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航空煤油储运管在临界压力下泄露检测仿真

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第34卷第l2期 文章编号:1006—9348(2017)12—0014—04 计算机仿真 2017年l2月 航空煤油储运管在临界压力下泄露检测仿真 迟奕男,校云鹏,赵鹏程 (中国人民解放军空军勤务学院,江苏徐州221000) 擒要:对航空煤油储运管在临界压力下泄露的检测,能够有效保护环境以及提高人们的生命安全系数。对临界压力下煤油 泄露进行检测,需要检测由航空煤油储运管泄漏产生的声波振动信号,确定不同传感器输出声波振动信号的延时。传统方 法提取煤油储运管独立元信息并进行排序,分别计算统计量,但忽略了确定输出声波振动信号的延时,导致检测精度偏低。 提出基于相关函数的航空煤油储运管临界压力下泄露检测方法,根据信号特征向量来区分储运管内各种运行情况,提取储 运管离散信号的特征向量;然后通过利用声波传感器检测由航空煤油储运管泄漏产生的声波振动信号,确定不同传感器输 出声波振动信号的延时,根据传感器的几何分布和传感器输出的声波传输速度,对泄漏点进行定位。仿真测试证明,所提方 法能够实现航空煤油储运管临界压力下泄露的准确检测与定位。 关t词:航空煤油;储运管;lf缶界压力;泄薅检测 中豳分类号:31073 文献标识码:B Leak Detection Simulation of Aviation Kerosene Storage and Transportation Pipe under Critical Pressure CHI Yi—nan,XIAO Yun—peng,ZHAO Peng—cheng (PLA Airorfce Logistic College,Xuzhou 221000,China) ABSTRACT:In this paper,We propose a leak detection method for aviation kerosene storage and transportation pipe under critical pressure based on correlation function.First of all,this method distinguished various running condi— ifons in storage and transportation pipe in accordance with signal feature vector and extracted feature vector of discrete signal in storage and transportation pipe,and then detected acoustic vibration signal from leakage of aviation kerosene storage and transportation pipe by utilizing acoustic wave sensor to determine time delay of vibration signals of output acoustic wave of different sensors.At last,this method located leak point in line with geometric distribution of sensor and transmission speed of acoustic wave from sensor.The simulation results show that the proposed method can a— chieve accurate detection and location of leakage of aviation kerosene storage and transportation pipe under critical pressure・ KEYWORDS:Aviation kerosene;Storage and transportation pipe;Critical pressure;Leak detection 的状态即称之为该物质的超临界状态 “J。