双谱在管道两点泄漏定位模型中的应用

    管道是水、石油、天然气等流体运输的重要手段.管道的泄漏不仅会造成一定的财产损失,而且会对人们的生命及环境造成很大的危险.随着管道建设进程的加速,管道的安全性越来越受到关注,尤其是位于城镇地下的燃气管网,其安全性更加不容忽视.

    泄漏定位是发现泄漏后的首要任务,是所有在役管道都必须面对的重要问题.目前常用的泄漏定位模型大多为单点模型,即假设两传感器之间最多只有1个泄漏点.单点泄漏模型的定位有很多种方法,如广义互相关法、互功率谱法等,这些方法均为基于二阶统计量的定位法,通常要求定位模型中的两信号高度相关,噪声不相关;若不符合上述条件,则定位效果不好.随着新的信号处理技术的涌现与发展,越来越多的新理论被引入到管道泄漏定位技术中来,如神经网络、小波分解[1]、EMD(empiricalmode decomposition)技术、导波理论[2]以及盲卷积技术[3]等.

    高阶累积量及其谱是近年来发展起来的基于高阶统计量的信号处理方法,该技术的发展为泄漏点的定位提供了一种新手段.在基于高阶累积量及其谱的定位模型中,通常要求噪声模型为高斯相关噪声,而对信号的相关程度要求不高.该方法优势[4]在于:¹可用于随机信号或确定信号;º对高斯噪声不敏感;»可用于非最小相位系统.高阶累积量的定位方法分为时域定位法和频域定位法,其中频域定位法较为通用.

    管网泄漏模式实际上并不总满足单点模型,对于多点泄漏模型,即两传感器之间的泄漏点多于1个时,仅有Verde[5]讨论了利用管内的流量和压力等因素建立的两点泄漏定位模型,但该模型具有时效性,即无法定位已经存在的泄漏.而广义声发射在理论上可检测定位已经存在或正在发生的泄漏事故.

    根据盲源分离理论[6],当传感器数目大于或等于源信号时,在某些特定的假设前提下,可以将源信号分离出来.依据该理论,对于采用两传感器检测定位泄漏的系统,可以定位两点泄漏.由此,若将广义声发射理论与盲信号处理理论相结合,则可定位两个已经发生或正在发生的泄漏事故.

    本文在假设两泄漏信号独立、信号与噪声独立的前提下,建立了直管道中存在两泄漏点的泄漏模型,并通过变换传感器接收到的泄漏信号与噪声的形式,采用双谱平面中的两条特殊直线上的双谱作为泄漏定位的双谱域,推导了两泄漏点定位的理论公式.实验验证了该方法的有效性.

    1 两点泄漏模型

    流体由压力较高的管内向压力较低的管外逃逸时,会因冲击管壁而在管壁中激发应力波,称之为广义声发射现象.该应力波沿管壁向两端传播,由安装在管壁上的传感器捕获,则可对泄漏点进行检测与定位.