浅谈在基于仿真技术的油气管道堵塞检测及定位理论研究
摘 要：
在油气输送管道中，由于低温、高速流动、搅动等因素的影响，天然气在管道中易形成水合物堵塞管道，而油品则易发生凝结堵塞管道。本文提出了利用管道堵塞前后两端压差的剧烈变化，以及利用管道两端压力的模拟值与实际测量值的巨大差异来检测管道的堵塞的方法，并首次提出通过检测管道水力坡降曲线奇异点的方法确定油气管道的堵塞位置的原理和方法，它通过采集管道两端运行参数，并建立管道运行的数学模型，对管道实施仿真，获得整条管线的水力坡降曲线，再应用小波变换对管道的水力坡降曲线进行奇异性检测，而管道水力坡降曲线的奇异点将对应管道的堵塞位置。该方法具有所需设备少，操作费用低，操作简单等优点，优于现有管道堵塞位置确定方法。
关键词：管道堵塞 定位 仿真 检测 小波变换
1. 引言
管道输送是我国五大运输方式之一，由于北方冬季气温一般在-15℃~-30℃ 左右，在冰冻期内，脱水不完全的天然气气在输送过程中，水在气管线内壁上凝聚，造成管内介质流动孔径变小，流动受阻，能耗增加，严重时便会造成管道局部冰堵，而对于原油管线，则易发生凝管。如格拉输油管道，曾发生了2次严重的冻堵事故，仅一次排堵工作就进行了长达5个月之久，严重地影响了输油任务的完成。此外，在温度较高的南方地区， 由于高速流动、搅动、高压脉动等因素的影响，在管道弯头、孔板、粗糙的管壁等特定位置，天然气也易形成水合物堵塞管道，若不能及时处理将会造成巨大的经济损失。
近几年来，对于管线堵塞位置检测技术主要有以下几种方法：钻孔法、敲击法、理论数值分析法、超声波法、应力应变测试法。国内在应力应变测试法方面有一定应用[1]，该方法需将管道开挖露出沿管道不断的测试管道变形程度，工作量大，操作费用高。
本文提出了一种基于仿真技术的管道堵塞检测及定位的方法。该方法通过采集管道两端的运行参数，对管道实施仿真，获得整条管线的水力坡降曲线，再对管道的水力坡降曲线进行奇异性检测，从而确定管道堵塞的位置，无需开挖管线，投资少，操作方便，有着广阔的应用前景。
2 油气管道仿真技术研究
2.1 油气管道瞬态模型
介质在管道中的流动可视为一元流动，由于介质的运动必然满足质量守恒、动量守恒、和能量守恒，因此，可以根据流体力学建立介质流动的连续性方程(1)、动量方程(2)和能量方程(3)，这些方程描述了流体的压力、温度、流量等之间的关系[2]。
可以看到以上三个微分方程较为复杂，求解非常困难。一般使用特征线法和隐式差分法【1】进行求解。
2.2 油气模型的求解
运用特征线法对方程(1)、(2)、(3)联立求解得到三组特征方程：
我们将管道划分为N等份,每一等份长度为Dx，取时间步长Dt = Dx / a。将以上三组特征方程表示在管道系统的x - t 平面上( x轴为管道方向，t轴为仿真的时间)，如图1所示，可以用节点1，2，3的参数计算出节点4的参数。因此，可以采集管道两端的压力、温度、流量参数作为边界条件，对整个管道的状态进行仿真，从而得到管道的水力坡降曲线。
3 油气管道堵塞检测及定位理论研究
3.1 油气管道的堵塞检测
方法1:依据管道堵塞前后管道两端压差的剧烈变化，我们就可以判定管道发生了堵塞。
