基于負壓波原理的原油管道泄漏檢測系統應用

陸地

(中國石油工程建設有限公司 北京設計分公司，北京 100085)

石油天然氣處理及外輸過程中，管道是主要的輸送方式之一。管道運輸具有運輸量大、受地形限制小、密閉安全、能耗少及運費低等優點[1]。但是在管道運行過程中，由于管道老化、地質條件變化以及第三方破壞等原因，管道泄漏事故經常發生，輕者造成停工停產、資源浪費、財產損失，重者造成環境污染，威脅人身安全[2]，對企業信譽造成損害。因而，及時發現并定位泄漏點、實時監測管道運行狀況尤為重要。

某油田位于伊拉克東南部，現場環境惡劣，交通路網落后，加之戰亂等不安全因素，人工巡線具有很大難度。為了準確地掌握管道的運行狀況，及時處理管道出現的問題，減少管道事故造成的人身安全傷害、環境污染及經濟損失等，在管道設計之初應考慮安裝管道泄漏檢測系統。

1 管道泄漏檢測方法

油氣管道泄漏檢測方法主要分為內部檢測法和外部檢測法[3]。

內部檢測方法是通過數據檢測及采集系統，實時采集管道內的溫度、壓力、流量等狀態參數，運用不同的分析理論進行管道泄漏的檢測與定位。主要的方法有： 模型法、壓力點分析法、壓力梯度法、負壓波法、聲波法等。

外部檢測方法是通過管道上或管道外的某些物理特性對管道進行檢測和定位。主要的方法有： 外部巡視法、分布式線纜檢測法、聲發射檢測法、示蹤化合物檢測法、遙感檢測法等。

不同的管道需要根據實際情況應用多種方法進行管道泄漏檢測，使得泄漏檢測效果更快速、更精準、更可靠。

2 負壓波原理

根據項目實際情況，綜合考慮技術可實施性、經濟性、應用經驗等多方面因素，油田管道采用基于負壓波原理的泄漏檢測系統。當管道中發生泄漏時，管道壓力將在泄漏位置突然下降，初始壓降是由于流體不能立即響應泄漏而引起的。由于流體的連續性，管道中的流體速度不會立即發生改變，因而壓力以較慢的速度下降，該壓降通常被稱為負壓波。負壓波以泄漏孔為中心的小半球開始，并且隨著與管壁相互作用而改變形狀，最終變成2個平面波： 以聲速向管道上游傳播；以聲速向管道下游傳播。負壓波傳播過程衰減較小，可以傳播相當遠的距離。

基于負壓波原理的泄漏檢測系統可以捕獲和分析負壓波，從而實現管道泄漏檢測與定位。實現泄漏檢測，關鍵是能從傳感器中提取非常小的壓力變化，并且過濾由于非泄漏原因引起的其他噪聲，從而實現管道泄漏定位，其基本原理如圖1所示。

圖1 負壓波泄漏檢測原理示意

假設距S1檢測點XV處發生泄漏，泄漏點所產生的負壓波到S1檢測點和S2檢測點的時間分別為t1和t2，管道長度為L，負壓波傳播速度為v，介質流速為vf：

(1)

(2)

Δt=t1-t2

(3)

式中：XV——泄漏點距檢測點S1的距離。

由式(4)可見，要實現泄漏精確定位，關鍵是準確捕捉負壓波并計算到達管道兩端檢測點的時間差。

3 應 用

根據項目要求，從采油井場到管匯區的管線以及從管匯區到油田中心處理站的輸油管線都要安裝泄漏檢測系統。管道泄漏檢測系統最低要求見表1所列。

表1 管道泄漏檢測系統最低要求

根據檢測及定位要求，項目確定了管道泄漏檢測系統結構，如圖2所示。

圖2 泄漏檢測系統結構示意

系統主要由壓力傳感器、數據采集單元、服務器以及通信設備組成。在管道的入口和出口，分別安裝2臺高靈敏度的壓力傳感器，用于檢測負壓波。為了減少檢測盲區，增加泄漏檢測定位的精度，在管道出入口可以考慮安裝流量儀表。同時在管道入口和出口分別安裝1套數據采集單元，可以快速采集壓力/流量數據，減少信號噪音，具有短期數據存儲功能。

數據采集單元配備GPS接收裝置，能夠實現高精度的時鐘同步，保證負壓波采集時間基準的統一，提高泄漏檢測與定位的準確度。數據采集單元將數據處理后通過以太網傳輸到泄漏檢測系統服務器，服務器中安裝泄漏檢測系統軟件，軟件包含分析壓力/流量數據的多種算法，該類算法的應用，大幅降低了誤報警的幾率。服務器收到所有數據后，泄漏檢測系統軟件將會分析這些數據，并檢查負壓波波陣面及其在整個管道中的傳播情況。利用算法濾除噪聲后，將真正的泄漏與正常運行引起的瞬態壓力變化區分開來，同時產生1個時間、距離和壓力的強度的三維圖形。如果系統確認發生泄漏，將觸發泄漏報警并計算泄漏位置、泄漏大小等泄漏信息，并將其顯示在用戶界面上，或通過OPC協議將其傳輸到SCADA系統，所有這些功能都由硬件和軟件自動處理。

4 結 論

1) 基于負壓波的泄漏檢測系統，具有檢測迅速、定位準確、誤報警少、易于安裝等優點。人機界面友好、分析圖形豐富、報警與定位直觀，有利于減少操作人員工作量，滿足日常泄漏檢測的要求。

2) 在對管道閥門進行設置時，偶有誤報警發生，需要進一步研究改進泄漏檢測系統，準確捕捉和正確分析負壓波情況，針對不同管線配置不同的參數。

3) 不同檢測原理的泄漏檢測系統組合使用，使泄漏檢測效果更加快速、準確、可靠，是未來關注的一個方向。

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