基于动态聚类的气体管道泄漏检测与定位

　　1引言

　　传统负压波法应用于管道泄漏检测定位时依赖流体负压波波速，由于气体是可压缩流体，它在管内流动时密度、压力的变化会导致压力波速的变化，这给负压波法检测气体管道泄漏造成了困难;由于负压波法通常是捕捉管道发生泄漏瞬间压力信号的变化，因而要求对管道进行不间断监控检测，即系统必须24h保持在工作状态。若在此期间，系统发生调试、停电、死机等故障时，由于无法捕捉气体管道发生泄漏的瞬变信息而容易导致气体管道漏报现象。为克服现有方法的不足，本研究针对气体管道已有的稳态泄漏提出一种新的检测方法—主动施扰法。文献[l]、[2]采用人工神经网络方法诊断气体管道泄漏工况，在实际使用中，若用现场数据扩充上述动态网络的样本库时，已有诊断系统需要重新训练才能完成自学习功能，管道监控站的计算机为此需要备份所有样本数据，这样带来了很大的存储负担;同时，由于神经网络的训练涉及大量复杂计算而一般操作人员很少具备相关专业知识，所以样本库更新很不方便，与此相比较，动态聚类分析方法可以根据测试样本所属类别自动调整该类的聚类中心，各聚类中心的在线实时优化使得系统的自学习开销小、实时性好、易于实现。因此系统包含的各种故障工况特征更加丰富，为管道泄漏事故的准确诊断奠定了很好的基础。

　　2主动施扰法原理

　　2.1实验设计

　　长输管道在运行过程中，随着阀门开度的减少，管道中流体的流速也逐渐减少，并且阀门的上游部分压力升高，下游部分压力降低，同时这种压力波会沿管道向上、下游传播，引起管内流体的瞬变流动。本研究通过控制管道末端开关阀的开闭，使得管道内流体产生瞬变流动，根据不同泄漏工况下瞬变流的特点来诊断管道是否发生泄漏并实现泄漏定位。

　　根据上述思路设计的实验系统如图1所示。管道由长84m的钢管组成，在管道中间设置多个调速阀以模拟管道在不同位置发生泄漏，将一电磁开关阀串联到管道末端。需要检测泄漏时，开关阀关闭，在达到稳态值后再将开关阀开启，管道恢复正常流动。由于开关阀的突然关闭和开启，管道内流体发生瞬态流动。检测管道在此期间上、下游两端的压力和流量信号，通过分析出、人口压力和流量信号的动态变化过程，便可以辨识管道是否发生泄漏并实现泄漏定位。数据采集系统以工控计算机为核心，数据采集卡及数字量控制卡选用PCL一812PG、PCLD一780、PCLD-785B。数据采集软件采用M/I刁bVIEW编制。

　　2.2实验数据采集与分析

　　利用上面设计的实验装置，在管道不同位置设置模拟泄漏(假设同一时刻管道中只有1个位置发生泄漏)，根据相同泄漏量不同泄漏位置、相同泄漏位置不同泄漏量等各种工况，设计了实验方案。利用数据采集系统采集管道出人口压力、流量信号，见图2。