基于VPL的輸油管道實時泄漏檢測系統*

佟淑嬌，王如君，李應波，靳江紅，謝　鵬，呂　辰

(1.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；2.中國安全生產科學研究院，北京 100012； 3.中國石油 吉林石化分公司丙烯腈廠，吉林 吉林 132021；4.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

0　引言

輸油管道在運行過程中面臨多種風險，極易發生泄漏事故，并引發火災、爆炸、溢油污染等事故，造成人員傷亡、財產損失和環境破壞[1-2]。2003年12月19日，中石油蘭成渝輸油管道由于打孔盜油發生泄漏事故，噴發的油柱高達40余米，泄漏持續6 h，損失汽油400余噸，造成寶成鐵路中斷7 h，清江河約500 m河段受到污染。2010年7月16日，大連中石油國際儲運原油庫輸油管道發生爆炸，引發大火并造成大量原油泄漏，造成430余平方公里海面污染，引起了廣泛的社會關注。2013年11月22日，中石化東黃輸油管道發生泄漏，泄漏時間持續7個多小時，事故造成62人死亡、136人受傷的嚴重后果。重大輸油管道事故給公共安全和環境帶來了巨大的危害，同時也暴露出我國在輸油管道泄漏檢測與泄漏損失評估等方面存在的不足。因此，急需開發靈敏性好、檢測和定位精度高、準確計算泄漏量的管道實時泄漏檢測系統，提高管道企業事故防控能力，并為政府安全監管和應急管理提供決策依據。

管道泄漏檢測方法按照檢測原理和手段可劃分為直接泄漏檢測法和間接泄漏檢測法2大類[3-4]。直接檢漏法通過直接檢測管道外是否有泄漏物的方式來實現泄漏檢測，如探地雷達法、紅外線法等，但這些方法易受環境影響，適用性差。管道間接泄漏檢測是通過考查管道泄漏發生引起的變化(如流量失衡、噪音、壓力波動等)來實現泄漏檢測，在檢測精度和適用性上通常優于直接泄漏檢測法，如波測量法、統計法和模型法等。

長期以來，人們在輸油管道泄漏檢測方面開展了大量的研究工作。靳世久[5]較早開展了輸油管道泄漏定位技術的研究，對比研究了基于1種快速微分算法的實時負壓波定位方法和極性相關漏點定位方法；王立坤[6]采取小波閥值和中值濾波去除噪聲干擾提出了1種基于負壓波的用于管道停輸時泄漏檢測和漏點定位的方案；劉恩斌[7]開發了1套基于負壓波原理的輸油管道泄漏檢測系統，并通過實際應用確定系統的定位精度滿足工程需求。負壓波泄漏檢測系統采用工業用壓力變送器即可，并可與管道SCADA系統共用壓力變送器的輸出信號，系統簡單，價格便宜。但該系統僅對工況平穩管道的大量、突發性泄漏的檢測與定位具有比較好的效果，對緩變的微小泄漏漏報率較高，定位精度也比較差；對工況擾動頻繁的管道來說，泄漏誤報率比較高；同時該系統也無法實時、準確計算管道泄漏量。