物质在临界压 1 引言 临界状态是指纯物质的气体和液体两相平衡共存的极 力下会形成一种特殊的流体,航空煤油在临界压力下保存运 输是比较安全的,但是由于航空煤油储运管运输距离长,容 限热力状态,是纯物质的气态状态和液体状态平衡共存时的 种边缘状态”j。在此种状态时,纯物质饱和液体与蒸汽的 一易受到外界的偶然碰撞影响、受到周围环境腐蚀、储运管的 老化以及非法入侵等各种主客观因素影响,引起航空煤油储 运管的临界压力下泄露 。航空煤油储运管的临界压力 下泄露位置如果不能快速、准确地检测与定位,很容易造成 环境的严重污染,甚至会严重危险人们的生命和财产 安全 。 热力状态参数相同,气体和液体之间的分界面消失,不存在 表面张力,气化潜热为零 j。而超临界状态是指物质的压力 以及温度同时超过它的临界压力和临界温度的状态,从另外 一个角度说,是指纯物质的对比压力与对比温度同时大于1 目前应用的航空煤油储运管临界压力下泄露检测方法 收稿13期:2017—07—13修回Et期:2017—07—22 —主要有航空煤油储运管的管内爬机检测、储运管管内探测球 14一 法、红外和激光检测法等,但是这些检测方法存在设备成本 = 较高、检测可靠度较低、储运管全线检测困难等缺点,需要进 一(sprl(f)一s—pr1) (3) 步研究。为此提出了一种基于FBG传感网络的航空煤油 选取现场采集获得的航空煤油储运管上下游压力波信号去 噪后的序列 (f),选取其中长度为Ⅳ。的子序列 (z),其 表达式为 (1)= ( +Z一1) (4) 储运管临界压力下泄露检测方法 J,该方法以悬臂梁结构为 基础,设计了具有温度自补偿功能的航空煤油储运管的FBG 传感网络检测探头,同时设计了储运管的感应层与应力传导 方式,并结合了航空煤油储运管的FBG传感信息实现临界 压力下泄露检测。该方法存在检测结果不准确的问题。佟 根据上式(4),计算航空煤油储运管降噪子序列信号的 功率谱为px“(z),对其进行归一化处理可得 淑娇、王如君等人设计了一种VPL的航空煤油储运管临界压 力下泄露检测系统 J,该系统基于流体动力学与容量守恒原 理,开发了基于VPL的航空煤油储运管检测系统,建立航空 D ): 墨 丽 : (5)’ 煤油储运管道模拟平台,通过储运管的组态编辑器、储运管 的图像界面、储运管道工作室以及储运管的SCADA接口,开 展和实现临界压力下泄露检测和分析。该系统存在检测过 程操作复杂,容易出现误判。文献[10]的几名学者提出了一 种基于KICA的航空煤油储运管临界压力下泄露检测方法, 首先利用核方法将航空煤油储运管的压力、温度以及流量参 数非线性映射到具有较好线性结构的特征子空间;其次采用 独立分量分析法提取航空煤油储运管特征子空间的独立元 信息并进行排序,然后分别计算I2和SSPE两个统计量,由 核密度估计储运管正常运行条件下的控制限;最后依据计算 结果是否超限实现临界压力下泄露检测。该方法的检测经 济成本较高。 为了解决快速、准确检测和定位临界压力下储运管临界 压力下泄露的难题,提出了一种基于相关函数的临界压力下 储运管临界压力下泄露检测方法。 2航空煤油储运管临界压力下泄露检测原理 首先选取航空煤油储运管上下游一定长度的正常信号 模板序列,计算其傅里叶变换信号功率谱,进行归一化处理 并计算其信号功率谱的均值和方差;然后计算航空煤油储运 管降噪子序列信号的功率谱,并进行归一化处理,分别计算 航空煤油储运管信号子序列功率谱的均值和方差;最后分别 计算采集获得的储运管动态压力波信号子序列与正常压力 波信号模板序列的结构相似度,根据相似度计算结果判断是 否发生临界压力下泄露。 选取航空煤油储运管上下游长度为 的储运管正常信 号模板序列r (1),计算rJ(f)的傅里叶变换信号功率谱p (Z),并将其进行归一化处理,其计算表达式如下 式中,i=1,2;f=1,2,…,Ⅳl。 根据上述式(1),分别计算航空煤油储运管信号功率谱 的均值和方差,其计算表达式分别如下 = 芝 (刍印Ⅳ’  f) (2) 式中√:1,2,…,Ⅳ一N,;其中,Ⅳ表示航空煤油储运管采集 点数。 根据上式,分别计算航空煤油储运管信号子序列功率谱 的均值和方差,其计算表达式分别如下 spxi,i = 1∑Xsp(id【 ,f) (L6)o  2 : (spxi )-spx (7) 根据上述分析,分别计算航空煤油储运管上下游传感器 采集获得的储运管动态压力波信号子序列与正常压力波信 号模板序列的结构相似度,其计算表达式如下 SStM( × 篙 ㈣ 式中,c 、c:为避免公式中分子和分母为零而添加的稳定 常数。 