基于低頻聲波和負壓波的管道泄漏監測系統

李文杰 中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠

基于低頻聲波和負壓波的管道泄漏監測系統

李文杰 中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠

基于低頻聲波和負壓波的管道泄漏監測系統在孤永東長輸管道孤島原油庫到永安輸油站段的現場試驗表明，該系統可以準確地自動識別出大于管道瞬時流量0.5%的泄漏；大于管道瞬時流量1%的泄漏能夠定位在距離實際泄漏點200 m以內；能夠準確區分泄漏信號和站內操作等外部干擾信號以及正常信號，解決了負壓波法在擾動復雜頻繁的情況下誤報率高的問題；系統的定位精度有所提高，小流量泄漏自動報警的漏報率有所降低，達到了預期的應用效果。

低頻聲波；負壓波；管道泄漏；監測系統；報警；定位精度

油氣管道泄漏監測定位系統的主要功能是實時監測長輸管道內的流體是否發生泄漏并在泄漏時對泄漏點進行報警和定位，以確保油氣管道安全平穩運行。

勝利油田孤永東輸油管道起始于孤島原油庫，途經永安輸油站，終至東營原油庫，全長64.5 km，設計壓力4.0 MPa，設計最大輸油能力840×104t/a。

安裝在該長輸管道中的負壓波泄漏監測系統和低頻聲波泄漏監測系統在實際運行中各有優缺點，互補性較強。對這兩套系統進行重新整合和技術改進，會有效提高系統定位精度并降低自動報警的誤報率。

1 負壓波法的原理和優缺點

負壓波法的原理是當輸油管道發生泄漏時，泄漏點處由于管道內外的壓差，流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的液體由于存在壓差而向泄漏點處補充，這一過程依次向上、下游傳遞，相當于泄漏點處產生了以一定速度傳播的負壓波。因此依據泄漏產生的瞬時負壓波傳播到上、下游的時間差可推算出泄漏點的位置。負壓波的傳播速度取決于管壁的彈性和液體的壓縮性，在鋼質原油長輸管道內負壓波的傳播速度一般約為1 000～1 200 m/s。要實現定位的準確，需精確計算出負壓波在管道內流體中的傳播速度和首、末端壓力傳感器接收負壓波的時間差。

負壓波法管道泄漏監測系統的優點是造價較低，可借助多種軟、硬件技術較好地解決大流量泄漏和突發性泄漏的監測問題。缺點是在工況擾動頻繁的情況下誤報率較高，在緩慢的泄漏和小流量泄漏情況下漏報率較高。

2 低頻聲波法的原理和優缺點

低頻聲波法的原理是當管道發生泄漏時，泄漏產生的聲波分布在很寬的頻譜上，在6～80 kHz之間，其中低于20 Hz的低頻聲波的特征信號可以在管道內遠距離傳播，并與工況擾動所產生的聲波有不同的信號特征。安裝在管道首、末端的低頻聲波傳感器實時采集沿管道內介質傳播的低頻聲波信號，依據對泄漏信號特征的分析來監測是否發生泄漏。

低頻聲波法所采用的傳感器具有靈敏度高、動態響應性能好的特點。負壓波法所采用傳感器的響應速度為10 kHz，采樣周期為100 ms；而低頻聲波法所采用傳感器的響應速度為100 kHz，采樣周期為10 ms。理論上管道泄漏監測的定位精度可以達到10 m左右，低頻聲波法可以提高定位精度和更小泄漏量的識別率。

低頻聲波法管道泄漏監測系統的優點是造價適中，信號特征傳播距離遠。工況擾動所產生的低頻聲波有不同的信號特征，依此可以辨別站內操作和擾動，克服了負壓波法的缺點，能夠探測到較小流量的泄漏。該方法的缺點是對小流量的泄漏和緩慢泄漏仍存在檢測靈敏度和定位精度不高的問題。