目前，基于實時模型法的管道泄漏檢測技術被認為是世界上最先進和高效的檢測方法之一。該方法基于流體動力學建立管道實時流動模型(質量平衡方程、動量平衡方程和能量平衡方程等)，在一定邊界條件下求解管道內流場，然后將計算值與實測值進行比較，根據二者偏差進行泄漏判斷，并根據管道內壓力梯度變化確定泄漏點位置[8-10]。這類方法需要與SCADA系統相結合實現泄漏檢測、定位與泄漏量的計算，在泄漏檢測和定位方面最為精確，但該方法對管道仿真技術和儀表設置等有一定的要求。國內外研究學者對基于模型法的油氣管道實時泄漏檢測開展了大量的研究工作。Wang X J等[11]通過引入狄拉克函數建立了管道泄漏時的瞬變流模型并求解得到了以付立葉級數形式表示的解析解；Mark Reeda等[12]在建立管道泄漏量計算數學模型的基礎上開發了相應的計算程序，為快速估算泄漏量提供了依據；孫良[13]基于管道系統與電路系統的相似性，開發了基于模型的管道泄漏檢測與定位程序；王永紅[14]對長輸油氣管道在線仿真系統的發展歷史和工業應用情況進行了闡述,指出仿真軟件應與管道運營需求充分結合。目前，基于管道瞬變模型開發的管道實時仿真系統主要有VPL，SPS以及GNAP等。這些系統都是通過與SCADA系統相結合，實現管道泄漏分析與檢測、管道設計與維護、批次跟蹤與管道運營監控等。李欣澤[15]對TLNET和SPS系統在我國輸油管道的應用情況進行了介紹；肖杰[16]等基于SPS軟件，對輸油管道典型事故瞬態工況進行了模擬分析，并探討了輸油管道瞬時壓力和流量的變化規律。在主流管道實時仿真系統中，ESI開發的VPL(Visual Pipeline)不僅能實現準確的泄漏報警和定位，而且能夠準確計算管道泄漏量，具有高靈敏性和可靠性，現已為許多國家和地區(美國、英國、巴西、印度等)的油氣管道提供了服務，并被證明能極大地提高應用管道的運行和管理效率。因此，以下基于VPL技術建立輸油管道泄漏檢測系統，開展基于實時模型的輸油管道泄漏檢測、定位與分析研究，并通過現場測試，檢驗所建立的輸油管道泄漏檢測系統的泄漏檢測、報警與泄漏量計算精度，探討VPL在我國輸油管道的適用性，旨在進一步提高我國輸油管道泄漏檢測與定位精度，有效解決管道泄漏量無法實時、準確計算的問題。

1　VPL的實時泄漏檢測原理

在理想的條件下，單位時間內，進入管道的流量減去流出管道的流量必然等于該段時間內管道內管存的變化值，如式(1)所示。在VPL系統中，將一定的時間輸送介質在管道中體積的變化值稱為管存率。在管道穩定運行的情況下，管道內產品的凈流量應守恒，管存率也為零，即保證管道的容量守恒。設管存率為PR，凈流速為FB，容量守恒率為VB，那么三者之間的關系如下：

VB=FB-PR

(1)

式中：FB是管道入口的流速與出口流速的差值，即FB=Qin-Qout，Qin為入管道的流速，Qout為出管道的流速，二者均通過SCADA采集。輸油管道實時泄漏檢測原理如圖1所示。

圖1　輸油管道實時泄漏檢測原理Fig.1　 Principle of transiet leakage detection of oil pipeline

在系統運行時，VPL利用系統首末端實測的參數值，如壓力、流量等作為邊界輸入條件，通過求解流體瞬變流動方程，計算管道相應的壓力、流量值，將容量守恒率(VB)與泄漏判斷閾值(TV)進行比較，當二者存在較大差異時，表明有泄漏發生，此時系統發出報警，并確定泄漏位置，同時計算管道泄漏量。

2　VPL的拓撲結構與建模需求

2.1　管道實時檢測系統拓撲結構

基于VPL的輸油管道實時泄漏檢測系統由圖像界面(VPL，VisualPipeline)、管道工作室(PLS，PipelineStudio)、管道管理器(PLM，Pipeline Manager)組成，系統的拓撲結構如圖2所示。VPL是基于Microsoft.NET和C#開發的1個現代化的客戶端服務器，通過結構化的數據樹圖顯示管道相關數據，可快速生成主管道布局圖，并顯示各個節點的圖形與位置，可通過數據操作各元器件的概況和趨勢圖，以及展示多種固態和動態的信息等。PLS的功能是進行管道初始建模，它具有全功能的圖形界面、穩定的數字求解技術、完備的設備模擬、靈活的控制方式和多約束條件設定等特點。PLM的功能是提供全面的管道實時模型計算和容積補償計算，可以實現對泄漏的確認，以及日常操作流量和壓力測量變化結果的統計分析等功能。