当SSIM的取值小于一定阈值时,即可判断航空煤油储 i云管发牛临界压力下泄露 3航空煤油储运管临界压力下泄露检测 3.1航空煤油储运管信号特征提取 首先对航空煤油储运管离散信号进行小波包分解和小 波包重构;然后根据储运管离散信号各频带内不同情况下的 特征向量来区分储运管内各种运行情况,提取储运管离散信 号的特征向量。具体步骤描述如下。 假设d 表示航空煤油储运管离散信号的频带函数;d 表示航空煤油储运管离散信号的小波包基;n 和b 分别表 示为航空煤油储运管离散信号的小波分解共轭滤波器的系 数。则航空煤油储运管离散信号的小波包分解计算表达式 如下 d (J ,2n)=∑ d ( +1,n) (9) d ( ,2n+1)=∑bk一2dk(J +1,n) (10) 上式表示航空煤油储运管离散信号按照小波包基展开时,包 一15一 括低通滤波和高通滤波两部分,每一次分解将航空煤油储运 管离散信号上层/+1的第n个频带进一步分割变细为离散 【 】xRq㈩ r =)】 信号下厨 的第2n与2n+1两个频带。 则航空煤油储运管离散信号的小波包重构表达式为 叫 ( D2)】(17) d ( +1,n)=∑P 一2dk(j ,2n)+q 一2d ( ,2n+1) (11) 其中,×表示卷积运算;R E.r一(D 一D )】表示q(t)的自相关 函数;根据相关函数的性质可知,当r=D。一D:时,q(t)和P (t)的互相关函数R ( )取最大值,根据R (7-)取最大值时 对应的时间差r求得(D 一D )的值。 从而根据计算获得的(D 一D )的值可以计算航空煤油 其中,P 和q 分别表示航空煤油储运管离散信号的小波重 构共轭滤波器系数。 根据上述计算,应用航空煤油储运管离散信号各频带内 储运管检测点到临界压力下泄露点之间的距离,其计算表达 不同情况下的特征向量来区分储运管内各种运行情况,提取 储运管离散信号的特征向量,假设储运管离散信号频带,,的 压力信号表示为.s ;s 对应的能量表示为E ,其计算表达 式如下 E =f  IS (£)l dt=∑ I (12) 其中, 表示航空煤油储运管重构信号s 的离散点的 幅值。 3.2基于相关函数的航空煤油储运管临界压力下泄露检测 针对上述提取获得的航空煤储运管特征向量,结合相关 函数的性质和原理,分析了其在航空煤油储运管微泄漏检测 中的应用原理,以及储运管微泄漏点定位的计算方法,提出 了一种基于相关函数的航空煤油储运管微泄漏检测方法,通 过利用声波传感器检测由航空煤油储运管泄漏产生的声波 振动信号,采用相关技术确定不同传感器输出声波振动信号 的延时,根据传感器的几何分布和传感器输出的声波传输速 度,对泄漏点进行定位。具体方法如下所述: 假设临界压力下声波从航空煤油储运管临界压力下泄 露点 传播到临界压力下泄露点P所需的时间表示为D,, 声波从航空煤油储运管泄露点 传播到泄露点Q所需的时 间表示为D ,则航空煤油储运管相应的频率响应函数表达 式如下 日(iw)=H。(iw)exp(1iwD ) (13) ( )= (iw)exp(1iwD2) (14) 则临界压力下从p(t)到q(t)的航空煤油储运管相应的频率 响应函数表达式为 (iw)= exp㈠ -D2)】(15) 根据航空煤油储运管线性系统输入和输出的互谱密度 函数关系式可得,q(t)和P(t)的互谱密度函数计算公式如下 (iw)=Sq(iw iw) Sp(iw)exp【一iw(Dl—D2)】 (16) 其中,S。表示航空煤油储运管输入的谱密度函数;.s 表示航 空煤油储运管输出的谱密度函数。 对上述式(16)两边取傅里叶逆变换,可得两者的互相关 函数,其表达式如下 R (r)=F 【S (iw)】 一】6一 式为 l—L2= (Dl—D2) (18) 其中, 代表航空煤油储运管发生临界压力下泄露时产生的 声波振动信号的传播速度;L 代表P(t)到泄露点 的储运 管长度; 代表q(t)到泄露点 的储运管长度。由于q(t) 到P(t)之间的储运管长度(£。+ )的值已知,则可以计算出 工。和J已2的值,从而确定航空煤油储运管发生临界压力下泄 露的具体位置。 4仿真结果与分析 在MATLAB仿真环境下,将所提方法应用于国内某航空 煤油储运管临界压力下泄露检测与定位。