尾礦管道泄漏檢測系統研究與應用

任林海，陳 沖，梅昆峰，梁遠驥，譚曉樂，朱成睿

1洛陽欒川鉬業集團股份有限公司 河南洛陽 471500

2中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

目前，尾礦礦漿一般通過管道輸送至尾礦壩或者處理車間，輸送管道會因其本身質量問題、礦漿磨損、復雜環境等因素而出現泄漏。尾礦含有大量重金屬離子，甚至砷、汞等污染物質，以及選礦作業中加入的各種化學藥劑；因此，輸送管道一旦泄漏就會對周邊環境造成嚴重危害。

輸送管道主要采用人工巡查，巡檢過程中發現泄漏，需開挖檢修，但發現泄漏的時間完全依賴巡檢人員。由于輸送管道較長，一般為幾千米以上，人工巡檢工作負荷較大，不僅人力成本較高，而且由于發現不及時給企業及社會造成重大損失。因此，需要一種針對礦漿輸送管道的在線檢測系統，通過實時監控輸送管道流量、壓力參數，實現管道泄漏自動預警，發生泄漏時，能及時發現，將企業的經濟損失降低到最低，同時減少環境污染。

1 系統概述

為了監測輸送管道是否泄漏并及時預警，輸送管道泄漏檢測系統采用流量和壓力綜合監測，在輸送管道兩端分別設置壓力傳感器和流量傳感器，對輸送管道進口、出口兩端進行流量和壓力實時監測，用智能算法對監測數據進行分析、處理，當超過設定閾值后發出預警。

發生泄漏時，輸送管道進口和出口流量差會超過正常損耗量，且管道內高壓流體在內外壓差作用下迅速流失，導致管道內該點的壓力降低，介質在泄漏點和其相鄰空間產生壓差，使管道內的高壓流體流向泄漏點的低壓區域，引起與泄漏點相鄰區域的流體質點減少和壓力降低，產生負壓波，該負壓波能通過壓力傳感器進行監測和捕捉。

輸送管道泄漏檢測系統對管道泄漏進行綜合判斷，并設定閾值，當上下游流量差值超過閾值時，發出泄漏預警。

2 系統設計

2.1 整體架構

尾礦管道泄漏檢測系統架構如圖1 所示。

圖1 尾礦管道泄漏檢測系統架構

(1) 在輸送管道的進口和出口分別安裝 1 個礦漿壓力傳感器和 1 個流量傳感器。

(2) 將壓力傳感器和流量傳感器的實時數據傳送至中控室服務器[1]。

(3) 中控室服務器與用戶 DCS 通信，讀取渣漿泵的運行數據[2]，利用智能算法和構建模型的方式進行數據分析、計算和判斷，確定管道是否泄漏。

(4) 當確定輸送管道泄漏后，智能監測系統控制器控制的聲光報警器運行。

當輸送管道智能監測系統的運算結果顯示管道泄漏時，智能控制器將預警信號發送給 DCS 控制界面彈窗報警，中控室發出聲光報警，收到報警信號后，進行巡檢、處理。

2.2 智能算法

輸送管道泄漏檢測系統利用負壓力波檢測管道是否泄漏。輸送管道發生泄漏的瞬間，輸送管道的泄漏處出現一個明顯的壓力下降信號。因此，通過壓力傳感器采集壓力信號是否有下降階躍變化，即可判斷管道是否泄漏。

為了實現以上功能，構建智能算法模型，輸入實時渣漿泵和傳感器運行數據。輸入的原始數據含有噪聲，通過自相關和功率譜分析[3]，消除因渣漿泵運行對輸送管道造成的影響，隨后通過 FIR 帶通濾波消除噪聲。輸送管道泄漏檢測系統智能算法模型如圖2 所示。

圖2 輸送管道泄漏檢測系統智能算法模型

將濾波后的運行數據存入傳感器歷史數據庫，利用迭代法更新自適應閾值。傳感器運行數據的正常閾值區間估計模型[4]可以表示為

當傳感器的歷史數據個數為N時，傳感器運行數據的均值估計可以表示為

當帶寬系數n=N時，傳感器運行數據的標準差估計可以表示為

通過以上閾值自適應算法，閾值根據現場實際情況進行實時自適應更新，其設定不會過高或過低，避免泄漏的錯誤識別。

最后，泄漏自感知模塊將閾值曲線和濾波后的運行數據進行擬合，實時判斷運行數據是否處于合理區間，是否有泄漏趨勢或是否已經發生泄漏，實現泄漏自感知。

2.3 軟件界面

筆者為輸送管道泄漏在線檢測系統開發一款軟件系統[5]，在泄漏發生時，該軟件系統能夠及時發出泄漏預警，提醒崗位人員及時采取措施。輸送管道泄漏檢測系統軟件界面如圖3 所示。

圖3 尾礦管道泄漏檢測系統軟件界面

左上角實時顯示輸送管道入口端和出口端的礦漿流量和壓力值，數據采集自流量和壓力傳感器。

左側中間為泄漏預警顯示與設置，泄漏預警分為2 個層級，黃燈預警和紅燈預警。黃燈預警指的是系統判斷即將或可能發生泄漏；紅燈預警指的是系統判斷發生泄漏，紅燈亮起的同時，聲光報警器發出聲光報警。報警發生時，為了避免持續的聲光報警，操作人員可以點擊“消除報警”，而系統界面的紅燈或者黃燈預警仍會顯示。消除報警的有效時間為 1 h，若 1 h 后系統仍然是紅燈報警，則聲光報警器會繼續發出聲光報警。

右側曲線是入口端和出口端的礦漿流量和壓力值的變化曲線。點擊“選擇時長”按鈕，顯示曲線的時長，分別為 1、2、4、8 h。點擊“歷史曲線”按鈕，可以查詢歷史曲線。通信信號實時顯示，正常情況下，顯示“通信正?！?，且指示燈為綠色；當通信信號發生中斷時，顯示“通信中斷”，且指示燈變為紅色。

3 現場驗證

在某尾礦現場安裝的尾礦管道泄漏檢測系統如圖4 所示。在尾礦管道結束端開孔放礦，如圖5 所示，模擬泄漏過程，對尾礦泄漏在線檢測系統進行驗證。

圖4 尾礦管道兩端安裝的壓力傳感器和流量傳感器

圖5 尾礦管道結束端模擬泄漏開閥

模擬泄漏閥門開啟后，尾礦泄出，系統檢測到泄漏后，先發出黃燈報警，然后發出紅燈報警，同時，聲光報警系統發出報警，如圖6 所示。

圖6 模擬泄漏試驗過程中軟件系統及聲光報警器

逐漸擰開閥門，模擬泄漏量逐漸變大的過程，進行多組泄漏試驗，進一步驗證尾礦泄漏在線檢測系統的功能，結果如表1 所列。

表1 模擬泄漏試驗結果統計

4 結語

測試結果表明，輸送管道泄漏檢測系統采用流量和壓力綜合監測，通過在尾礦輸送管道兩端分別設置壓力傳感器和流量傳感器，對管道進口、出口兩端流量和壓力進行實時監測，并用智能算法對監測數據進行分析、處理，以準確、快速地檢測到管道是否泄漏并發出預警，提醒現場人員及時采取措施，能夠實現探測輸送管道泄漏流量低于管道總流量的 10%，且判斷準確率≥90%。