智能化輸油管道泄漏監測技術研究

謝成 李舒丹

摘? 要：隨著我國經濟發展，對資源的需求量也日益增多，輸油管道是資源高效、安全運輸的主要途徑，因此我國逐漸意識到輸油管道的重要性。智能化管線泄漏監測系統包括多維系統的整合及新應用的擴展，可實現遠程控制，實時數據采集和泄漏監測，泄漏點定位，并且可在某些意外情況發生時進行自動決策和操作，該系統目前在現場應用效果良好。本文研究了輸油管道泄漏監測的綜合分析方法，詳細討論了系統的數據采集、自動控制、狀態判斷、異常點定位以及基于GIS的輸油管道管理等內容。

關鍵詞：輸油管道;泄漏;監測;遠程控制

中圖分類號：TE973.6? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

智能化輸油管道泄漏監測系統實時監控管網是否安全運行，讀取油品物性等參數，實時顯示管網運行狀態。數據采集系統采集到的每個分輸站點的瞬時流量、壓力、密度等運行參數，首先對數據進行有效性分析、其次使用濾波以及A/D轉換等方法對信號進行前期處理，最后將數據發送至數據監測處理系統，經過分析判斷動態實時地對輸油管道進行泄漏監測報警及定位。

1智能化管道泄漏監測系統構成

1.1 基礎數據采集系統

在智能化輸油管道泄漏監測系統中，實時數據采集是其必要以及重要的功能之一。數據采集系統通常會安裝在管道節點處，通過壓力、流量和溫度等傳感器采集信號，對管道及管道內油品進行狀態數據采集。采集系統[1]對收集到的基礎數據進行有效性分析，信號處理更操作，然后集成數據并傳輸，保證數據采集的實時性和有效性，使之滿足實際要求，提高應用效果。

1.2 數據通信系統

數據通信系統首先需組建光纖局域網，由于各監控分輸站通過現場檢測儀表不間斷地采集管道壓力、流量等基礎數據，通過組建的光纖局域網將數據包實時發送到位于控制中心的服務器上，中心服務器運行管道泄漏監測系統，在接收數據包后進行解密分析，判斷是否為所需要的數據，數據無誤則實時顯示。用以監測實時流量、壓力等參數的變化，判斷管道當前時刻運行狀態是否正常。

1.3 數據監測處理系統

輸油管道監控系統的數據處理系統對前期采集到的基礎數據信號進行分析、比對和判斷，其主要工作為實時調用異常判斷算法模塊，自動判斷是否有異常情況發生，如有泄漏或其他異常情況，可自動（或手動）對泄漏點定位[2]，便于實時監控。一旦輸油管道出現異常，可在較短時間內做出判斷并定位異常點，便于工作人員及時察覺，部署工作，實現對整個輸油管道的監控。

2管道泄漏模型

對成品油管網系統進行分析，以上下游壓力為約束條件，科學地建立進行泄漏量計算的通用物理模型;依據管道初始運行狀態、當前油品物性、管道屬性和管道鋪設區域地形，確定離散物理模型的方法。采集管網中每一輸油節點的管道參數，建立管道穩定運行的水熱力耦合模型，通過計算確定每一節點管道穩定運行的參數范圍。對穩態水熱力耦合模型進行求解，確定用于非穩態計算的初始條件。建立科學合理的管道非穩態運行水熱力耦合模型，模型中考慮批次界面邊界、變徑點邊界、閥門邊界、泄漏邊界、液柱分離邊界及上下游壓力邊界。依據現場數據及泄漏相關參數對模型進行求解。對穩定泄漏狀態下管內的流動狀態進行深入分析，考慮因泄漏引起的管內微小流動，對不同泄漏狀態下的泄漏分別建立數學模型，同時考慮成品油管網系統復雜地形條件，確定較為通用的計算方法，本系統管道泄漏模型如圖1所示。

3系統功能設計與開發

本系統可以實現實時監控、自動控制、在線泄漏量測算、離線泄漏量測算、泄漏報警系統聯動、泄漏點定位跟蹤等功能。當泄漏報警系統發現管道泄漏后，將信息及時發送到智能化管線系統，并啟動泄漏量測算模型，同時泄漏點位置和泄漏相關信息，例如拐點時間，泄漏量等均在GIS地圖中進行標注和顯示。同時系統具備停輸狀態下管道漏點最大漏油量計算功能和管道泄漏量測算功能，并將泄漏報警系統與泄漏量測算系統集成。可實現當發生泄漏后，支持在線和離線模擬上下游截斷閥室關閉，并計算油品從泄漏點自流的最大泄漏量，系統功能框圖如圖2所示。

3.1 管道泄漏監測與定位

本系統采用負壓波法、流量平衡法等多種判斷方法進行綜合分析。流量平衡法是根據管道內油品流量守恒原理，綜合考慮了管道管壁、油品密度、波速等參數，根據泄漏檢測靈敏度、允許誤差限等性能指標，分析管道節點處所采集的壓力、流量和溫度數據，確定管段內是否有介質泄漏。該檢測辦法設備簡單，安裝方便，靈敏度高，造價較低，缺點是不能定位泄漏點。

