管道泄漏報警定位技術應用綜述

賈盼龍，王 蕊，谷國劍，賈春龍

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2.長慶油田公司 第一采油廠，陜西 延安 716000；3.陜西省天然氣股份有限公司，西安 710000）

0 引言

管道作為五大運輸工具之一，被廣泛應用于油氣田原油生產過程中。近年來，輸油管道泄漏事故高頻次發生，嚴重影響正常生產運行，造成巨大經濟損失及資源浪費，僅長慶油田每年經濟損失高達數千萬元，同時原油泄漏容易引發火災、爆炸等安全事故和重大環境污染事故。因此，從經濟因素和環保因素來看，對管道泄漏的及時發現和定位研究成為目前各大油田亟待解決的問題。管道泄漏自動監測技術，能夠及時準確發現泄漏，迅速發現泄漏點，便于及時采取措施，最大程度降低泄漏損失，具有明顯的經濟效益和社會效益。

本文介紹了現有國內外管道泄漏監測方法，重點介紹了安塞油田“負壓力波法”與“輸量平衡法”相結合的管道泄漏報警及定位監測系統，并結合目前應用現狀對管道泄漏監測技術未來發展方向進行預測。

1 管道泄漏監測技術現狀

目前，管道泄漏監測技術主要有3類：生物方法、硬件方法、軟件方法。

1.1 生物方法

生物方法為最傳統的監測技術，靠人工或經過特殊訓練的動物沿著管線行走查看管道附件異常情況或通過聞氣味、聽聲音等手段獲得泄漏信息。這種方法直接準確，但效率低下、實時性差，且耗費人力，勞動強度大。

1.2 硬件方法

硬件方法主要通過硬件檢測設備或電纜、光纖等信號傳輸手段獲取管線泄漏信息，最常用的主要有電纜檢測法、示蹤劑檢漏法、分布式光纖檢測法、溫度檢測法等。

1.2.1 電纜檢測法

電纜檢測法是在管道沿線敷設一種特殊電纜，這種電纜具備與管道輸送介質發生化學或物理反應能力。當發生泄漏時，管道內部流體介質與電纜發生物理或者化學反應，導致電纜的傳導特性發生變化，從而實現泄漏監測。

該方法通過監測電纜的傳導性改變進行泄漏判斷，投入成本高，且電纜不能重復使用，因此應用較少。

1.2.2 示蹤劑檢漏法

示蹤劑檢漏法通過放射性示蹤劑（如碘等放射性物質）加到管線內，當管線發生泄漏時，放射性示蹤劑流入泥土中。管道內部放油示蹤劑檢測儀，在輸送流體推動下前進，經過泄漏點附近時，會很快檢測到泄漏到管外示蹤劑的放射性并進行記錄，從而確定管道泄漏位置。

示蹤劑檢漏法針對微量泄漏的靈敏度高，但由于放射性示蹤劑對人身安全和生態環境的影響，此方法有待改進提升。

1.2.3 分布式光纖檢測法

分布式光纖檢測法利用光纖監測管道沿線的振動信號，當管道周圍發生異常狀況造成振動時，光纜發生應變特性，從而導致光纜中相位及偏振狀態發生改變，系統檢測到該變化，進行進一步辨識和報警。

分布式光纖檢測法可以檢測到管道發生泄漏的基本情況，也可對管道沿線發生的危害事件進行預警提示，但這種方法靈敏度過高，難以排除干擾，因此應用較少。

1.2.4 溫度檢測法

該方法通過測量緊鄰管道環境溫度變化來進行管道泄漏監測和定位，已成功應用至熱水管道的檢測中，應用效果可嘉。

溫度檢測法的局限性表現在傳感器需直接安裝在管道，對管道傷害較大，且設備容易損壞，費用高。

1.3 軟件方法

軟件方法采用由軟件系統提供的壓力、流量、溫度等關鍵參數，通過參數變化、質量守恒或體積平衡、流體動力學模型和壓力分析等軟件分析方法，檢測分析泄漏情況。主要方法有：壓力梯度下降法、負壓力波法、輸量平衡法、實時模型法等[1]。

