管道泄漏報警系統(tǒng)的研究

曲紅娟（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

管道泄漏報警系統(tǒng)的研究

曲紅娟（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

管道泄漏影響生產(chǎn)、污染環(huán)境并形成最大的能源浪費，為提升檢漏及巡檢效率，以負壓波檢測原理為基礎(chǔ)，建立高精度采用數(shù)字通信的測控前端。應(yīng)用數(shù)字化、信息化技術(shù)，建立覆蓋企業(yè)生產(chǎn)管道的測控系統(tǒng)，使其成為大型企業(yè)生產(chǎn)控制監(jiān)測系統(tǒng)的一個有機部分。通過系統(tǒng)采集管網(wǎng)運行的有效參數(shù)，全面整體的監(jiān)測管道的運行狀態(tài)，在提高檢漏及巡檢效率的同時，大幅降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)安全的保障能力。

管道泄漏；負壓波；輸量平衡法

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.016

隨著油田生產(chǎn)不斷擴大，各類管網(wǎng)密布生產(chǎn)區(qū)塊因管道泄漏造成的環(huán)境污染、經(jīng)濟損失及社會負面影響的矛盾越來越突出。同時，也因生產(chǎn)力的提高，管道輸送的生產(chǎn)數(shù)據(jù)大量增加，出現(xiàn)了密集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)采集分析滯后的矛盾。通過信息技術(shù)與控制技術(shù)融合，利用管道泄漏定位報警技術(shù)，建立全面監(jiān)控、綜合管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)收集與分析、生產(chǎn)的全面宏觀控制，使其成為數(shù)字油田的一個有機部分。在降低員工勞動強度的同時，可大幅度提升生產(chǎn)管理能力。

1 監(jiān)測方法及原理

國內(nèi)外曾經(jīng)研究過的管道泄漏監(jiān)測與漏點定位的方法很多，主要有化學(xué)方法、應(yīng)力法、漏磁法、流量差監(jiān)測法、負壓波法、負壓波-次聲波法、全線壓力分布法、全線質(zhì)量平衡法、管道瞬變模型法等。近年來，國內(nèi)對于長輸管道檢漏技術(shù)的使用主要應(yīng)用負壓波-輸量平衡法檢測[1]。

“負壓波法”通過監(jiān)測“泄漏”引起的“壓力下降”來判斷有無泄漏發(fā)生并進行定位，“輸量平衡法”是靠管道兩端的流量計實時監(jiān)測比對進出流量，判斷有無泄漏發(fā)生。管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在“負壓波法”的基礎(chǔ)上引入了“管道輸量平衡法”即為負壓波-輸量平衡法。二者結(jié)合形成了優(yōu)勢互補，可提高了泄漏監(jiān)測的準確率。

當(dāng)首末兩站間輸油管線某一點發(fā)生泄漏時，引起兩端流量變化。泄漏點壓力突然降低所產(chǎn)生的負壓力波將沿管道向兩端傳播，當(dāng)該負壓波傳遞到管道端點時，引起首站出站壓力和末站進站壓力變化。通過通信網(wǎng)絡(luò)把壓力和流量信號實時傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機中，即可實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測[2]。泄漏位置不同，兩個站響應(yīng)的時間差也不同，根據(jù)管道長度、壓力傳播速度等即可準確計算出相應(yīng)泄漏位置。同時，還需要根據(jù)管線的工況參數(shù)及被輸介質(zhì)的理化性質(zhì)和溫度衰減等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進行必要的補償和修正。設(shè)計過程中，需將某些站內(nèi)操作引起的非泄漏“壓力下降”進行屏蔽，否則會發(fā)生頻繁的無意義報警。負壓波法管道泄漏檢測基本原理見圖1，圖中L1、L2分別為泄漏點距首站及末站的距離，L為管道的長度,V、V′分別為次聲波傳播的速度及液體的流速。根據(jù)以上原理，建立數(shù)學(xué)模型見圖2（p為管道輸送壓力）。

圖1 負壓波法基本原理圖

因為介質(zhì)流速遠小于負壓波傳播的速度，忽略介質(zhì)流速，得如下公式：

式中：x——泄漏點與入口端的距離，km；

α——壓力波傳播速度，km/s；

L——首末兩站間的距離(管長)，km；

τ0——首末站變送器輸出信號的時間差，s。

圖2 負壓波法數(shù)學(xué)模型

在已知負壓波傳播速度的情況下，測得管道兩端接收到負壓波的時間差即可得到管道泄漏點的位置[3]。

2 監(jiān)測報警系統(tǒng)的建立

生產(chǎn)實際中，負壓波管道泄漏報警系統(tǒng)的建立受到多方面的制約。需要適應(yīng)地質(zhì)條件變化、地面建設(shè)調(diào)整，以現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)布局為基礎(chǔ)，并參考未來油田開發(fā)規(guī)劃，需根據(jù)實際有序建設(shè)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)負壓波檢測原理，可在管道兩端建立現(xiàn)場數(shù)據(jù)測控與處理單元，通過其壓力傳感器，測得管道兩端壓力變化的曲線，即可分析得到負壓波到達的時刻。為了保證兩端采集時間一致，通過共同共享網(wǎng)絡(luò)時間，即可測得負壓波到達兩端的時間差。為了修正管道輸量平衡值，補償溫度引起壓力波傳遞速度、衰減速度變化值，要在端點安裝溫度傳感器。壓力、溫度、流量信號通過控制器進行采集[4]。最后，通過計算機系統(tǒng)詳細的分析各種工況相關(guān)參數(shù)，修正、補償各種因素引起的誤差，即可確定管道泄漏點的位置及泄漏程度[5]。測控系統(tǒng)見圖3。