2.2　管道系統建模的數據要求

為了建立準確的管道模型，需要采集大量的管道基礎數據和實時的現場數據等資料。管道建模所需的主要數據列于表1中。表1中所列的管道基本參數以及儀表要求搜集全面后，就可以著手建立管道仿真模型，實現泄漏判斷、檢測、報警、定位以及泄漏量的計算等。

2.3　管道系統仿真建模

根據搜集到的管道信息和SCADA系統采集的實時現場數據，通過建立精確、完整的管道系統仿真模型開展管道實時泄漏檢測與分析。通過管道工作室PLS建立的管道仿真模型，管道有關參數設置情況如圖3所示。

圖2　基于VPL的泄漏檢測系統拓撲結構Fig.2　Leakage detection system topology based on VPL

序號管道建模數據具體參數1管道物理數據管道長度、直徑、壁厚、粗糙度、高程的詳細信息，所有設備(各種閥門、出入口、泵、壓縮機等)在管道中的位置，所有場站的P&ID圖等。2管道環境數據熱力學信息(總傳熱系數計算)，包括環境狀態(地埋深度、土壤類型，地面之上等)、季節的環境溫度變化范圍等。3流體性質各種流體性質，包括不同溫度下的粘度數據、體積模量數據、標準狀態下的重度和密度、熱膨脹系數、產品代碼/名稱和描述等。4儀表數據儀表的ID號(儀表位號和描述)、單位、可重復性、精度、儀表范圍、數模轉換位數、SCA?DA數據更新頻率等。5操作數據最大流量范圍、操作溫度、管道壓力、最大允許操作壓力、最小允許操作壓力、各種參數的單位制等。6儀表要求流量儀表測量精度：0．25%～0．5%；壓力儀表測量精度：0．25%；溫度儀表測量精度：0．25%；密度計精度：0．5%；小于15秒的SCA?DA刷新速率。

圖3　管道參數設置界面Fig.3　Interface of pipeline parameters

管道仿真模型是流體在管道內流通時水力和熱力的瞬態變化行為模型，充分考慮與周圍環境熱交換，管道的屬性，流通物體的屬性以及管道外的狀態變化。建立管道仿真模型時還需要根據管道運行的歷史數據對泄漏檢測閾值(TV)進行設置和調整，綜合考慮平均壓力、平均凈流量、平均流速、管存變化、質量變化、管存率、流量平衡、體積平衡的標準偏差等多種因素對管道模型的影響。

管道系統模型調試完成并運行后，操作人員就可以對管道運行情況進行實時監測，一旦發生泄漏系統會發出聲音警報，并以圖形化的界面形式提供泄漏點的定位和泄漏量情況。

3　管道實時泄漏檢測與分析

3.1　系統判斷泄漏開始

通過對管道參數的實時監測和運算，管道實時泄漏檢測系統通過容量守恒趨勢圖，可以對泄漏進行判斷和發出報警。根據趨勢曲線，當體積平衡持續超越閾值時(如圖4所示)，系統發出泄漏報警。

圖4　泄漏趨勢分析界面Fig.4　Interface of leakage trend analysis of pipeline

一旦泄漏發生，管存變化(PR)會下降，而流量平衡(FB)為補充管道中的壓力損失，會略微上升，體積平衡(VB)會上升，并持續直到穿越閾值(TV)，此時系統可確定管道泄漏發生，管道出、入口壓力也會同時出現下降(如圖5所示)。