3 兩套不同系統的整合改進

由負壓波法和低頻聲波法各自的優缺點可以看出，兩者有較強的互補性。以此為依據，將已經安裝在孤島原油庫和永安輸油站段的負壓波傳感器的信號和低頻聲波傳感器的信號重新整合集成到能夠同時處理這兩種信號的泄漏監測系統中，通過基于多種傳感器信號融合的方法，對這兩種傳感器信號發生泄漏可能性的評價結果進行一致性和互補性分析和判斷，來提高泄漏點報警的準確度和定位的精確度。當工況干擾導致負壓波和低頻聲波這兩種不同傳感器的泄漏監測結果不一致時，該整合方法可以克服單一傳感器的影響，正確識別出泄漏，從而提高泄漏監測系統的報警和定位性能。

4 系統的組成

4.1 硬件部分

基于低頻聲波和負壓波管道泄漏監測系統的硬件部分，包括安裝于管道首端和末端的低頻聲波和負壓波的組合式傳感器、專用數據采集器、中心監測定位主機、GPS授時器、通信網絡。其中低頻聲波和負壓波的組合式傳感器包括低頻聲波傳感器、負壓波傳感器、信號放大轉換器及組合式安裝器件。低頻聲波傳感器用于測量管道頻率范圍低于20 Hz的聲波；負壓波傳感器用于測量管道靜態壓力；信號放大轉換器將低頻聲波和負壓波信號放大后轉變成4～20 mA DC信號輸出；組合式安裝器件將低頻聲波和負壓波傳感器進行聯接，并通過鍍鋅鋼管與管道開孔聯通后安裝于管道首、末端，便于測量管道實時運行狀態。

系統中所包含的專用數據采集器是由中央處理器、存儲器、輸入模塊、通信模塊、電源模塊等組成的內部裝有專用數據采集處理程序的一體化可編程邏輯控制器。其中中央處理器，作為專用數據采集器的核心采用16位微處理器，對程序和數據進行高速處理；存儲器用于存儲專用數據采集處理程序和采集處理后的數據；輸入模塊將模擬低頻聲波信號、負壓波信號分別進行模數轉換；通信模塊將轉換為可以處理的數字信號的低頻聲波、負壓波、流量、溫度等數據，通過通信網絡傳送給中心監測定位主機；電源模塊用于給專用數據采集器提供24 V直流穩壓電源。

系統中組合式安裝器件里所包含的低頻聲波傳感器和負壓波傳感器通過管路聯通至原油長輸管道，3個閥門分別用于開啟和關閉通往低頻聲波傳感器、負壓波傳感器和總匯管的通道。

GPS授時器從GPS地球同步衛星上獲取微秒級的標準時鐘信號信息，為各個數據采集器傳輸的數據加上統一的標準時間標簽，使得分布于管道首、末端的數據采集節點間的系統時鐘保持同步，從而確保了定位的高精確性。

通信網絡采用專用光纖網絡、專用衛星網絡、專用無線微波網絡。

4.2 軟件部分

系統的軟件部分包括作為上位機程序的基于低頻聲波和負壓波管道泄漏監測與定位軟件，以及作為下位機程序的專用數據采集器內置的采集程序。上位機程序安裝于中心監測定位主機內，通過通信網絡接收來自管道首、末端的專用數據采集器傳來的數據，自動進行實時監測、分析、報警及定位。

5 應用效果

基于低頻聲波和負壓波管道泄漏監測系統在孤永東長輸管道孤島原油庫到永安輸油站段的現場試驗表明，該系統可以準確地自動識別出大于管道瞬時流量0.5%的泄漏；大于管道瞬時流量1%的泄漏能夠定位在距離實際泄漏點200 m以內；能夠準確區分泄漏信號和站內操作等外部干擾信號以及正常信號，解決了負壓波法在擾動復雜頻繁的情況下誤報率高的問題；系統的定位精度有所提高，小流量泄漏自動報警的漏報率有所降低，達到了預期的應用效果。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.060