1.3.1 壓力梯度下降法

正常輸送情況下，管線沿程壓力分布為一條斜直線，如果發生管道泄漏，泄漏點附近前后的流量則分別增大和減小，相應管道沿程壓力在泄漏點附近的斜率會發生改變，形成一個拐點。

此方法需要在管路上設置多個壓力檢測點，現場難以實現；另外，地形等復雜情況使得沿程壓降具有非線性特性，影響使用效果。

1.3.2 負壓力波法

此方法原理是在管道的內外產生一定的壓力差，管道內部的輸送流體會快速流出，在泄漏點位置造成壓力突降。泄漏點附近的氣體在壓力差的作用下流向泄漏點，產生一個在泄漏點附近的壓力波動，即負壓波[2]。負壓波以一定速度傳播至泄漏點的兩端，利用提前安裝在管道上下游兩端的壓力傳感器就能及時檢測到壓力波信號，通過計算機軟件精準計算兩端傳感器接收到負壓波的時間差，就能快速定位泄漏點。

1.3.3 輸量平恒法

此方法的原理是在一條不泄漏的管道內，當管道正常輸送時，上游端出站流量理論上和下游端進站流量是基本相等的，如果檢測到出站流量跟進站流量有較大的流量差，則認為管道發生了泄漏。

該方法在管道的壓力以及流速變化不大的情況下，也可以檢測出泄漏的存在。但是實際管道輸送過程中，由于管道本身的彈性和流體性質變化等多種因素影響，首末兩端的流量變化會有不同時性。所以，這種方法準確性不高，且不能確定泄漏點的位置。

1.3.4 實時模型法[3]

實時模型法要建立管道的實時數學模型，其邊界條件由現場監控和數據采集系統提供。模型建立過程需要質量守恒、動量守恒、能量守恒和流體狀態方程等，也需考慮流體速度、溫度、壓力、比重和粘度等變化，通過模型預測管道狀態。當測量值與模型計算值存在差異，超過閾值時，說明存在泄漏。

此方法建模計算工作量大，精度取決于模型準確性和硬件采集系統精度，實際運行中誤報率高。

2 安塞油田管道泄漏檢測定位技術簡介

圖1 SCADA系統站間管網監控曲線Fig.1 Monitoring curve of SCADA system inter station pipe network

圖2 負壓力波原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of negative pressure wave

圖3 KLDHY系統構成示意圖Fig.3 Schematic diagram of KLDHY system

安塞油田近年來不斷探索管道泄漏檢測的先進方法，目前主要通過SCADA系統中的輸差壓差監控，完成對管道泄漏的報警檢測。為了進一步提升泄漏報警準確性，并完成及時準確的泄漏點定位，近年來不斷推進以“負壓力波法”與“輸量平衡法”相結合的KLDHY-Ⅱ管道泄漏報警及定位監測系統。

2.1 SCADA監控系統

SCADA系統主要完成上下游站點流量、壓力實時數據采集，通過軟件內部計算獲取壓力差和流量差。通過報警上下限設置，當流量差或壓力差大于設定值時發生報警，提示管網發生泄漏。工作人員第一時間現場核實，發現數據確實存在異常時，第一時間采用“一鍵停泵”手段完成原油輸送，并安排巡線尋找泄漏點。

2.2 KLDHY-Ⅱ管道泄漏報警及定位監測系統

SCADA系統的流量差、壓力差可以判斷管線是否發生泄漏，但單一的報警條件設置導致系統誤報率高，且系統無準確定位泄漏點的功能。因此，便產生了“負壓力波法”與“輸量平衡法”相融合的多元互補型管道泄漏監測系統——KLDHY-Ⅱ管道泄漏報警及定位監測系統。該系統報警采用混合條件設置，通過“三降一升”（上下游站點壓力下降、下游站點流量下降、上游站點流量上升）判斷準則，可大大降低誤報率，同時提升數據采集頻率，通過“負壓力波法”準確定位泄漏點。

