應用領域：維護/現場測試
使用產品：LabVIEW, Application Builder, Signal Processing Tool kit, PCI-6023E數據采集卡（10塊）以及相應電纜和接線端子
挑戰：近年來我國原油泄漏事故頻仍，造成巨大經濟損失和環境污染，需要及時發現并能精確定位的監測系統。
應用方案：使用National Instruments公司的虛擬儀器開發平臺LabVIEW和數據采集卡，監視管道運行狀況，并利用電話線路構成通信網絡，建立一個實時性較好的監測系統。
介紹：本文介紹了負壓波法監測原油管道泄漏的原理，并針對中國原油的特點，提出了改進方法。結合LabVIEW的特點，本文分析了基于虛擬儀器的泄漏監測系統的數據采集、信號處理和整體結構。該系統反映靈敏，定位精度高，在勝利油田臨盤-濟南和華東石油管理局滄州-臨邑兩條管線已經取得了明顯的效果。

一、泄漏監測與定位的原理
隨著管道的建設，各種監測技術也在不斷發展，目前應用于管道泄漏監測的主要有壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法等物理方法和一些化學方法，這些方法的特點和應用場合各不相同。國外雖然有比較成熟的技術，但是不能夠適應中國原油輸送的特點，而且價格昂貴。在國內，多家大學和油田均做過一定研究，但到目前為止，只有天津大學研制的系統成功地應用于現場，取得了顯著的經濟效益。
我國近年來的原油泄漏主要是因為人為破壞造成的，特點是持續時間短、泄漏量較大，屬于突發性事故，我們采用負壓力波檢測法。1997年我們為華東石油管理局濮陽-滑縣的管線設計了一套泄漏監測系統，是在DOS操作系統下用C語言實現的，其主要缺點是無法實現多任務，數據采集和通信不能同時進行。從2000年初至今，我們使用LabVIEW平臺，設計并不斷完善了基于虛擬儀器的原油管道泄漏監測系統，已經成功地安裝于臨盤-濟南和滄州-臨邑的兩條管線上。

負壓力波法是一種聲學方法，所謂壓力波實際是在管輸介質中傳播的聲波。當管道發生泄漏時，由于管道內外的壓差，泄漏點的流體迅速流失，壓力下降。泄漏點兩邊的液體由于壓差而向泄漏點處補充。這一過程依次向上下游傳遞，相當于泄漏點處產生了以一定速度傳播的負壓力波。根據泄漏產生的負壓波傳播到上下游的時間差和管內壓力波的傳播速度就可以計算出泄漏點的位置。定位的原理如圖1所示，L為管道長度，X為泄漏點，t1，t2為負壓波傳播到上下游的時間。圖2為采集到的負壓波波形，縱坐標單位為MPa。

圖1 負壓波定位原理

圖2 負壓波波形

常規的負壓波法定位公式為：

(1)

其中a為管輸介質中壓力波的傳播速度，Dt為上、下游傳感器接收壓力波的時間差。
此公式的前提是壓力波速為常數，但是聲波的速度與媒質的密度、壓力、比熱和管道的材質都有關。由于國外大多是輕質油，常溫輸送即可，原油的密度沿管線變化不大，所以波速可以看作常數。而我國的原油具有高粘度、高含蠟和高凝點的特點，必須加熱輸送。由于管道傳輸距離長，散熱明顯，一般沿程的溫度變化約十幾到二十幾攝氏度，所以壓力波的傳播速度并不是一個常數，受溫度影響很大。考慮到液體的彈性、密度和管材的彈性的因素，壓力波傳播速度a重新寫為：

（2）

其中K為液體的體積彈性系數，r為液體的密度，E為管材的彈性模量，D為管道直徑，e為管壁厚度，C1為與管道約束條件有關的修正系數。其中體積彈性系數K和密度r都是溫度的函數。所以采集壓力的同時還要采集管道的溫度用來校正壓力波的傳播速度。
流量在監測中也是一個重要的參數。因為我國很多原油管道都不是密閉輸送，收油端直接接入大罐，本身壓力就很低，再加之大罐的濾波作用，壓力的變化可能會淹沒在一片噪聲之中。若同時監測流量的變化，也可以及時發現泄漏，彌補壓力靈敏度低的缺點。另外，除了泄漏，泵站內部的操作，如調泵、調閥，也會產生負壓波。我國的現狀要求只能在站內安裝一臺壓力變送器，所以僅靠壓力就不能判斷負壓波是站內產生的還是站外產生的。而流量變化對于泄漏和站內操作具有不同性質，通過分析流量變化就可以甄別負壓波的來源。
基于以上考慮，我們采取壓力流量聯合判斷的方法，分別在管道的出口和進口加裝合適量程的壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，不間斷采集原油的壓力、溫度和流量，監視管道的運行狀況。壓力變送器和溫度變送器輸出標準的4~20mA電流模擬信號，流量變送器輸出的是脈沖。由于模擬量的采集速率不是很高，大約為幾百Hz，脈沖的頻率約為700多Hz，我們選用低價的多功能卡PCI-6023E，利用其兩路模擬量單端輸入和一個通用24位計數器。從功能、價格和開發周期等因素來考慮，這款采集卡都非常適合我們的要求。對于微弱信號的提取效果明顯，可以觀察到萬分之幾MPa的微小變化。在臨-濟線和滄-臨線上共使用了10塊PCI-6023E，連續工作的穩定性很好。
為了節約存儲空間，我們采用二進制格式保存文件。壓力和溫度每一小時一個文件，流量因為是累積量，每一天一個文件，供泄漏定位和查閱歷史數據之用。

