尾矿管道泄漏检测系统研究与应用

任林海，陈 冲，梅昆峰，梁远骥，谭晓乐，朱成睿

1洛阳栾川钼业集团股份有限公司 河南洛阳 471500

2中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

目前，尾矿矿浆一般通过管道输送至尾矿坝或者处理车间，输送管道会因其本身质量问题、矿浆磨损、复杂环境等因素而出现泄漏。尾矿含有大量重金属离子，甚至砷、汞等污染物质，以及选矿作业中加入的各种化学药剂；
因此，输送管道一旦泄漏就会对周边环境造成严重危害。

输送管道主要采用人工巡查，巡检过程中发现泄漏，需开挖检修，但发现泄漏的时间完全依赖巡检人员。由于输送管道较长，一般为几千米以上，人工巡检工作负荷较大，不仅人力成本较高，而且由于发现不及时给企业及社会造成重大损失。因此，需要一种针对矿浆输送管道的在线检测系统，通过实时监控输送管道流量、压力参数，实现管道泄漏自动预警，发生泄漏时，能及时发现，将企业的经济损失降低到最低，同时减少环境污染。

为了监测输送管道是否泄漏并及时预警，输送管道泄漏检测系统采用流量和压力综合监测，在输送管道两端分别设置压力传感器和流量传感器，对输送管道进口、出口两端进行流量和压力实时监测，用智能算法对监测数据进行分析、处理，当超过设定阈值后发出预警。

发生泄漏时，输送管道进口和出口流量差会超过正常损耗量，且管道内高压流体在内外压差作用下迅速流失，导致管道内该点的压力降低，介质在泄漏点和其相邻空间产生压差，使管道内的高压流体流向泄漏点的低压区域，引起与泄漏点相邻区域的流体质点减少和压力降低，产生负压波，该负压波能通过压力传感器进行监测和捕捉。

输送管道泄漏检测系统对管道泄漏进行综合判断，并设定阈值，当上下游流量差值超过阈值时，发出泄漏预警。

2.1 整体架构

尾矿管道泄漏检测系统架构如图1 所示。

图1 尾矿管道泄漏检测系统架构

(1) 在输送管道的进口和出口分别安装 1 个矿浆压力传感器和 1 个流量传感器。

(2) 将压力传感器和流量传感器的实时数据传送至中控室服务器[1]。

(3) 中控室服务器与用户 DCS 通信，读取渣浆泵的运行数据[2]，利用智能算法和构建模型的方式进行数据分析、计算和判断，确定管道是否泄漏。

(4) 当确定输送管道泄漏后，智能监测系统控制器控制的声光报警器运行。

当输送管道智能监测系统的运算结果显示管道泄漏时，智能控制器将预警信号发送给 DCS 控制界面弹窗报警，中控室发出声光报警，收到报警信号后，进行巡检、处理。

2.2 智能算法

输送管道泄漏检测系统利用负压力波检测管道是否泄漏。输送管道发生泄漏的瞬间，输送管道的泄漏处出现一个明显的压力下降信号。因此，通过压力传感器采集压力信号是否有下降阶跃变化，即可判断管道是否泄漏。

为了实现以上功能，构建智能算法模型，输入实时渣浆泵和传感器运行数据。输入的原始数据含有噪声，通过自相关和功率谱分析[3]，消除因渣浆泵运行对输送管道造成的影响，随后通过 FIR 带通滤波消除噪声。输送管道泄漏检测系统智能算法模型如图2 所示。

图2 输送管道泄漏检测系统智能算法模型

将滤波后的运行数据存入传感器历史数据库，利用迭代法更新自适应阈值。传感器运行数据的正常阈值区间估计模型[4]可以表示为

当传感器的历史数据个数为N时，传感器运行数据的均值估计可以表示为

当带宽系数n=N时，传感器运行数据的标准差估计可以表示为

通过以上阈值自适应算法，阈值根据现场实际情况进行实时自适应更新，其设定不会过高或过低，避免泄漏的错误识别。

最后，泄漏自感知模块将阈值曲线和滤波后的运行数据进行拟合，实时判断运行数据是否处于合理区间，是否有泄漏趋势或是否已经发生泄漏，实现泄漏自感知。

2.3 软件界面

笔者为输送管道泄漏在线检测系统开发一款软件系统[5]，在泄漏发生时，该软件系统能够及时发出泄漏预警，提醒岗位人员及时采取措施。输送管道泄漏检测系统软件界面如图3 所示。

图3 尾矿管道泄漏检测系统软件界面

左上角实时显示输送管道入口端和出口端的矿浆流量和压力值，数据采集自流量和压力传感器。

左侧中间为泄漏预警显示与设置，泄漏预警分为2 个层级，黄灯预警和红灯预警。黄灯预警指的是系统判断即将或可能发生泄漏；
红灯预警指的是系统判断发生泄漏，红灯亮起的同时，声光报警器发出声光报警。报警发生时，为了避免持续的声光报警，操作人员可以点击“消除报警”，而系统界面的红灯或者黄灯预警仍会显示。消除报警的有效时间为 1 h，若 1 h 后系统仍然是红灯报警，则声光报警器会继续发出声光报警。

右侧曲线是入口端和出口端的矿浆流量和压力值的变化曲线。点击“选择时长”按钮，显示曲线的时长，分别为 1、2、4、8 h。点击“历史曲线”按钮，可以查询历史曲线。通信信号实时显示，正常情况下，显示“通信正常”，且指示灯为绿色；
当通信信号发生中断时，显示“通信中断”，且指示灯变为红色。

在某尾矿现场安装的尾矿管道泄漏检测系统如图4 所示。在尾矿管道结束端开孔放矿，如图5 所示，模拟泄漏过程，对尾矿泄漏在线检测系统进行验证。

图4 尾矿管道两端安装的压力传感器和流量传感器

图5 尾矿管道结束端模拟泄漏开阀

模拟泄漏阀门开启后，尾矿泄出，系统检测到泄漏后，先发出黄灯报警，然后发出红灯报警，同时，声光报警系统发出报警，如图6 所示。

图6 模拟泄漏试验过程中软件系统及声光报警器

逐渐拧开阀门，模拟泄漏量逐渐变大的过程，进行多组泄漏试验，进一步验证尾矿泄漏在线检测系统的功能，结果如表1 所列。

表1 模拟泄漏试验结果统计

测试结果表明，输送管道泄漏检测系统采用流量和压力综合监测，通过在尾矿输送管道两端分别设置压力传感器和流量传感器，对管道进口、出口两端流量和压力进行实时监测，并用智能算法对监测数据进行分析、处理，以准确、快速地检测到管道是否泄漏并发出预警，提醒现场人员及时采取措施，能够实现探测输送管道泄漏流量低于管道总流量的 10%，且判断准确率≥90%。

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