近年來，對長途輸送管線進行劣化與洩漏管理/監測之意識日漸提升，政府、管線業者均積極研擬可行之方案，欲從制度面/管理面的建構以及技術面的提升，來確保管線安全。
本文將從以下大綱，說明本技術於工研院中興院區1公里管線進行洩漏實驗實證，並安裝「ITRI LeakD洩漏感知系統」捕捉與分析洩漏訊號，完成系統功能驗證。
‧ITRI LeakD洩漏感知系統架構
‧RTTM洩漏監測模組
‧工況識別模組
1. 偵測器與事件資料庫之建置
2. 特徵萃取器(Feature Extractor)
3. 分類器
4. 工況辨識演算法效能驗證
【內文精選】
近年來，我國對於工業管線安全之管理愈趨重視，除制定新法或修訂原管理辦法，強制企業主負起管線之設計、施工、操作與維護的責任，也要求企業主重視管線系統安全的完整性，並進行自主管理、定期風險評估與建置工業管線安全監控診斷系統。
針對管線安全管理一環中的管線洩漏監測(Leakage Detection)技術，可區分為使用外部感測器（外部系統）和使用內部感測器（內部系統）之監測技術。本研究開發「ITRI LeakD洩漏感知系統」歸屬於內部系統範疇，主要為運用流量感測器、壓力感測器、溫度感測器，量測管線內部壓力/流量/溫度訊號後，傳送至洩漏運算核心模組；洩漏運算核心模組使用即時暫態模型(Real Time Transient Model; RTTM)方法，估算管線在滿管穩態運轉或是暫態運轉之質量流率，再以估算值與實際量測值做殘差計算，判斷管線之流量變動是因為暫態運轉還是洩漏造成。同時在「ITRI LeakD洩漏感知系統」中增加工況識別之功能，引進圖形辨識(Pattern Recognition)技術，開發相關之演算法，目標為實現工況識別，例如可以識別起泵、停泵、關閥、管線切換、持壓等管線狀態，而後進一步實現工況正常與否之診斷，亦即工況異常時能夠即時提供訊息至控制室，如此有利於即時監控管線狀態，提供正確的管線狀態資訊給運轉值班或是搶修人員。
ITRI LeakD洩漏感知系統架構
ITRI LeakD擷取管線中的壓力/流量/溫度訊號作為輸入參數，參數傳送到開發之RTTM洩漏運算核心模組中，判斷管線有無發生洩漏以及分辨工況，一旦判斷為有洩漏情事，則會於軟體介面上提報洩漏警訊。
RTTM洩漏運算核心，是使用量測到的上、下游溫度/壓力/流量訊號，估算即時性的管線內部質量流率，估算值並和量測值做殘差比較，若殘差值大於設定的閾值(Threshold)則判斷為有洩漏，若殘差值沒有超過閾值則判斷為無洩漏，技術示意如圖二。
圖二、即時暫態模組(RTTM)技術核心
RTTM洩漏監測模組
洩漏監測RTTM模組即是所謂的即時暫態模型法(RTTM)，為「ITRI LeakD洩漏感知系統」之核心。RTTM法是求解質量守恆、動量守恆、能量守恆之流體動力學方程式，使用管線進口與出口兩端之壓力和流量訊號變化，將進口與出口的壓力訊號變化作為暫態動力學模型的邊界條件。假設管線無破口洩漏的情況下，計算出沿著管線之壓力梯度分佈變化，並同時計算進口與出口的流量變化情形，而後評估流量計算值與量測值之誤差，用以判斷洩漏的發生。
「ITRI LeakD洩漏感知系統」於工研院中興院區1公里管線驗證功能，以工研院中興院區1公里管路系統，作為洩漏監測系統之驗證場域。管線之操作狀態乃模擬高雄地區廠家4吋管線之操作，實驗架構中採用液態水為工作流體，與廠家實際之工作流體不同，因此依據流體力學在設計實驗時使用之相似性原理設計實驗。
功能驗證包含：流量變動無洩漏案例、穩定運轉中發生洩漏案例、流量變動中發生洩漏案例，數據結果如圖四。從「流量變動無洩漏案例」實驗結果可以看出，管路系統中若是單純的流量變動，RTTM模組的計算結果完全吻合現場流量訊號，即使管線內部流量發生變動，也不會發生誤警報；從「穩定運轉中發生洩漏案例」以及「流量變動中發生洩漏案例」實驗結果可以…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、ITRI LeakD實驗驗證結果
作者：鄭憶湘／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」377期，更多資料請見下方附檔。