圖3 測控系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)測控與處理單元、遠程通信系統(tǒng)、監(jiān)視分析與管理計算機系統(tǒng)三大部分組成。

1）數(shù)據(jù)測控與處理單元。該單元負責(zé)采集現(xiàn)場管線運行的狀態(tài)參數(shù)。主要由溫度變送器、壓力變送器、原油流量計以及PLC控制器組成。PLC控制器采集前端傳感器的信號，并對數(shù)據(jù)進行初步處理，為管網(wǎng)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）遠程通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責(zé)各個主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，共享時間及管道狀態(tài)。該建設(shè)采用廠內(nèi)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。

3）監(jiān)視分析與管理計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責(zé)對數(shù)據(jù)進行分析，提示報警及地理位置顯示、實時數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史記錄查詢等功能。該部分由工業(yè)計算機系統(tǒng)組成[6]。

以上是點對點的簡單流程和單一通信方式下的基本結(jié)構(gòu)，有多個分支的管線，具有正反輸流程的管線，通信條件比較特殊等，系統(tǒng)（尤其是軟件系統(tǒng)）復(fù)雜一些。須對每一條管線的不同特點設(shè)計不同的軟硬件解決方案。

2.2 設(shè)備要求

負壓波從泄露點沿管道壁及介質(zhì)向管道兩端傳播，相對比較微弱。現(xiàn)場實際測量沿介質(zhì)傳播的負壓波，其受干擾多、衰減快。需要分辨率高的壓力變送器。因為需要實時測量壓力，建立壓力運行模型，同時也為了分析數(shù)據(jù)的準確性，保證壓力測量值精度，需要使用精度高的壓力傳感器。為了降低其他因素引起的壓力誤差，尤其是信息傳輸過程中造成的誤差，需要使用數(shù)字信號傳輸。管道部分端點建有溫度、壓力變送器等（圖4）。

圖4 管道輸油系統(tǒng)現(xiàn)場示例圖

現(xiàn)場實際使用的壓力變送器采用工業(yè)標準信號4～20 mA傳輸信號，受傳輸條件及內(nèi)部處理電路、接收端A/D轉(zhuǎn)換等因素的影響，誤差較大。現(xiàn)場實際采用的壓力變送器，自身測量精度滿足工業(yè)檢測條件的要求，但對管道監(jiān)測的壓力微小變化，誤差過大，無法滿足管道監(jiān)測的要求。得出現(xiàn)場實際采用的壓力變送器分辨率不滿足要求。

2.3 創(chuàng)建管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺

在各類管網(wǎng)內(nèi)管道兩端的站場內(nèi)，建立前端檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)。以大型站場為局部監(jiān)控中心，建立局部測控系統(tǒng)，用以監(jiān)測其管道系統(tǒng)內(nèi)所連接轉(zhuǎn)油站等中小型站場的來液管道及監(jiān)測站內(nèi)的外輸管道運行狀況及提示報警。在管理職能部門建立管道運行監(jiān)控中心，總體協(xié)調(diào)、調(diào)度及監(jiān)控管網(wǎng)運行狀況，在各生產(chǎn)區(qū)域管理中心根據(jù)權(quán)限完善管理指揮系統(tǒng)，建立監(jiān)測平臺。

3 結(jié)論

輸油管道是石油企業(yè)的生命線，自然破損或人為破壞會造成管線穿孔或斷裂，若不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，不僅影響生產(chǎn)，還會導(dǎo)致油品漏失、污染環(huán)境等一系列不良后果。系統(tǒng)建成后可實現(xiàn)對管線進行有效的在線實時監(jiān)測，及時準確地判斷泄漏發(fā)生并確定泄漏位置，能夠?qū)p失減小到最低程度。同時，系統(tǒng)采集管網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)南嚓P(guān)信息，提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，極大地提升了管理能力。

[1]陽子軒.復(fù)雜管道泄漏檢測技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[2]胡瓊.在役管線泄漏檢測技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[3]陳樊.管道泄漏遠程監(jiān)測與控制實驗系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[4]劉琳琳.管道泄漏檢測數(shù)據(jù)的壓縮方法研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2011.

[5]李慧.基于混合模型的管道泄漏檢測方法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2013.

[6]王輝.輸油管道微小泄漏特征提取方法研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2008.

2017-03-22

（編輯 沙力妮）

曲紅娟，工程師，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（電氣工程自動化專業(yè)），從事電氣規(guī)劃工作，E-mail：qhongjuan@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市第五采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所規(guī)劃室，163513。