基于負壓波泄漏檢測的系統配置方式研究

金梅

(中石化管道儲運有限公司華東管道設計研究院有限公司，江蘇徐州221008)

管線輸送時出現的漏油事故主要是管線泄漏引起的，為了保證油品輸送的安全，需要用科學的技術方法檢測并定位泄漏點[1]。近年來，負壓波法、次聲波法、流量平衡法在泄漏檢測系統中均得到應用，中國大部分的原油管線結合自身的特點通常采用負壓波法檢測和定位管線泄漏點。

1 負壓波泄漏檢測系統概述

1.1 負壓波法

當管線發生泄漏時，泄漏點處壓力會突然降低，瞬時的壓力降通過流體介質以聲速向泄漏點的上、下游傳播，以泄漏前的壓力作為參考，泄漏時由于壓力降低而產生的減壓波就稱為負壓波[2]。

長度為L的管線中，泄漏產生的負壓波以速度v向管線上、下游傳播，管線首、末端設置的傳感器檢測到負壓波到達兩點的時刻分別為T1和T2。根據該負壓波傳播到管線上、下游的時間差ΔT和負壓波的傳播速度v就可以確定泄漏點的位置[3]，負壓波泄漏檢測系統定位方法如圖1所示。

圖1 負壓波泄漏檢測系統定位示意

泄漏點距管線首端的位置：

L1=[L+v(T2-T1)]/2

(1)

負壓波在輸油管線中的傳播速度為1 000～1 200 m/s，在實際應用中，負壓波的傳播速度受到管線周圍環境等相關因素的影響[4]。由于管線傳輸距離長，散熱明顯，各輸油站場間管線油溫不一樣，因此需要采集管線的溫度用于校正負壓波的傳播速度。另外，管線內負壓波的傳播速度還受輸送介質的壓力、密度、比熱及管線材質的影響，通過模型校正負壓波的傳播速度，以保證定位的準確性。負壓波法檢測具有定位準確、檢測速度快、成本低廉等特點[5]?；谪搲翰ǖ墓芫€泄漏檢測與定位方法目前在輸油管線上應用較為廣泛[6]。

1.2 定位的關鍵技術

自動分段和小波變換是泄漏檢測系統定位的關鍵技術，采用自動分段技術可判斷壓力信號是否為故障段。由于輸油站場內泵和電機等設備的振動及磁場的干擾等因素，系統采集的負壓波信號中含有部分噪聲，噪聲會造成檢測誤報和定位的不準確性，因此須對采集的壓力信號降噪處理，捕捉壓力信號波形的奇異點，在大量的噪聲中提取出有用的信號[7]。怎樣從中提取泄漏所產生的負壓波信號特征、剔除沒用的信號是定位的關鍵。小波變換在時、頻域中均具有表征信號局部特征的能力，利用小波變換的極值可以檢測信號的邊沿，并且可以抑制噪聲[8]。小波變換的基本原理就是利用伸縮和平移來研究小波與信號之間的某種相關性，即利用尺度來分析信號，它可通過改變時間-頻率窗口的形狀來實現不同頻率信號所需要的分辨率[9]。

泄漏檢測系統利用小波變換處理負壓波信號，變換的快速算法對泄漏產生的負壓波信號進行了多分辨率分析，得到了其低頻概貌和高頻細節，準確地捕捉到泄漏負壓波信號序列的對應特征點，精確得到泄漏引發的負壓波傳播到上、下游傳感器的時間差，并利用模型校正負壓波傳播速度，從而較準確地定位管線的泄漏點。

2 基于SCADA的泄漏檢測系統

2.1 輸油管線A概況

輸油管線A把油品從首站輸送至末站，全線共設7座輸油站場、其中2座輸油站場中設有調度控制中心。調度控制中心通過數據采集與監控系統(SCADA)監控全線的工藝等參數，同時沿線各輸油站場采用PLC完成對本站數據的采集和控制。

2.2 系統配置

輸油管線A的泄漏檢測系統分別在2座調度控制中心設置了中心站，各輸油站場的壓力趨勢等畫面利用沿線各站場SCADA工作站顯示。每個中心站分別設置了1臺裝有泄漏檢測軟件的工作站；安裝于各輸油站場的信號調理器用于處理進、出站管線的壓力信號。該泄漏檢測系統中心站通過OPC接口與SCADA各輸油站場PLC進行通信，以獲取泄漏檢測系統所需要的壓力、溫度、流量等參數，并通過模型實時監測管線運行壓力的變化情況，從而判斷管線有無泄漏并確認其位置。基于SCADA的泄漏檢測系統配置如圖2所示。

圖2 基于SCADA的泄漏檢測系統配置示意

2.3 系統主要功能

1)當泄漏檢測系統判斷有泄漏發生時，中心站的計算機可以對泄漏點定位并發出聲光報警。

2)泄漏點的上游和下游輸油站場可以接收中心站發出的泄漏報警和定位信息，并在輸油站場的SCADA工作站上顯示。

2.4 應用案例

2018年3月21日，輸油管線A中心站操作人員發現漢沽-海河閥室管段壓力從20時28分開始持續下降，操作人員通過智能手動定位功能得知泄漏發生在距離漢沽出站的46.04 km處，同時現場巡檢人員反饋距漢沽站出站管線45.4 km處存在管線腐蝕穿孔，泄漏檢測系統定位與現場實際泄漏點位置僅有0.64 km的偏差。管段壓力監測趨勢曲線如圖3所示。

