一種新型天然氣井口氣體泄漏檢測(cè)裝置的研究

楊方勇 施亞明(長慶油田第四采氣廠，陜西 西安 710010)

一種新型天然氣井口氣體泄漏檢測(cè)裝置的研究

楊方勇 施亞明(長慶油田第四采氣廠，陜西 西安 710010)

隨著氣井?dāng)?shù)量逐年增多，井口安全形勢(shì)愈加嚴(yán)峻。在天然氣管道泄漏領(lǐng)域，通過聲音來檢測(cè)井口氣田泄漏是最直接有效的方法，由于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境空曠，常規(guī)的檢測(cè)裝置易受到外界環(huán)境干擾從而產(chǎn)生誤報(bào)警。本文研究了一種新型的氣體泄漏探測(cè)裝置，通過頻譜分析對(duì)氣井各種聲音的模擬測(cè)試，屏蔽外界干擾聲音源，提高井口氣體泄漏檢測(cè)裝置的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）所采用的氣體泄漏檢測(cè)裝置滿足泄漏判斷需要；（2）隨著泄漏聲音增大，檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)閥值也越大；（3）泄漏檢測(cè)裝置遠(yuǎn)程傳輸可靠性高，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。

氣井；氣體泄漏；頻譜分析；遠(yuǎn)程傳輸

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)原理

由于蘇里格地區(qū)沒有一種檢測(cè)氣體泄漏的測(cè)漏儀表，因此結(jié)合國內(nèi)外測(cè)漏儀的基本原理，針對(duì)氣井發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)引起很大的噪聲的情況，采用低功耗、高靈敏度和性噪比的麥克風(fēng)傳感器，對(duì)井場環(huán)境噪聲信號(hào)進(jìn)行采集；采集到的信號(hào)經(jīng)過精密的信號(hào)調(diào)理電路，以及具有高速運(yùn)算性能的單片機(jī)進(jìn)行處理與分析。由信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)泄漏噪聲信號(hào)具有的特殊頻域?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行放大和截取，有效的抑制了泄漏聲以外的噪聲信號(hào)。再由單片機(jī)進(jìn)行離散化處理，最后量化其有效聲壓信號(hào)。

同時(shí)在儀表內(nèi)部可設(shè)置報(bào)警時(shí)間與報(bào)警閥值，若當(dāng)前測(cè)漏值大于報(bào)警閥值，并持續(xù)了設(shè)置的報(bào)警時(shí)間后，報(bào)警標(biāo)志才能置位，有效降低誤報(bào)警的發(fā)生。

圖1.測(cè)漏裝置原理圖

如圖1，該系統(tǒng)由麥克風(fēng)傳感器(MIC)、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元以及單片機(jī)組成，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元包括前置放大器和濾波器，單片機(jī)則對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行AD采集和計(jì)算處理。

1.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集實(shí)現(xiàn)

借助現(xiàn)有的電子巡井系統(tǒng)，將井口測(cè)漏儀RS485通訊線纜接入井口協(xié)調(diào)器中，通過無線網(wǎng)橋傳輸至監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖2.數(shù)據(jù)傳輸流程圖

1.3 測(cè)漏裝置聲音優(yōu)化分析

當(dāng)管道在發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)引起很大的噪聲，該噪聲的特性與正常時(shí)明顯不同，主要表現(xiàn)在其聲壓級(jí)的提升。利用高靈敏度的MIC傳感器采集聲音信號(hào)，監(jiān)測(cè)它的變化，從而對(duì)泄漏的發(fā)生提供報(bào)警。在井口持續(xù)采集人聲、動(dòng)物叫聲、風(fēng)聲、雷雨聲、暴雨聲、井口模擬泄漏聲（取壓閥放空）等6種常見的聲音進(jìn)行頻譜分析，找出井口泄漏聲音與其他聲音的不同之處。通過井口幾種典型的聲音信號(hào)頻譜分析，可以觀察到頻率范圍在15KHz到20KHz之間，模擬泄漏聲的聲壓幅度明顯高于其他聲音。利用帶通濾波器將該段頻率范圍的信號(hào)保留，其余頻率范圍的信號(hào)予以屏蔽，從而使儀表對(duì)泄漏聲的測(cè)量靈敏度高于其他聲音信號(hào)。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

