負壓波法管道泄漏監測定位系統實踐與探索

慕喜平+武博+王立

摘 要：輸油管道發生泄漏不僅會給企業帶來巨大的經濟損失，而且會造成十分嚴重的環境污染，所以研究和開發一套有效的輸油管道泄漏檢測及定位系統具有重要的意義。本文以負壓波為原理，以LabVIEW與MATLAB為系統開發平臺，結合傳感器技術、數字信號處理技術和通信技術，設計研發了輸油管道泄漏實時檢測及定位系統。

關鍵詞：小波變換；管道泄漏；監測

1 實施背景

1、油田安全生產的需要。

原油輸送管道是油田生產的生命線，如果管線發生穿孔，將會導致原油漏失、環境污染等一系列不良后果，如果采取先進的科技手段，對輸油管線進行實時監測，迅速準確的判斷出泄漏位置。就能使突發事件得到及時處理，使損失降到最低限度。

2、打破泄漏監測技術壟斷的需要。

市場上有部分公司研制管道泄漏監測定位系統，其實驗環境都是理想的輸送液體管道，而我們的輸油管道多處于山峁溝壑之間。所以，他們的產品不一定適用于我們的輸油管道在線監測，安裝費用較高，15萬元/套，只能對重點輸油管線加裝。所以，打破這種技術壟斷，研發適用于長慶油田輸油管道在線監控系統是有重要意義的。

2 主要做法

1、成立科研項目技術攻關小組

2016年3月以來，在廠部的大力支持與領導下，由廠信息中心牽頭組織，成立管道泄漏監測定位系統科研項目技術攻關小組。領導小組定期召開會議，總結階段任務進展情況，明確下階段的重點任務，分析科研項目中存在的問題，進行集中解決和處理。

2、宣傳營造氛圍，推進項目工程施工

2016年3月至2016年8月，化子坪采油作業區積極響應廠部號召，成立項目工程實施小組。加大對該科研項目推廣宣傳，營造濃厚科研氣氛，提高員工對該項目工程的認知度，推進該項目工程建設。

3、編制管道泄漏監測定位系統科研項目實施方案

2016年5月，廠信息中心牽頭，化子坪作業區積極配合，集體討論，編寫《管道泄漏監測定位系統科研項目開題設計報告》以及《管道泄漏監測定位系統科研項目實施方案》。

3 項目實施過程

1、搭建管道泄漏監測實驗環境

在管線兩端加裝羅斯蒙特高精度壓力變送器，可實時監測管線壓力，同時在途經林79-75井組處（距離鐮一轉1500m），加裝仿真泄漏的閥門，用來模擬管線泄漏。

2、驗證負壓波的存在，對方案可行性進行評估

檢索采油四廠2015年以來所有管道泄漏事件，從SCADA系統工業庫調用歷史數據，采用小波變換法濾波，然后進行奇異性分析，發現管道泄漏時，確實有負壓波傳輸至上、下游壓力變送器。所以，采用負壓波法對管道泄漏監測定位有一定的可行性。

3、研發管道泄漏監測定位系統

一是硬件系統設計

以數據采集卡為處理核心，研制小型數據采集系統，用來實時采集被監測輸油管線兩端壓力傳感器壓力值。

①電源濾波器：考慮到站點電網不穩定，安裝有多臺大功率變頻器等設備，電源濾波器用來濾除電網50Hz干擾。

②24V穩壓電源：將220V交流電壓轉換為24V直流電壓，用來給數據采集卡、IV隔離器、光纖收發器供電。

③數據采集卡：用來實時采集現場壓力變送器壓力值，并將數據傳回至管道泄漏檢測平臺。

④隔離配電器：考慮到部分站點地網鋪設不完善，無法將設備共地連接，隔離配電器主要用來消除共地環流，保障采樣精度。

⑤納米晶磁環濾波器：主要用來消除50-100MHz高頻干擾，保障采樣精度。

⑥光纖收發器：因“源場作用”，為了更準確的檢測負壓波信號，需將壓力變送器安裝至距離站點100-200m管線上，需通過光纜傳輸信號，故加裝光纖收發器設備。

二是軟件系統設計

通過LABVIEW平臺，自主G語言開發設計，實現上、下游壓力信號同步采集；利用MATLAB平臺，自主M語言編程，實現基于圖像處理的算法，精確判斷壓力變化拐點，測定泄漏位置。

