟件(用于處理和識(shí)別來自各終端的聲波數(shù)據(jù)，判斷是否泄漏，并依據(jù)聲波信號到達(dá)各終端的時(shí)間差及管網(wǎng)拓?fù)涠ㄎ恍孤c(diǎn))的通信，建立并維護(hù)各終端的通信信道；利用各網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步器時(shí)鐘信號對其發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的時(shí)間同步。

(5)通信系統(tǒng)。

監(jiān)控終端將聲波數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器。風(fēng)管安全監(jiān)測系統(tǒng)通常直接使用管道SCADA系統(tǒng)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)。使用已有光纖網(wǎng)絡(luò)，并加密監(jiān)控終端與服務(wù)器之間傳送的數(shù)據(jù)，能夠保障公網(wǎng)中通信的可靠性。系統(tǒng)有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)完整檢查和出錯(cuò)重傳機(jī)制，保證全部數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確可靠地傳遞，在惡劣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能正常工作。

(6)軟件接口。

風(fēng)管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)、人機(jī)界面及其他第三方軟件采用OPC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。系統(tǒng)可以通過OPC接口從SCADA系統(tǒng)獲取壓力、溫度和流量等數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，降低誤報(bào)率。通過OPC接口向人機(jī)界面軟件，如Citect、IFix和Labview等提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、管道泄漏報(bào)警燈信息。用戶在人機(jī)界面的各種操作也通過OPC接口傳遞給系統(tǒng)核心模塊。通過OPC接口和三參數(shù)法管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、模擬仿真系統(tǒng)、管壁聲波預(yù)警系統(tǒng)、管道光纖預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)較高的靈活性。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)管道泄漏發(fā)生后，管道內(nèi)部高速流動(dòng)的氣體(風(fēng)速9.6 m/s～11.6 m/s)將會(huì)通過泄漏口噴出，在發(fā)生泄漏瞬間，氣體噴出將形成一個(gè)沖擊波，產(chǎn)生頻率成分極其復(fù)雜的聲學(xué)信號，包括次聲波信號(<10 Hz)、可聽聲信號(20 Hz～20 kHz)和超聲信號(>20 kHz)。可聽聲信號和非常微弱的次聲波信號將在泄漏發(fā)生后持續(xù)產(chǎn)生。聲學(xué)信號的高頻段沿著管道內(nèi)介質(zhì)、管壁及管道外空氣傳播衰減極快，作用距離很短。根據(jù)伯努利方程及氣體流動(dòng)性方程，以及泄漏口面積A、容器內(nèi)氣體絕對壓力p1、氣體摩爾質(zhì)量M、摩爾氣體常數(shù)R(取8.314 J/mol·K)、容器內(nèi)氣溫T1、環(huán)境絕對壓力p、泄漏口氣體的臨界壓力p1、氣體等熵指數(shù)k等參數(shù)，可以推導(dǎo)出氣體流泄漏強(qiáng)度Qm的計(jì)算公式：

(2)

由于通風(fēng)管道內(nèi)部運(yùn)行壓力很低，氣體在泄漏口處于亞音速流動(dòng)態(tài)。如圖3，通過沿管道每隔一段距離連續(xù)安裝聲波傳感器陣列和加速度傳感器陣列對管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 管道泄漏監(jiān)控定位原理

一旦發(fā)生泄漏，管道中產(chǎn)生的某個(gè)頻段的聲波將通過管內(nèi)氣體傳播，并將通過管外空氣傳播至兩端最近的風(fēng)壓聲波傳感器陣列。同時(shí)，通過管壁振動(dòng)傳播至兩端最近的風(fēng)壓加速度傳感器陣列。利用一組傳感器陣列對信號的DOA估計(jì)，或者利用兩組傳感器陣列對信號進(jìn)行球面交匯解算，再根據(jù)管道直徑和弧面計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。根據(jù)由點(diǎn)聲源產(chǎn)生的聲功率Lw(基準(zhǔn)聲功率為1 pw)、指向性校正Dc(全指向性為0 dB)以及從點(diǎn)聲源到接收點(diǎn)聲傳播時(shí)全部倍頻帶衰減損失A，可由式(3)計(jì)算出接收點(diǎn)位置的聲功率Lgr[14]：

LfT(DW)=Lw+Dc-A

(3)

根據(jù)幾何發(fā)散引起的衰減Adiv(Adiv=[20lg(d/d0)+11]dB，其中d表示由聲源到接收點(diǎn)的距離(m)，d0為參考距離1 m)、地面效應(yīng)引起的衰減Agr(Agr=4.8-(2hm/d)[17+(300/d)]≥0 dB，其中d表示由聲源到接收點(diǎn)的距離(m)，hm表示傳播路程的平均離地高度(m))、加屏障引起的衰減Abar、其他多方面效應(yīng)引起的衰減Amisc以及大氣吸收引起的衰減Aatm(Aatm=αd/1 000，其中α為大氣衰減系數(shù)(db/km)，大氣環(huán)境下的衰減系數(shù)α見表1)，可利用式(4)計(jì)算出A的值：

A=Adiv+Aatm+Agr+Abar+Amisc

(4)