二、精確捕捉壓力波傳播到上下游的時間差
精確獲得泄漏引發的壓力波傳播到上下游傳感器的時間差，需要準確地捕捉到泄漏負壓力波信號序列的對應特征點。由于不可避免的工業現場的電磁干擾、輸油泵的振動等，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從噪聲當中準確地提取出信號的特征點是定位的關鍵。
首先，因為不同條件（管徑、溫度、壓力、輸送工藝、環境噪聲等）下的信號具有不同的特征，我們利用LabVIEW中豐富的信號處理函數對信號的特征作了深入的研究分析和預處理，使得系統能夠針對不同的信號做出相應的處理。例如，在滄州首站，啟泵的時候信號中含有比較有規律的尖銳噪聲，雖然幅度并不大（只有約千分之一兆帕），卻因為壓力比較低而非常明顯，如圖3。針對這樣的情況，我們使用了中值濾波器。中值濾波器能夠平滑尖銳噪聲，又能保持信號的邊沿，而且計算速度非常快，可以用于在線處理。對比下面兩圖，可以看到濾波的效果。

圖3 含有脈沖噪聲的負壓波信號

圖4 上圖的信號經過中值濾波器之后的波形

對信號作了一定預處理之后，我們采用Signal Processing軟件包里提供的小波分析的動態庫來捕捉壓力波變化的特征點。將含有負壓波信號的數據通過兩通道濾波器，分為低頻概貌和高頻細節兩路輸出，負壓波的位置就是高頻細節當中最小值對應的索引值。圖5為圖2所示信號的高頻結果。因為我們僅分析信號，不作重構，所選擇參數設計更為靈活的雙正交的濾波器組，而不必考慮對偶濾波器組是否收斂。利用Wavelet and Filter Bank Design Tookit提供的Design Panel 和1D Test Panel，我們在現場對于不同的信號可以方便地調整濾波器參數，觀察濾波效果，大大提高了應用的效率。

圖5 圖2的信號通過兩通道濾波器后的高頻結果

三，系統的軟件設計
以滄州-臨邑長輸管線的泄漏監測系統為例介紹一下整個系統的設計。
系統的組成如圖6，由安裝于滄州、東光、德州和臨邑的四套裝置和滄州處調度室的中心計算機組成。各站的裝置包括各種傳感器、計算機、信號調理裝置、信號采集卡和調制解調器等。
因為管道全線長180公里，兩座泵站之間的距離一般是60公里左右，所以只能通過電話網絡實現數據通信。LabVIEW的函數庫里沒有現成的函數可供調用，我們綜合運用Serial Port VIs，In Port， Out Port 和Call Library Function調用自己編寫的動態鏈接庫，控制調制解調器實現遠程的數據通信，各個子站的數據都可以實時傳到中心站，線路中斷能夠自動重新連接。主程序每一分鐘調用一次泄漏判斷子程序，該子程序綜合運用負壓波法、壓力梯度法和流量差法分析采集到的工況數據，判斷是否有泄漏發生。
滄州站和滄州處調度室僅有幾百米的距離，兩臺計算機之間建立了以太網，使用TCP/IP實現數據傳輸。現場還有其他PLC系統，我們用DDE實現LabVIEW和Excel之間的數據交換，作為與其他系統的接口。
用戶對系統的操作都設計為菜單操作，包括參數設置、文件處理、歷史數據、泄漏定位和退出系統等幾項。每一項菜單還有報警、都通過VI Server的方法動態調用，這樣既節省內存，又使程序結構清晰，模塊化好。

圖9 用動態調用實現菜單操作
圖7和圖8為中心計算機的主界面和定位程序的操作界面。

總結
作為虛擬儀器開發平臺，和其他同類產品相比，LabVIEW在數據采集、存儲、顯示、信號處理、數據傳輸等方面顯示了強大的功能，尤其是其數據采集和信號處理的優勢提高了我們的工作效率。我們綜合運用了數字濾波、中值濾波、頻譜分析等等各種信號處理函數，使用起來只需連連線；小波分析軟件包也為現場應用提供了很大的方便；另外我們選用的PCI-6023E數據采集卡價格并不比其他同類產品高，而且性能非常出色，在LabVIEW當中有多種方法可供調用。同時，Advanced Functions和其他通信函數擴展了LabVIEW的性能，使系統設計更加靈活。模塊化的設計使編程簡單明了，我們僅用了兩個多月的時間就在實驗室完成了全部程序的編制，在現場調試階段，也可以很快作出調整，實現用戶的要求。系統反映靈敏，報警時間小于200秒；定位精度比原來用C語言設計的系統大大提高，最大定位誤差小于被測管長的2%。還能夠估算泄漏量，具有和其他程序的接口，方便擴展。據統計，在勝利油田臨盤-濟南管線，2001年3月5日至4月12日，共監測到泄漏39次，抓獲盜油車輛8輛。在滄州-臨邑管線2001年4月9日至5月13日，抓獲盜油車輛17輛，發現閥門40多處，為國家挽回經濟損失數十萬元。
天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室經過多年的探索，對我國各地的原油、成品油管道作了深入的理論研究和豐富的現場實驗，研制的泄漏檢測系統能夠適應各種不同的工況特點。除了前文提到的應用之外，本系統還將應用于中（原）-洛（陽）的全線改造、遼河油田曙光-錦西等管線，在我國的石油生產和運輸領域具有廣闊的前景。本實驗室對天然氣管道泄漏也作了一定研究，隨著我國天然氣管道的發展，美國國家儀器公司的產品在天然氣管道泄漏系統上也將獲得成功應用。