圖5　系統判斷泄漏發生Fig.5　Interface of leakage trend analysis of pipeline

3.2　系統發出泄漏報警

圖6中，當容量守恒率曲線持續穿越閾值線超過60 s時，系統會發出紅色泄漏報警，并顯示泄漏報警時間信息。

3.3　泄漏定位與泄漏量計算

基于VPL的管道泄漏檢測系統通過圖形用戶界面，為操作人員提供直觀可見的管道運行狀態及運行結果的真實場景，并可實時清晰、實時地顯示泄漏位置、泄漏尺寸、瞬時泄漏量和累積泄漏量，如圖7所示。這不僅便于操作人員辨識和判斷，而且極大提高了泄漏計算的準確率，同時為泄漏應急救援提供準確依據。

圖7　泄漏定位和泄漏量顯示Fig.7　Interface of leakage location and volume display

3.4　系統判斷泄漏結束

當管道泄漏結束時，管道出、入口壓力會同時出現上升，如圖8所示。此時，泄漏檢測系統判斷管道泄漏結束，并取消紅色報警，恢復實時監測狀態。

圖8　系統判斷泄漏結束Fig.8　Interface of leakage ending

4　系統現場測試與分析

4.1　試點管道介紹

某原油輸送管道全線總長286 km，沿途共設7座站場(首站PY，末站LY，中間站HX，WH，XX，WZ，WX)。管道直徑為426 mm，管壁厚為7 mm，年設計輸油能力為500×104t，最低輸量為280×104t，運行壓力為5.5 MPa，輸送油品為中原油與進口油的混合油，混合油的密度約為854.26 kg/m3。在管道首站設有2個超聲波流量計，末站設有6個體積流量計，7個站都有壓力和溫度儀表。

4.2　建立管道仿真模型

根據管道企業提供的管道數據資料建立管道仿真模型，如圖9所示，對整個管線的接線、源點、分輸點和儀表進行命名，然后輸入管道基本參數，并根據管道近2 a的歷史運行數據對所建模型的參數進行調整。

圖9　管道仿真模型界面Fig.9　Interface of simulation model of pipeline

4.3　測試方案設計

現場測試的具體實施方案如圖10所示。

圖10　泄漏檢測系統測試方案Fig.10　Testing plan of leakage detection system

測試分成2組(現場組和系統組)同時進行，現場組到達測試站場后對儲油罐進行檢尺操作，確定油面高度，開泄放閥，將管道內一定量原油泄放至儲油罐，關閥后用檢尺測量原油泄放量，并記錄相關數據。系統組在管道調度中心查看泄漏檢測系統運行情況，記錄管道初始參數和運行條件，嚴密監視仿真系統運行情況，觀察參數變化情況，并及時記錄泄漏報警時間、泄漏位置和泄漏量等相關數據。

4.4　測試數據統計分析

共開展6次現場測試，測試后將2組測試結果進行匯總與比對，分析所建立的管道實時泄漏檢測系統的性能指標。表2是第1次測試記數據記錄情況。

表2　第1次現場測試記錄

如表2所示，第1次測試中系統判斷測試時間與現場開閥時間同步；現場組根據2次檢尺結果差值確定泄放原油量為4.05 m3，系統組根據泄漏檢測系統運算結果確定泄漏量為4.16 m3；現場泄放點位于距首站143.2 km處，系統定位泄漏點位于距首站143.47 km處。

最后，將6次測試數據進行匯總分析，測試過程中系統運行穩定，無漏報、誤報記錄，最小泄漏檢出率為0.7%，泄漏量計算準確率為94.42%，泄漏點定位精度為96.96%。

5　結論

1)基于VPL的輸油管道實時泄漏檢測系統由圖像界面、管道工作室和管道管理器組成，通過組態編輯器、圖像界面、管道工作室和SCADA 接口，基于實時模型開展管道泄漏檢測與分析，不僅可實現管道實時泄漏檢測、報警和定位，而且能夠實現管道泄漏量的定量計算。

2)系統測試結果表明，基于VPL的輸油管道實時泄漏檢測系統總體性能良好，檢測精度、靈敏度較高，泄漏量計算準確率較高，漏報、誤報率較低，具有良好的可靠性；能持續地檢測泄漏的發生，可以有效地檢測微小泄漏。

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