表1 倍頻帶噪聲大氣衰減系數(shù)α

綜上，某地下實(shí)驗(yàn)室的溫度常年不高，按10 ℃計(jì)算，當(dāng)距離為20 m時(shí)，Adiv=37 dB，Aatm=0.656 dB(對于4 kHz)，Agr=4.47 dB(離地0.1 m計(jì)算)，共衰減約42.126 dB；當(dāng)距離為100 m時(shí)，Adiv=51 dB，Aatm=3.28 dB(對于4 kHz)，Agr=4.76 dB(離地0.1 m計(jì)算)，共衰減約59.04 dB。以上初略計(jì)算表明，隨距離增大(過100 m后)，主要衰減由幾何發(fā)散及大氣吸收所引起，幾何發(fā)散引起的衰減值和大氣吸收引起的衰減值與距離分別呈指數(shù)關(guān)系和線性關(guān)系。聲波傳感器的接收靈敏度大部分位于-48 dB～-60 dB的區(qū)間。為了使聲波傳感器能更有效地接收到泄漏產(chǎn)生的中低頻聲波，沿管道每隔20 m設(shè)置一組風(fēng)壓聲波傳感器。另外，測試實(shí)驗(yàn)表明，在進(jìn)行管壁音波信號采集時(shí)，加速度傳感器的有效作用距離大約為1 000 m，因此選擇沿管道每隔500 m設(shè)置一組風(fēng)壓加速度傳感器。

3.3 測 試

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

選取三根風(fēng)管其中一根的某些典型測試點(diǎn)進(jìn)行測試驗(yàn)證。在最上面一根風(fēng)管的進(jìn)風(fēng)口處、最中間段以及風(fēng)管末端的兩組傳感器之間開三個(gè)測試孔，每個(gè)測試孔分別設(shè)置泄漏孔徑為9 mm、6.76 mm、4.5 mm的限流孔板。進(jìn)風(fēng)口處的特點(diǎn)是風(fēng)壓最大(測試時(shí)運(yùn)行壓力為0.01 MPa)、噪音最大，風(fēng)管末端的特點(diǎn)是風(fēng)壓最小、噪音最小，最中間段的特點(diǎn)是風(fēng)壓和噪音適中(測試時(shí)運(yùn)行壓力為0.005 MPa)。通過對這三個(gè)典型測試點(diǎn)不同的泄漏孔徑進(jìn)行放氣測試，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，從而使得系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。用于典型測試點(diǎn)的針型閥安裝如圖4所示。

圖4 風(fēng)壓監(jiān)控泄漏測試方案示意圖

總共采集到36組數(shù)據(jù)目錄列表，每個(gè)目錄下對應(yīng)若干采集波形，如圖5所示。其中，音軌-2.wav、音軌-3.wav、音軌-4.wav、音軌-5.wav分別為聲波傳感器陣列四個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)，音軌.wav為陣列信號處理增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)，音軌-6.wav為其余數(shù)據(jù)。

圖5 采集到的36組波形

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

如圖6所示，選取展示36組數(shù)據(jù)中的一組，自上而下第一個(gè)波形為陣列信號處理增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)，后四個(gè)波形分別為聲波傳感器陣列四個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)。可看出，經(jīng)過陣列信號處理，放氣聲信噪比有一定程度提升。

圖6 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行陣列信號處理

3.3.3 測試數(shù)據(jù)分析

程序中設(shè)置數(shù)據(jù)源：(r"/home/blursj/work/DATA-CJPL/skd-j6/20191231/201912311458-m/音軌.wav", "rb")。選擇該組數(shù)據(jù)，放氣時(shí)刻為2019年12月31日14點(diǎn)58分，根據(jù)原始記錄表，對應(yīng)距離為30米管道運(yùn)行壓力為0.005 MPa模擬風(fēng)管管道處于中間段的泄漏孔徑為6.75 mm的泄漏數(shù)據(jù)。經(jīng)信號預(yù)處理和檢測算法[14]，分析過程和結(jié)果如圖7～圖9所示。其中圖7為經(jīng)過陣列信號處理增強(qiáng)后的聲學(xué)數(shù)據(jù)，圖8為信號處理中特征數(shù)據(jù)三維展示圖，圖9為放氣聲端點(diǎn)檢測算法處理結(jié)果圖。可以看出，作用距離為30米遠(yuǎn)處，相對安靜情況下，雖然采集到的放氣的聲音基本淹沒在背景噪聲中，但是信號處理后的特征數(shù)據(jù)還是比較明顯，因此檢測算法得到的對應(yīng)放氣聲所在的檢測值出現(xiàn)明顯的尖峰，通過歸一化處理能夠成功檢測到有效的泄漏事件。

圖7 經(jīng)過陣列信號處理增強(qiáng)后的原始聲學(xué)數(shù)據(jù)

圖8 信號處理中特征數(shù)據(jù)三維展示

圖9 放氣聲端點(diǎn)檢測算法處理結(jié)果

4 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)際放氣測試驗(yàn)證，基于融合多信號源方法的底下通風(fēng)管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，在檢測靈敏度方面，可以對大于管道設(shè)計(jì)流量的3%的泄漏進(jìn)行報(bào)警定位；定位誤差小于10米；在反應(yīng)時(shí)間方面，能實(shí)現(xiàn)在泄漏發(fā)生后的300秒內(nèi)做出正確的泄漏報(bào)警；在數(shù)據(jù)管理方面，具備有關(guān)管道一年以上泄漏歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查閱功能。由于通風(fēng)管道現(xiàn)場工況的差異，系統(tǒng)實(shí)際性能指標(biāo)可能受相應(yīng)管段的背景噪聲、運(yùn)行壓力等因素影響[15]。