超臨界乙烯輸送管線泄漏故障檢測的研究和應用

黃穎

(宇墨企業管理咨詢(上海)有限公司，上海 200433)

乙烯超臨界輸送與氣相輸送相比具有容量大、傳輸速度快、效率高、能耗低等優點，該類輸送工藝在國外已被廣泛應用，而在國內，人們對超臨界乙烯輸送的安全性尚存疑慮。乙烯超臨界狀態是指在高于某一溫度時，無論處于多高壓力下，乙烯均不能被液化的狀態，在該狀態下，乙烯保持了幾乎和液體一樣密相狀態，乙烯的臨界溫度為9.2 ℃，臨界壓力即氣相乙烯臨界溫度時發生液化所需的最小壓力為5.04 MPa。某石化公司乙烯輸送管線總長為33.835 km，采用超臨界輸送后，流量提高至37.5 t/h(原氣相輸送流量為15 t/h)，大幅提高了輸送效率。為了確保輸送安全，管線泄漏檢測采用序貫概率比檢驗SPRT(sequential probability ratio test)技術。

1 超臨界乙烯輸送危險與可操作分析

超臨界乙烯輸送危險與可操作分析(HAZOP)結果見表1所列。

表1 超臨界乙烯輸送HAZOP分析

續表1

結合表1可知，超臨界乙烯輸送的風險分析如下：

1)焦耳-湯姆遜效應的危險。低壓源(即接受一側)對超臨界乙烯輸送進行節流操作，產生的焦耳-湯姆遜效應會引起超壓，從而侵蝕管道和系統，嚴重時會發生脆性斷裂。

2)超臨界乙烯的分解危險。超臨界乙烯輸送若發生泄漏，最危險并最有可能發生的是乙烯的分解。假如來自上游裝置的超臨界乙烯流量突然增大，導致泵與管道連接處螺栓斷裂或長期使用的管道破裂，乙烯泄漏，密相壓降伴隨著較大的溫降，當溫度低于-160 ℃時，乙烯與管壁上的鎳、鉻、鐵等金屬反應聚合形成催化作用，分解出甲烷和碳，并呈現稠密的氣體狀態，從而發生爆炸火災。

所以，只有實時檢測輸送管線是否發生小泄漏，并及時采取應急措施，才能防止管線大泄漏造成的危害。

2 SPRT泄漏檢測技術工作原理

2.1 特點

SPRT泄漏檢測技術是一種基于序貫分析和概率比檢驗的統計推斷方法，作為一種參數估計判斷分析技術，能在保證序貫檢驗強度的情況下判斷參數較小的動態變化，而且觀測樣本的數目是根據檢測過程中樣本的具體情況而定，需要的樣本比固定抽樣少。該技術在確保檢測敏感性和精確性的同時，可以降低誤報警率。

乙烯超臨界輸送過程中,若不存在泄漏，根據質量守恒定律，如式(1)所示，進口流量與出口流量之差等于管道中乙烯總量的變化。

qm(ti)=qmI(ti)-qmo(ti)-Δqmp(ti)

(1)

式中：qm(ti)——ti時刻，修正壓力變化后的流量差；qmI(ti)——ti時刻，管道進口處的流量測量值；qmo(ti)——ti時刻，管道出口處的流量測量值；Δqmp(ti)-ti-1時刻至ti時刻的采樣周期中，管道總量變化的修正值，由管道進出口處的壓力測量值計算得出。

2.2 技術路線

泄漏檢測技術路線的選擇，應在保證下列兩種檢驗錯誤足夠小的前提下，判斷是否有泄漏。

1)第一種錯誤。拒真(誤報)，即在非泄漏狀態下，認為有泄漏。

2)第二種錯誤。受偽(漏報)，即在泄漏狀態下，認為沒有泄漏。

在管線泄漏檢測過程中，總是希望發生這兩種錯誤的概率足夠小，但是只有樣本容量足夠大，才能使誤報和漏報的概率足夠小，所以，在樣本容量有限的情況下，基于不漏報比不誤報重要這一前提，提出了在確保漏報概率(β)的同時，降低誤報警率(α)，并且漏報概率小于誤報概率，這2個概率稱為序貫檢驗強度。超臨界乙烯輸送管線選用SPRT泄漏檢測技術，在保證序貫檢驗強度的情況下，能判斷修正壓力變化后的進出口流量差qm(ti)是否發生動態變化，從而對泄漏進行報警。

2.3 泄漏檢測工作原理

1)提出假設。

2)構造序貫概率似然比作為統計量來判斷假設是否成立。

泄漏檢測軟件運行過程中，首先對t=1, 2, 3,……ti時刻,逐次采樣計算qm(ti)，各次計算得到的樣本qm(1),qm(2),qm(3), …,qm(ti),依次代入式(2)計算概率似然比：λ1,λ2,λ3, …，λti：

(2)

式中：

(3)