①數據采集卡初始化子程序

上位機監控平臺向數據采集卡發送采集命令時，首先需要對數據采集卡采樣頻率、通道、量程變換等參數進行設置。

②數據采集卡采集子程序

上位機觸發數據采集卡采樣后，數據采集卡依據內部硬件時鐘進行實時采樣，利用LABVIEW并行處理技術，實現上下游數據采集卡同步采集。

③壓力數據濾波子程序

采用MATLAB自帶的DB6小波，實現小波變換濾波，濾除噪聲信號，保障壓力數據準確可靠，為后期泄漏監測算法提供可用數據。

④泄漏監測定位算法子程序

為快速檢測和準確定位壓力曲線上的負壓波，提出一種基于圖像處理的算法。該方法將壓力數值轉化為圖像灰度值，將壓力曲線上的負壓波起始點定位等價為圖像的邊緣檢測。

⑤報警子程序

當發生泄漏事故時，LABVIEW通過驅動電腦聲卡，發出報警聲音，提醒值班員工，以便在第一時間將問題解決。

⑥截屏子程序

當壓力曲線出現抖動時，LABVIEW觸發截屏子程序，截屏保存，方便員工查看歷史曲線。

4、靜止承壓管線上測試

封堵實驗管線兩端，將管線用清水打壓至2.6MPa，然后將研制的數據采集系統安裝至管線兩端，實時采集現場壓力信號。然后通過放空閘門放水，開展多次泄漏測試，兩端均能監測到負壓波，并能判定泄漏位置，得出負壓波的傳輸速度約1000m/s。

5、真實輸油管線上開展測試

將鐮二增外輸原油導入實驗管線，鐮一轉處未測到負壓波。可以實時報警，但無法定位。導致這種現象的主要原因，就是管線末端，存在較大的高程差，流體重力效應，導致管線未充滿管道。

測試后期：將鐮一轉進站閘門進行適度關閉，提升壓力。鐮二增外輸壓力1.85MPa，鐮三增處測到的壓力1.42MPa，鐮一轉處壓力0.85MPa，通過20多次的放油測試，發現鐮一轉、鐮三增處均能監測到負壓波，可以實時報警，并能準確定位。

6、真實輸油管線上安裝試運行

經過大量實驗探索，管線泄漏監測定位要領全部得到掌握，對化五轉、化七增外輸管線加裝管道泄漏監測定位系統，主要對系統穩定性進行評估，其次，針對員工要求，進一步完善系統功能。

4 取得效果

1、初步探索出管道泄漏監測的機理

應力波法是一種很有效的方法，但我們的輸油管線屬于地埋，應力波衰減較大，最大監測長度1公里，不適用于站點外輸管線。負壓波法，主要依靠管線泄漏引起物質損失，兩端流體不斷向泄漏點處補充，形成了由泄漏點向兩端發送的負壓波，該方法簡單可靠，在長慶油田比較適用。

2、研發了一套管道泄漏監測定位系統

通過堅持不懈的鉆研，研制了一套基于數據采集卡為處理核心的數據采集系統，并用LABVIEW與MATLAB混合編程的方式，設計開發了一套泄漏監測算法軟件平臺，界面友好，操作簡單，采樣頻率500Hz，采樣精度0.01%，泄漏報警響應僅需數秒，定位誤差小于管線全長的5%，具有完整的自主知識產權。

3、建立了一支創新團隊

通過細化崗位、組織推動、創新載體等做法，成立了化子坪作業區艾信創新工作小組，小組成員共計5人，主要由技能帶頭人以及技術標兵等組成。小組成員主要完成了管道泄漏監測定位系統、SCADA短信層級報警推送系統、可燃氣體信號GPRS無線傳輸系統、井組及站點計量裝置研發等任務。

4、確立了一套解決問題的新方法——焦點輻射法

本著“有條件要上，沒有條件創造條件也要上”的信念，以存在的復雜問題為焦點，對其進行分層次孤立，逐步放大孤立范圍，向外輻射狀排查，尋找問題根源，然后對癥下藥。

參考文獻

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