長輸天然氣管線泄漏機(jī)載激光檢測系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、作為五大運(yùn)輸行業(yè)之一的管道運(yùn)輸系統(tǒng)，因其快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越突出的地位。由于我國天然氣開發(fā)主要位于西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，生產(chǎn)與下游用氣地區(qū)輸氣距離遠(yuǎn)，許多輸氣管線穿越丘陵和沙漠等地形復(fù)雜和地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，由于管道的自然壽命和人為破壞等因素的影響使得管線事故發(fā)生率高、事故造成的經(jīng)濟(jì)損失大，環(huán)境災(zāi)害嚴(yán)重。目前實(shí)際應(yīng)用中借助現(xiàn)場傳感器檢測和巡線員巡查的管道監(jiān)測技術(shù)由于受到輸氣管線所經(jīng)過場地的限制，經(jīng)濟(jì)投入大、維護(hù)工作困難等

2、原因而不適應(yīng)實(shí)際需求?；诳烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的激光遙感檢測管道泄漏技術(shù)由于具有靈敏度高、檢測氣體選擇單一、可搭載到移動(dòng)平臺(tái)上遙感掃描的特點(diǎn)而在管道泄漏檢測方面存在巨大優(yōu)勢(shì)。本文在國家“863”計(jì)劃的支持下研究將該新型移動(dòng)激光遙測氣體傳感技術(shù)應(yīng)用于長輸油氣管線泄漏檢測中，重點(diǎn)研究機(jī)載條件下保證泄漏檢測有效的檢測激光對(duì)埋地管道的對(duì)準(zhǔn)跟蹤及其相關(guān)技術(shù)。
　　通過對(duì)管道泄漏激光遙感檢測原理的分析，設(shè)計(jì)了機(jī)載激光管道對(duì)準(zhǔn)位姿調(diào)整機(jī)

3、構(gòu)，用于裝夾泄漏檢測儀并使檢測裝置的敏感元件對(duì)準(zhǔn)地面管道。為降低對(duì)準(zhǔn)精度對(duì)檢測結(jié)果的影響，利用光束微調(diào)整機(jī)構(gòu)，讓光束沿垂直于管線方向作“S”型掃描動(dòng)作；通過調(diào)整掃描角度，調(diào)整激光對(duì)管道掃描寬度，把對(duì)管線的對(duì)準(zhǔn)變?yōu)閷?duì)區(qū)域的掃描；通過控制載機(jī)的飛行速度或調(diào)整光束的掃描速度，可以改變對(duì)管道區(qū)域掃描頻率，保證檢測激光能通過泄漏氣團(tuán)；對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)載動(dòng)力載荷下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了對(duì)準(zhǔn)伺服機(jī)構(gòu)在輕量化設(shè)計(jì)的前提下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性

4、，為機(jī)載激光檢測管道泄漏系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　機(jī)載巡檢天然氣管線泄漏技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一是在載機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，如何實(shí)現(xiàn)檢測激光對(duì)地面油氣管道的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)。為此，利用機(jī)載傳感器采集到的載機(jī)位置和姿態(tài)信息，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析地面檢測管道和載機(jī)的位姿關(guān)系，計(jì)算出激光束指向檢測管道的角度。
　　對(duì)影響對(duì)準(zhǔn)精度的因素進(jìn)行分析，仿真分析了載機(jī)位姿誤差對(duì)激光對(duì)準(zhǔn)管道精度的影響，得出載機(jī)位姿誤差為定位點(diǎn)敏感誤差，實(shí)際使用中必須控制

5、載機(jī)位姿誤差。為解決因載機(jī)高速運(yùn)動(dòng)引起的控制量滯后問題和載機(jī)位置信號(hào)被遮擋時(shí)的控制穩(wěn)定性，基于“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型建立載機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，采用基于魯棒H∞濾波器對(duì)載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行濾波和預(yù)測。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效地克服載機(jī)模型變化以及隨機(jī)噪聲和干擾不確定性的影響，達(dá)到了較高的預(yù)測濾波精度，具有良好的濾波預(yù)測效果和魯棒性能，能夠?yàn)闄C(jī)載激光自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)管道的實(shí)施提供有效的載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參考預(yù)測值。
　　基于檢測儀探測靈敏度和保證激光能對(duì)管線進(jìn)

6、行全方位掃描，對(duì)載機(jī)的飛行路線和飛行方位進(jìn)行規(guī)劃。基于檢測儀的檢測靈敏度得出載機(jī)的飛行高度與偏離管道距離的關(guān)系；基于保證檢測管道不漏檢確定載機(jī)的具體飛行方位，用對(duì)稱回旋曲線對(duì)規(guī)劃軌跡進(jìn)行平滑設(shè)計(jì)；使用基于BLP的路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)載機(jī)避碰的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃，為機(jī)載激光有效檢測管道泄漏提供保障。
　　提出以PC+運(yùn)動(dòng)控制卡+伺服驅(qū)動(dòng)器為核心的控制系統(tǒng)架構(gòu)，完成了機(jī)載測控系統(tǒng)軟件、硬件的開發(fā)和測試。采用Visual C++軟件設(shè)計(jì)并開發(fā)了

7、機(jī)載激光檢測管道泄漏系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載激光檢測管道泄漏系統(tǒng)載機(jī)飛行路徑的規(guī)劃、機(jī)載激光對(duì)檢測管道的對(duì)準(zhǔn)跟蹤、泄漏點(diǎn)位置以及沿途檢測管道周圍大氣中的甲烷濃度的監(jiān)控。
　　搭建了機(jī)載激光自主對(duì)準(zhǔn)跟蹤管線的平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)分別進(jìn)行了靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)性能和動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)性能測試，與中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所聯(lián)合，進(jìn)行管線泄漏檢測聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)可完成機(jī)載激光對(duì)埋地管道的自主對(duì)準(zhǔn)，能檢測出天然氣管線的泄漏并準(zhǔn)確報(bào)出泄漏點(diǎn)位置。將該系統(tǒng)用于