采用負壓波檢測的方法，其原理是當管道中發生泄漏時所產生的壓力波動總是向管道兩端傳遞，當傳播到管道端點時，會在管道兩端點產生壓力下降，其壓力波動被數據采集器收集。泄漏發生位置的不同，該壓力波動傳遞到管道兩端的時間也不同。根據所檢測到的壓力波傳播到兩個端點的時刻，計算其時間差，在一致壓力波傳播速度的情況下，即可計算出管道泄漏的位置。泄漏定位公式如下：

其中，X0為管道泄漏點距首站的距離，α為壓力波傳遞速度，L為發生泄漏的管道長度，v為介質的流速，為上下游壓力傳感器接收到壓力波的時間差。在管道的起始端和末端分別裝配上高精度壓力變送器、溫度變送器和流量計等儀表，對現場信號進行采集。溫度、壓力信號通過傳感器以4- 20mA的標準信號傳送到監控終端，流量脈沖信號通過磁電式脈沖信號發生器傳送到信號處理器。GPS為監控系統提供經過精確校正的標準時間，以確保管道兩端時間、數據采集的同步性。

負壓波檢測法[3]響應速度快、定位精度高，但易受到管道工況調整的影響，采用瞬態負壓波法和流量平衡法相結合的方法進行泄漏檢測和分析，做到數據融合。可有效檢測異常情況是否發生，并降低誤報率，提高系統報警的靈敏度和準確性。

3.2系統應用安全設計

為了統一各應用系統的數字身份管理邏輯和安全處理機制，提供標準化安全協議支持，建立應用安全支撐平臺，為應用系統提供統一認證、單點登錄、簽名/驗簽、時間戳等基礎服務，需要該平臺封裝身份認證策略、簽名/驗簽策略、目錄服務，通過安全策略配置適應安全需求的變化，為各種應用系統提供標準化、高強度的應用安全管理服務、應用安全支撐服務等基礎安全服務。

3.3 管道泄漏測算系統設計

基于泄漏點上下游壓力、溫度或流量、壓力管道泄漏模型、泄漏前后研究管段水熱力耦合模擬，對泄漏尺寸進行初步測算。系統在線泄漏量測算是根據從ASPEN數據庫中獲取的管段運行參數和泄漏點信息與模擬時間窗，可自動計算測算時長內的泄漏累積量;離線泄漏測算功能是用戶將計算所需參數輸入到EXCEL表格中，系統根據離線參數自動計算，在地圖中顯示泄漏位置，并以趨勢圖的形式顯示泄漏點的計算結果。泄漏量測算程序和孔徑預測程序拆分為兩個獨立模塊。在泄漏孔徑預測計算結束之后將孔徑預測結果予以顯示，可根據歷史數據對泄漏孔徑的預測結果進行修正，由操作人員決定采用泄漏孔徑預測值或是手動輸入泄漏孔徑，繼而進行下一步的泄漏量估算，管道泄漏測算系統如圖3所示。

4管網調度優化

以成品油管網為基礎，智能化輸油管道泄漏監測可連接OPC服務器，在異常情況發生時，讀取設備操作信息，排除工況調整的影響。系統綜合現場管網調度計劃，優化一系列適用于管網的判斷算法和運行機制。管理者通過手動輸入管網初始運行狀態、輸油計劃及各分輸站需求信息，系統就可以自動計算，生成合適的批次調度計劃[4]，優化了生產運行。軟件通過C#計算機語言編制，界面友好，操作簡單，易于使用。

5結論

（1）智能化輸油管道泄漏監控系統實行集中管理、分散控制。數據監測處理中心，可實現管線數據管理由分散、單一向集中、數字化轉變。同時建立和集成管網信息系統，實現了管網生產運行管理由各自獨立向共享協同轉變。建成統一集成、可視化的智能化管線管理系統，實現管網信息系統由分散向集成轉變，實現輸油管網“安全、綠色、低碳、科學”運營。

（2）智能化輸油管道泄漏監控系統可實現整個生產過程的合理調度、自動控制、泄漏監測、實時報警等功能，將輸油管網、油庫分輸站有效的集成為一個系統。通過實時管道泄漏監測與分析技術，可快速發現泄漏等異常情況并定位異常點，便于工作人員技術采取措施，迅速部署減少漏油損失，具有明顯的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 張永健，方來華，關磊.輸油管道監控系統設計與開發[J].中國安全生產科學技術，2009（06）：15.

[2] 鄒潤，張勇，賈宗賢，等.輸油管道泄漏實時檢測定位系統的研制與應用[J].油氣田地面工程，2003（07）：30.

[3] 趙名師，李艷，陸新星，等.輸油管道如何應用泄漏定位監控系統[J].科技與企業，2013（09）：17.

[4] 雷超.輸油管道泄漏檢測系統的設計與優化[J].天然氣與石油，2010（10）：25.

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：謝成（1980—），男，遼寧撫順人，本科，高級工程師，研究方向：完整性管理。