该储运管线路除 首站和末站只有一个储运管压力测量点之外,其余泵站均设 有入口和出口两个储运管压力测量点,即每段航空煤油储运 管道上有两组压力数据,航空煤油储运管道上的压力数据采 样频率为120Hz,航空煤油储运管线概况如下表1所示,仿真 测试对航空煤油储运管信号做了5层小波分解和单支重构 处理,以验证所提方法的可行性与有效性。图1为实验测 试图。 图1仿真测试图 表1航空煤油储运管线概况 表1中的CP表示航空煤油储运管特征参数;SS1一SS2 表示航空煤油储运管分输站1一分输站2;SS2一SS3表示航 空煤油储运管分输站2一分输站3;length表示航空煤油储运 的I临界压力下泄露放油实验,采集其中1h的数据,由于航空 煤油储运管分输站出站口压力容易受到输油泵振动、储运管 管线长度;MEG表示航空煤油储运管最大高程落差;WS表 示航空煤油储运管信号声波振动信号波速;SF表示航空煤 油储运管信号声波采样频率。 图2为航空煤油储运管航空煤油储运管分输站一分输 站2管线的工况数据信息,工况操作为航空煤油储运管分输 站2下载阀的开度增大,进出分输站的压力变化趋势与发生 临界压力下泄露时的变化趋势相同。航空煤油储运管压力 液位变化等因素的影响,而分输站进站口压力经过较长的储 运管道的阻力消耗噪声干扰较小,由此说明航空煤油储运管 输油管线中出口压力噪声要大于人口压力噪声。航空煤油 储运管的管径为355.6ram,仿真测试使用放油阀门口径大约 为42mm,临界压力下泄露点位置为距离储运管分输站2出 站口38.7km,实验操作为慢开阀,放油阀门开度达到满管状 态,然后关闭放油阀门,整个泄露测试过程持续6rain,航空煤 油临界压力下泄露量约为0.1m ,储运管煤油临界压力下泄 露速度为2.2m /h,这段时间内储运管内管道平均瞬时流量 信号在短时间内迅速下降,然后逐渐趋于平稳,航空煤油储 运管进、出分输站信号在下降期间变化速率为0.006MPa/s。 仿真检测结果如下表2所示,从表2中可以看出,航空煤油 储运管各个尺度定位结果基本一致,航空煤油储运管分输站 1一分输站2管线的储运管长度为52.74kin,定位绝对误差 为0.06km,相对误差为0.11%。由此说明,采用所提方法能 够准确、快速地检测到航空煤油储运管临界压力下泄露点并 实现高精度定位。 戛 善 ・R 出 时间,s (a)航空煤油储运管分输站1出站压力变化 时间/8 (b)航空煤油储运管分输站2进站压力变化 图2航空煤油储运管分输站l一分输站2工况数据 表2航空煤油储运管临界压力下泄露定位结果 表2中的I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V和AV分别代表航空煤油储运 管声波振动的第一层至第五层低频信号以及平均值。 图3为航空煤油储运管分输站2一分输站3之间所进行 约为192m’/h,航空煤油泄露量相当于储运管输送量的 1.24%,采用当前检测方法无法实现航空煤油储运管临界压 力下泄露位置的准确检测与定位。 时间/s (a)航空煤油储运管分输站1出站压力 3.10 3.08 詈 3.04 3.02 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 时间,s (b)航空煤油储运管分输站3进站压力 图3分输站2一分输站3临界压力下泄露测试数据(1h) 选取慢开放油阀f-Ix ̄应的压力下降区间的5min数据进 行航空煤油储运管临界压力下泄露定位测试,如图4所示, 在储运管压力下降期间,进站信号和出站信号压力变化速率 分别为0.3×10 MPa和0.4×10~MPa,约为航空煤油储运 管l临界压力下泄露检测工况操作时压力变化速率的1/20,同 样对其进行检测,测试结果如表2所示。航空煤油储运管泄 露点位置为距离出站的40.65km,临界压力下泄露位置定位 绝对误差为0.95km,相对误差为2.4%。与快速变化的航空 煤油储运管泄露信号,储运管临界压力下泄露信号各尺度的 定位结果差异更大,这是由于储运管发生临界压力下泄露 时,进站口和出站口压力单位时间下降率不相等,造成对储 运管进站口和出站口信号检验时积累 (下转第365页) 一17— 参考文献: [1]童莉,等.PCB三维CT图像的直方图变权累加增强算法[J]. 计算机工程,2015,41(1):236—239. 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