序貫概率比檢驗閾值A,B為瓦爾德門限β/(1-α)和(1-β)/α的指數對數，且A

2.4 和其他泄漏檢測技術相比的技術優勢

綜上所述： SPRT泄漏檢測技術的優勢是不預先規定觀察樣本的數量，而是采用序貫抽樣方法，在檢測過程中不斷增加觀察數據，直到從抽樣個數中得出是否存在泄漏的結論；其次先對非泄漏狀態(H0)和泄漏狀態(H1)提出假設，然后根據先驗知識和測量樣本構造統計量(序貫概率似然比)作為判決函數，來判斷假設是否成立。與其他泄漏檢測技術相比，由于觀測樣本的數目是根據檢測過程中觀測樣本的具體情況而定，具有需要的樣本數比固定抽樣樣本數少的優點。

3 工程應用

為了確保SPRT泄漏檢測技術在工程中的應用，歸納出超臨界乙烯輸送管線泄漏檢測技術工程應用要點如下：

2)輸送工況的影響。在輸送過程中，工況變化引起的壓力變化會對管線進出口流量不平衡產生影響，易產生誤報警；引入模式識別，需考慮如何選擇流量不平衡統計分布的方差值，以降低誤報率。

3)儀表測量精度的影響和數據采集保持同步。泄漏檢測是在一段時間內的壓力和流量采樣數據中尋找壓力變化和流量平衡的規律。儀表重復精度和數據的時間標簽是壓力和流量比對的保證，否則將影響檢測的精確性。

3.1 泄漏檢測警示門檻值的設定

表2 λti值對應可檢測的泄漏量 t/h

在無泄漏狀態下，λti值始終為負值。當開始發生泄漏時，隨著時間的推移，假設多個λti值會以不同的速率上升，超過警示門檻值。若輸送量的1.6%最接近實際泄漏量，則λ2以最快的速率越過門檻值，這時系統會發出警示，啟動工況模式識別，排除工況變化形成過渡流的情況后，產生第一次報警。若實際泄漏量大于輸送量的25%，所有λti都將上升超過警示門檻值，只是反應時間會有快慢。

3.2 各種工況的識別

當超臨界乙烯穩態輸送時，流量和壓力的平均值保持不變或變化很小，當穩定狀態受到破壞，從一個穩定狀態向另一個穩定狀態過渡時，壓力會發生很大波動，形成過渡流或者瞬變流狀態。超臨界乙烯輸送過程中發生過渡流的情況大致有： 開泵、通過機組轉速變化調節輸送量、兩相流、泵發生氣蝕、正常停泵、停電造成的突然停泵，這6種工況變化可以歸結為小瞬態、大瞬態。在監視乙烯超臨界輸送過程中流量和壓力的變化波動時，逐步積累了穩態、小瞬態、大瞬態三種工況模式數據。一旦泄漏警示產生后，啟動三種工況模式識別，根據穩態、小瞬態和大瞬態，選擇不同的σ2值代入公式(3)計算λ(ti)，重新進行是否“接受H0”的判斷，降低了誤報警率，不同工況下σ2值調整見表3所列：

表3 不同工況下σ2值調整

3.3 儀表性能指標和數據采集時間同步

現場的流量計、壓力儀表和溫度儀表的性能質量對泄漏檢測非常重要，包括精確度、重復精度、分辨率等。安裝在超臨界乙烯輸送管線的儀表性能見表4所列：

表4 超臨界乙烯輸送管線儀表性能指標

超臨界乙烯輸送過程中，正常工作的儀表對各種非平穩流動具有高敏感性，使qm(ti)在非零值上下波動，因其統計平均值保持不變，觀察非泄漏狀態下連續監測的流量、壓力和溫度的測量值，可實時修正qm(ti)平均值，該平均值若發生突變，改變了正態分布的位置，只要排除了儀表故障，就可以認為檢測到了泄漏。

輸送管線兩端儀表檢測的數據(附時間標簽)通過RTU以100 ms的精度同步上傳到SCADA。GPS衛星校時系統確保了兩端RTU數據采集時間間隔相同[3]，泄漏檢測軟件每秒從SCADA獲得一次現場數據，以此計算在同一時刻，進口流量與出口流量之差是否等于管道中超臨界乙烯總量變化的修正值。

3.4 注意事項

1)因為乙烯壓力在4.5～5.5 MPa內時，其密度和溫度變化較大，為了便于數據測量采集，系統壓力必須在5.5 MPa以上。

2)乙烯切換到超臨界狀態輸送后，將泄漏檢測軟件的警示門檻值調整為輸送量的1.6%，降低漏報警率；隨著管線使用年限的增加，管線阻力會升高，相應的警示門檻值應降低設定。

3)當超臨界乙烯輸送過程中發生小瞬態和大瞬態工況變化時，以穩態輸送流量σ2值為基數，在其2～5倍范圍內調節方差值，降低誤報警率。

4)啟動超臨界乙烯輸送前，檢查SCADA掃描速率是否為1 s/次，管線兩端RTU時間是否同步，檢查儀表重復精度，檢查SIS和UPS，檢查閥門反饋信號，確保SPRT泄漏檢測軟件正常運行。

4 結束語

在SPRT技術應用于超臨界乙烯輸送管線的泄漏故障檢測過程中，對多序貫概率比同時檢驗、輸送工況模式識別、儀表性能和數據采集同步狀態進行了研究，提出了SPRT泄漏檢測技術工程應用注意事項，實踐證明該技術應用于超臨界乙烯輸送過程中的泄漏檢測，在確保檢測敏感性和精確性的同時，降低了誤報警率，具有應用推廣價值。