常压燃气锅炉金属软接头：基于次声波的清管器在线跟踪定位系统

基于次声波的清管器在线跟踪定位系统

田野

中*石油西部管道公司

摘要：为提升管道输送效率，长输管道需要定期开展清管作业。传统的清管器跟踪方法误报较多，无法实时准确判断清管器位置。利用次声波检测技术采集清管器在管道中运行时产生的次声信号，通过上下游两个传感器收到次声信号的时间差即可推算清管器的位置，实现在线跟踪。设计开发了清管器在线跟踪定位系统，由传感器、多套数据采集系统和*个数据处理中心组成。通过西二线某站间距试验验证了系统良好的跟踪效果，.大地提高了清管作业效率。

关键词：次声检测；清管器跟踪，定位系统

为保障管道运行安全，提升输送效率，长输管道需要定期开展清管作业[1-2]。清管作业中由于地势起伏、管道变形缩径、冰堵等原因会造成清管器卡堵，如不及时处理会影响油气输送甚*危及生产安全，因此，对卡堵的清管器准确定位.为重要。

长输油气管道中的清管器跟踪定位常采用二种方式，*种是机械式或电磁感应式的通球指示器；*种是发射超低频信号的电子跟踪仪。这二种方法误报较多，并且不能实时跟踪定位。需要在管道沿线每几公里预设接收仪，或在跟踪点由人工监听判断，无法实时准确识别清管器的运行状态和卡堵位置[3-4]。

目前，基于次声波的管道泄漏检测技术已较为成熟，可以利用清管器在管道中运行时产生的次声信号，借助系统的远程通信功能将声波数据传回监控中心，通过数据分析和处理，得到清管器的运行状态、运行速度和实时位置。次声实时跟踪定位技术能消除清管过程中环境、天气、交通等客观条件对传统跟踪方法的影响，保障人员安全，降低作业成本[5-6]。

1 次声波的检测与定位技术

清管器在管路内的运动规律遵守流体力学的基本定律，其在管道中等效于*个活塞，运动状态会使输送介质产生压力波动，这种波动以声能的形式沿管道辐射，且次声频段传播距离较远。清管器在运行时，其前段压力会产生瞬间上升突变，后端压力会产生瞬间下降突变，从而形成*对同步反相双声源。

按照清管器的相对位置，清管器产生的双声源沿管道辐射的声波可以分成球前波和球后波两部分。球前波和球后波具有波形相同、相位相反的.点。球前波的主要能量是球前声源，传播方向是球前进方向（下游方向）；而球后波主要是球后声源，传播方向与球前进方向相反（上游方向），如图1所示。

图1 清管器运行过程中产生球前波和球后波

在上游和下游各安装*个次声传感器，分别测量球前波和球后波，利用两个传感器收到次声信号的时间差即可推算清管器的位置，从而实现远程实时跟踪定位清管器的目的。为了简化运算，需要作如下假设：

（1）球前声源和球后声源位置相同（忽略球的长度）。

（2）在两探测点收到信号的时差内，球的位置没变（球速过快需要设置系统补偿）。

（3）球前波向球前进方向传播，球后波反向传播，与球前波波速相同，相位相反。

理想条件下系统模型如图2所示。

图 2 系统模型示意

2 系统硬件设计

由上述原理可知，当清管器位于两个次声传感器之间时，跟踪系统才能够进行准确定位，所以必须形成*个分布式系统，由多套数据采集系统和*个数据处理中心组成。数据采集系统属于前端设备，安装在管线的场站（压气站、分输站、清管站和阀室），并需要所在站场和阀室提**个靠近主管道的次声传感器安装位置，由通讯接口进行信号传递。数据处理中心可以安装在管线的监控中心，通过管线配备的光缆通讯系统汇集各场站采集的数据并进行运算、数据存储和结果展示。系统组成如图 3所示。

图 3 清管器次声跟踪定位系统硬件构成

每套数据采集系统包括*个次声传感器、*条电缆（信号和*电）、*部数据采集器（包括GPS定时和网络通讯功能），其组成、支撑条件和安装示意如图 4所示，图中虚线框为支撑条件。

图 4 数据采集系统组成和安装示意

数据处理中心为*台工作站，需要监控中心配备*电和网络通讯接口。必要时可配备打印机、大显示屏接口等。

3 软件结构设计

清管器跟踪定位系统是分布式系统，软件分场站子系统软件和数据处理中心软件两部分。场站和阀室子系统软件为嵌入式软件，所有功能利用数采器内部的CPU完成。其功能为：

（1）实时采集传感器的数据信息。

（2）检测场站子系统设备的工作状态。

（3）接收GPS定时信号、校准数采器的内部时钟。

（4）规范传感器数据格式并为实时数据标记时间。

（5）与数据处理中心软件通讯，接收并执行命令，上传数据。

数据处理中心软件结构如图5所示。

图 5 数据处理中心软件构成

4 试验验证

在西二线某站间距之间，每隔30千米在场站或阀室安装*个次声传感器，以清管器在该站间距运行检测到的次声信号为例，分析清管器起动、清管器运行和清管器卡堵/停止三种状态中产生的次声信号。

4.1清管器起动

清管器起动包括清管器发球起动和运行中卡堵后的起动。

系统对清管器起动的处理流程如图6所示。

图 6 清管器起动流程

数据输入后，.先进入数据队列。在数据队列中提取异常信号，然后对异常信号进行判别，是否为起球信号。如果为起球信号，则输出起球状态。

清管器起动次声信号波形如图7所示，图7上为传感器检测到的次声相对强度：为了便于分析，图7下对原始信号进行了滤波处理和强度归*化处理。

图 7 清管器起动的次声信号波形

如图 7所示，清管器在静止状态下，传感器检测到的信号比较平缓。当清管器起动时，次声信号产生突变。利用这*.性，可以清楚判别清管器是否开始运行。

4.2清管器运行

清管器运行跟踪处理流程如图8所示。

图 8 清管器行进跟踪处理流程

数据输入后，.先进入上下游数据队列。利用上游传感器检测到的信号作为目标信号，并判别是否为卡堵信号。如果不是卡堵信号则要进行相应的状态输出。然后进行站间匹配，上游信号作为匹配信号，下游信号作为被匹配信号，然后求出匹配.大值，输出相关状态信息。站间匹配结束后，进行相应的信号移位，为下*次信号匹配作准备。

清管器行进中，在某*时刻、某*位置产生的信号向上下游的传播遵守能量守恒定律，结合相关算法，可以判别清管器在某*时刻的位置。清管器跟踪效果见图9。