基于以上技術(shù)原理分析，于2016年8月18日開始在蘇東62-xxC2井、蘇東57-xxH2井、蘇6-x-xx井進(jìn)行井口泄漏檢測(cè)試驗(yàn)，經(jīng)過4個(gè)月的現(xiàn)場試驗(yàn)，通過對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，科學(xué)設(shè)置報(bào)警數(shù)據(jù)，基本滿足工況要求。下面對(duì)現(xiàn)場試驗(yàn)情況詳細(xì)分析如下：

2.1 現(xiàn)場安裝

將儀表固定在支架頂端，再將抱箍緊扣在管線之上。儀表底端是系統(tǒng)的拾音部分，它直接暴露于空氣之中，采集周圍環(huán)境的聲信號(hào)。

2.2 測(cè)量值值計(jì)量方法

儀表顯示的測(cè)量值為dBm（分貝毫伏），它表示的是所測(cè)量信號(hào)的聲壓幅度（mV）相對(duì)于1mV的一個(gè)值，其公式定義是：

y=20*log(x∕1mV)

其中y為測(cè)量值(dBm），x為聲音信號(hào)的聲壓幅度(mV)。例如，當(dāng)現(xiàn)場測(cè)量值為3時(shí)，所測(cè)得信號(hào)聲壓幅度為1.412mV；50dBm時(shí)，所測(cè)得信號(hào)聲壓幅度為316.228mV。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 模擬聲音測(cè)試

提前錄制現(xiàn)場環(huán)境各類聲音，8月20日在井口通過泄漏聲、汽笛聲、風(fēng)聲、雨聲、雷雨聲對(duì)測(cè)漏儀聲音強(qiáng)度范圍進(jìn)行測(cè)試，模擬井口泄漏聲音（打開截止取樣閥放空）測(cè)漏儀顯示聲音強(qiáng)度為43-54之間，汽笛聲強(qiáng)度為28-43，暴雨聲強(qiáng)度為8-30，4級(jí)以上風(fēng)聲音為強(qiáng)度為6-20，雷雨聲強(qiáng)度為10-40。

2.3.2 報(bào)警設(shè)定

根據(jù)前期的現(xiàn)場測(cè)試，充分考慮聲音的突發(fā)性因素，在監(jiān)控中心PKS軟件設(shè)置報(bào)警強(qiáng)度為45，且持續(xù)時(shí)間5分鐘以上后井口測(cè)漏儀報(bào)警信號(hào)由0變?yōu)?，進(jìn)行標(biāo)志位報(bào)警。通過對(duì)10月15日到11月10日的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，未出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。

3 結(jié)語

在對(duì)各類聲音強(qiáng)度進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)上，確定了合理去除空氣中干擾聲音的方法，設(shè)計(jì)了通過采集聲音強(qiáng)度對(duì)泄漏進(jìn)行判斷的氣體泄漏檢測(cè)裝置，現(xiàn)場的試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）所采用的氣體泄漏檢測(cè)裝置滿足泄漏判斷需要；（2）隨著泄漏聲音增大，檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)閥值也越大；（3）泄漏檢測(cè)裝置遠(yuǎn)程傳輸可靠性高，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。

[1]楊理踐，景曉斐，宮照廣．輸氣管道音波泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究［J］．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,29(1):70-73.

[2]鄭志受，林偉國．基于壓電傳感器的管道泄漏信號(hào)可靠性識(shí)別技術(shù)研究［J］．計(jì)量學(xué)報(bào)，2006,27(4):343-346.

楊方勇（1984-），工程師，2007年畢業(yè)于成都大學(xué)；主要從事氣田數(shù)字化建設(shè)及研究工作。