圖3 管段壓力監測趨勢曲線

3 設置獨立子站的泄漏檢測系統

3.1 輸油管線B概況

圖4 獨立子站的泄漏檢測系統配置示意

輸油管線B把進口原油從首站輸送至末站，全線共設9座輸油站場、其中2座輸油站場中設有調度控制中心。目前部分輸油站場采用壓力越站流程，兼具干線截斷閥的作用。

3.2 系統配置

輸油管線B的泄漏檢測系統由中心站和子站組成，該系統分別在2座調度控制中心設置了中心站，各子站監測點設立在首站、7個中間輸油站場、末站；各子站和中心站之間采用局域網實現通信。獨立子站的泄漏檢測系統配置如圖4所示。

3.2.1子 站

該泄漏檢測系統9個子站分別設置了1臺內置數據采集卡的工作站、1臺信號調理器及相應的子站泄漏檢測軟件。該泄漏檢測系統所需的壓力數據通過數據采集卡采集，而溫度、流量等參數通過OPC接口從SCADA獲取。在每個輸油站場進、出站管線上采集的壓力信號串聯接入到當地的信號調理器進行處理，信號調理器輸出的電壓信號接至數據采集設備，將其轉化為數字信號后傳送至相應子站的工作站進行分析判斷，并用以顯示、存儲及通信等。

3.2.2中心站

在每個中心站分別配置1臺工作站及相應的中心站泄漏檢測軟件，各子站和中心站之間通過以太網端口及相應的IP地址進行通信，中心站的計算機上可標識泄漏點位置并發出聲光報警以提示操作人員注意。

3.3 系統功能

子站的工作站通過數據采集設備實時、獨立地采集相應輸油站場進、出站管線的壓力數據，根據壓力數據現狀初步判斷發生泄漏的可能性；同時各子站的工作站將所采集的壓力數據通過局域網傳輸到中心站的計算機上進行處理和分析，中心站則通過OPC接口從SCADA讀取相應輸油站場的溫度、流量等參數；最終，該泄漏檢測系統中心站對獲取的壓力、溫度、流量等參數與模擬工況進行對比分析，判斷管線上是否有泄漏。

當管線中的油品泄漏時，該泄漏檢測系統會發出聲光報警信號，并在中心站的計算機上顯示泄漏點的定位，相應子站的計算機可以發出泄漏報警信號并定位泄漏點。

3.4 應用案例

2015年2月14日，輸油管線B中心站操作人員發現長清-寧陽管段壓力02時整分開始持續下降，根據站場實際情況和工作經驗初步判定壓力異?？赡苁切孤┧?。通過智能手動定位功能得知泄漏發生在距離長清站出站管線42.09 km處，同時現場巡檢人員反饋距離長清站出站管線41.8 km處存在打孔盜油閥，泄漏檢測系統定位與現場泄漏點位置基本一致，02時40分壓力開始回升說明已無泄漏。管段壓力監測趨勢曲線效果與圖3所示相近，在此不再贅述。

通過該系統的有效定位并結合現場巡線工的巡線情況，采取相應措施終止泄漏以恢復管線運輸的平穩運行。該系統可靠性好，誤報率低，對管線上可能存在的泄漏定位準確[10]。

4 泄漏檢測系統兩種配置方式的對比

4.1 共性特點

1)中心站的計算機畫面可實時監測泄漏情況，操作人員通過分析泄漏參數定位泄漏點位置，并可保存確認后的泄漏點位置。

2)報警反應快，管線運行數據可長期保存。

3)具有故障自診斷功能，誤報率低。

4)具有清晰的人機界面，簡單易學。

5)檢測中依托SCADA的部分參數，提高了判斷泄漏的準確性。

4.2 對比分析

1)輸油管線A采用的泄漏檢測系統完全依托SCADA獲取壓力、流量等參數，其采集速率及采樣時間間隔都受SCADA的限制；而輸油管線B采用的泄漏檢測系統通過高精度的數據采集卡獨立采集輸油站場的壓力數據，壓力信號的采樣頻率可達100 Hz以上，采樣速率更高、更平穩，降低了泄漏點定位的誤差，提高了泄漏定位的準確性。

2)泄漏檢測系統從SCADA讀取大量的數據會造成SCADA的CPU負荷增大，從而對SCADA的穩定性和可靠性都帶來了影響。

3)直接利用SCADA采集全部數據的方法只能在SCADA的工作站上被動地顯示相應輸油管線的泄漏報警信息，而設置獨立子站的泄漏檢測系統中每個工作站均具有泄漏定位和報警功能，且某個泄漏點在相鄰的2個工作站上都能報警和定位，更方便輸油站場工作人員及時發現泄漏。

4)設置獨立子站的泄漏檢測系統與SCADA完全獨立，在某種程度上提高了兩個系統的安全性。

5 結束語

實際運行中，輸油管線B的泄漏檢測系統可有效地發現泄漏點并能較準確地定位，而輸油管線A的泄漏檢測系統仍存在著定位誤差大及輸油站場工作人員不方便實時監測泄漏等問題。通過對比，設置獨立子站的泄漏檢測系統在實際運行過程中應用較好，其可靠性更高、準確性更強、誤報率更低，達到了預期的效果。