2.2.1 系統原理

該方法的理論依據是：當上下游兩站間輸送管段內某點發生泄漏時，泄漏點壓力突然降低，所形成的負壓力波將沿管線向上下游傳播，瞬時傳播速度與介質的粘度、密度、管線管徑、彈性模量等有密切關系，隨泄漏位置的不同，上下游站點的響應時間也有所不同，通過時間差準確定位泄漏點，為了防止誤判，同時設置“三降一升”（上下游站點壓力下降、下游站點流量下降、上游站點流量上升）判斷準則，提升系統檢測準確性和實時性。

2.2.2 系統構成

本系統主要由數據采集分析處理系統、數據發送系統、計算機報警監測系統組成。在典型的點對點管線（即站對站的管線，基本由主監控計算機、數據采集裝置、前端儀表構成）上，安裝KLDHY-Ⅱ系列管道泄漏報警定位系統，其基本構成如圖3所示。

2.2.3 技術指標

1）監測精度大于瞬時流量（流速）的1%。

2）單段最大監測管道距離≦60km。

3）定位精度小于管線長度的0.5%±100m。

4）報警響應時間＜60s。

5）壓力報警閾值：0.002Mpa～0.02Mpa（根據工況條件設定）。

6）漏報率為≦1%。

2.2.4 系統應用

圖4 壓力運行曲線Fig.4 Pressure operation curve

該系統與SCADA系統相比，能夠更加靈活地設置報警條件，通過上游站點流量上升和下游站點流量、壓力，上游站點壓力下降的“三降一升”判斷準則，使得系統判斷準確性提升，有效地降低誤報率。

SCADA系統采樣周期為2s，KLDHY-Ⅱ系統采樣周期為0.2s，系統可通過定位上下游站點壓力、流量拐點，通過壓力波的傳輸速度及時間差精確計算獲得泄漏點位置，特別對于長輸管線能夠迅速縮小泄漏范圍，及時發現泄漏點，距離實際泄漏點100m以內。

3 管道泄漏監測技術發展趨勢

隨著管道工業的快速發展，研制開發精確實時的管道泄漏檢測系統，可提升泄漏檢測及定位的精確度和可靠性，大幅減小管道泄漏造成的環境污染和經濟損失。管道泄漏檢測技術有如下發展趨勢[5]：

1）以軟件分析為主、硬件檢測為輔的軟硬件結合方法。近年來，計算機技術、控制理論、信號處理、模式識別、人工智能等多種學科的發展，促進了以軟件分析為主的管道泄漏檢測分析方法。該方法依賴于硬件傳感器布設，能實時監測，及時報警，依然是研究的熱點和趨勢，且作為非線性時變參數的管道輸送系統，自適應、自學習等人工智能方法在檢測和定位算法中也將發揮重要作用。基于硬件的方法定位精度且誤報率低，因此硬件方法和軟件方法相結合，將是未來研究熱點。

2）泄漏檢測系統與SCADA系統的結合

圖5 KLDHY系統定位結果Fig.5 Positioning results of KLDHY system

SCADA系統能對管道運行狀況進行監控，為泄漏檢測提供數據源，是管道自動化發展方向。單一的管道泄漏檢測系統投入較高，因此將它集成到SCADA系統中，充分融合運用SCADA系統的各項功能，與SCADA系統結合提升管道泄漏檢測準確性的同時，降低成本。

3）負壓力波法是現有主流的管道定位方法，但壓力傳輸過程中含有大量噪聲。高幅值噪聲和干擾信號甚至會將泄漏產生的有用信號淹沒，因此信號去噪也是管道泄漏檢測和定位方法研究中要突破的重要內容。

4）光纖傳感器是近年來研究的熱點，在測量物理量的同時，可以進行信號傳輸，能夠有效解決信號衰減，提升抗干擾能力。此外，隨著5G技術的飛速發展，未來分布式光纖傳感器在管道泄漏檢測定位技術中將有良好應用前景。