以天然气输送管道为例，如图2所示，当天然气管道处于正常运行状态时，管道全线的水力坡降曲线为曲线1，当距离管道起点0 x 处发生冰堵后，堵塞点前由于管线憋压，压力上升，流速变缓，而堵塞点后的管段由于失去部分能量供给压力下降，气体膨胀，流速加快，其水力坡降曲线为曲线2，当管道完全堵塞时，管内气体基本停止流动，其水力坡降曲线为曲线3。
可以看到，当管道正常运行时，管道两端的压差为1 DP，而当管道发生堵塞时，管线两端一头憋压，一头失压，压差骤增为2 DP ，当D - D > e 2 1 P P 时判断管道发生了堵塞，e 为给定的检测门限值。众多的管道堵塞事故表明，该方法切实可行。
方法2：如图3所示，利用管道首端所采集的参数对管道实施从首端到末端的逐步仿真[3]，从而模拟出管道末端的压力(如曲线1)，或者利用管道末端所采集的参数对管道实施从末端到首端的逐步仿真[3]，从而模拟出管道首端的压力(如曲线2)，将模拟值与实际测量值进行比较，当1 DP或2 DP 大于给定的门限值e 时，判断管道发生堵塞。
3.2 油气管道堵塞定位原理
油气管道堵塞将导致管道的运行参数发生变化，这一变化可以明确的表示在水力坡降曲线上，而管道的水力坡降曲线可以采用第二部分所介绍的管道仿真技术模拟。如图2 所示，当管道处于平稳运行状态时，其水力坡降曲线1 平稳光滑，而当管道部分堵塞乃至完全堵塞时，其水力坡降曲线在堵塞点将发生剧烈变化，也就是出现了突变奇异点。因此，我们可以通过检测管道水力坡降曲线的突变点以及突变点所对应的管道网格节点号，来确定堵塞发生的位置。
将水力坡降曲线表示为函数f (t)，本文采用小波变换识别水力坡降曲线的突变信号。
小波变换法是一种在时频两域均具有良好局部特性的信号处理方法。卷积型小波变换的定义维函数y (t)在尺度因子a下作拉伸后得到的。
小波变换具有多分辨率的特点，可以由粗及精的分析信号，它是检测低能量的短暂瞬变信号的有效手段，非常适用于检测水力坡降曲线的突变点。
如果函数q (t)满足则我们称其为光滑函数。在信号的奇异性检测中我们通常选择光滑函数的一阶导数作为母小波(如一阶高斯函数)，即这样式(7)可以写成式(10)：
此时小波变换 a WT f t 被表示为信号f (t)在尺度a 被θ(t)平滑后的一阶导数。而a WT f t 的模极大值点对应于f (t)的突变点。利用这个原理，我们就可以实现压力信号奇异点的检测，从而实现管道的堵塞定位。应当注意，当尺度a 发生变化时(t) a q 的宽度将发生变化， a WT f t 的模极大值点的位置也会发生微小的变化，因此，在确定压力信号奇异点位置时应综合考虑多个尺度下小波变换所反映的突变点信息，对不同尺度小波变换的结果进行平均：
平均处理后的小波变换结果既保留了比较准确的峰值位置和比较窄的尖峰形状，又较好的去除了伪极值。WTf (t)的极值点位置相当于不同尺度下小波变换极值点位置的平均，利用WTf (t)的极值点位置，可以确定f (t)突变点。
4 结束语
1.利用堵塞前后管道两端压差的剧烈变化能够有效的检测出管道的堵塞。利用管道两端压力的模拟值与实际测量值比较，也可以有效的检测出管道的堵塞。
2.管道水力坡降曲线的突变点很好的反应了油气管道的堵塞位置信息。通过检测其突变点，便可以确定管道的堵塞位置。
3.小波变换法能够有效地提取水力坡降曲线的突变信息，小波变换模极大值准确的对应了管道水力坡降曲线的突变点。
4.堵塞位置的定位精度取决于管道水力坡降曲线的仿真精度，仿真精度越高，则定位精度越高，因此，有必要加强管道仿真技术的研究
