管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

王艷

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

管道運(yùn)輸是油田生產(chǎn)中液態(tài)原料和產(chǎn)品輸送的最主要形式。油田部分管道穿越村屯或城鎮(zhèn)等人口較密集的區(qū)域，易自然破損、遭受人為破壞及盜竊，如果造成油品泄漏，經(jīng)濟(jì)受損失的同時(shí)也會(huì)帶來一系列不良社會(huì)影響。

采用技術(shù)手段對(duì)管道的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線有效的監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷泄漏發(fā)生及泄漏點(diǎn)位置[1-4]，可為抓獲盜油分子贏得時(shí)間，減少泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響。

1 管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)

1.1 負(fù)壓波-輸量平衡法基本原理

管道穿孔或斷裂時(shí)，泄漏點(diǎn)壓力波動(dòng)將產(chǎn)生負(fù)壓波，沿管道向兩端傳播，通過記錄負(fù)壓波到達(dá)管道兩端的時(shí)差，核算管道長(zhǎng)度及波動(dòng)傳播速度，即可判斷管道發(fā)生泄漏點(diǎn)的具體位置。負(fù)壓波法基本原理如圖1所示。根據(jù)此原理，建立數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 負(fù)壓波法基本原理Fig.1 Basic principle of negative pressure wave method

圖2 負(fù)壓波法數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical model of negative pressure wave method

管道流體流速遠(yuǎn)低于負(fù)壓波速度，忽略流速化簡(jiǎn)后泄漏定位公式為

式中：X為泄漏點(diǎn)距管道一端距離，m；α為波速，m/s；L為管道長(zhǎng)度，m；τ0為波時(shí)差，s。

在已知負(fù)壓波傳播速度的情況下，測(cè)得管道兩端接收到負(fù)壓波的時(shí)間差即可得到管道泄漏點(diǎn)的位置。采用輸量平衡法實(shí)時(shí)比對(duì)管道兩端流體流量，從而輔助負(fù)壓波法判斷管道是否發(fā)生泄漏，可提高泄漏監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確程度。

根據(jù)負(fù)壓波檢測(cè)的基本原理，在管道兩端點(diǎn)設(shè)置測(cè)控系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)建立管道端點(diǎn)壓力波動(dòng)模型，即可獲得負(fù)壓波到達(dá)管道兩端點(diǎn)的時(shí)間差。通過通信網(wǎng)絡(luò)共享，保證兩端設(shè)備時(shí)間統(tǒng)一。同時(shí)，端點(diǎn)設(shè)置溫度傳感器，采集溫度的實(shí)時(shí)變化值，計(jì)算時(shí)對(duì)溫度引起的速度波動(dòng)及衰減值進(jìn)行補(bǔ)償修正。最后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合運(yùn)算工況參數(shù)，對(duì)各種因素引起的誤差進(jìn)行修正及補(bǔ)償，即可確定泄漏點(diǎn)位置。設(shè)計(jì)過程中，還需將正常工藝操作造成的誤報(bào)進(jìn)行過濾，以降低系統(tǒng)的誤報(bào)率。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 負(fù)壓波-輸量平衡法泄漏檢測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Leak detection system of negative pressure wavetransmission balance method

該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)控與數(shù)據(jù)處理單元、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)分析管理系統(tǒng)組成。管道兩端安裝溫度采集儀表、壓力采集儀表、流量計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)控制器。先由控制器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理，為泄漏報(bào)警系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；再通過通信系統(tǒng)進(jìn)行各個(gè)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)及時(shí)間的共享；最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)收集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

1.2 次聲波法基本原理

該方法基于次聲波成像監(jiān)測(cè)原理，通過管線成像顯示管道各處的噪聲分布，利用管道多個(gè)節(jié)點(diǎn)處的監(jiān)測(cè)傳感器拾取的噪聲信號(hào)，計(jì)算出管道內(nèi)液體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲圖像，同時(shí)可顯示管道上壓力泵等其他機(jī)器的噪聲。當(dāng)出現(xiàn)泄漏時(shí)就會(huì)在泄漏處顯示穩(wěn)定的聲像，其聲像亮度與泄漏量成正比，以發(fā)現(xiàn)微小滲漏，提高監(jiān)測(cè)能力。結(jié)合圖像分析可以過濾敲擊聲、交通噪聲等干擾。最后根據(jù)聲波信號(hào)到達(dá)管道兩端泄漏監(jiān)測(cè)儀的時(shí)間差，計(jì)算出發(fā)生泄漏的具體位置[5-8]。

定位原理是通過接收安裝在管道首末兩端的次聲波接收裝置的信號(hào)，在管道中間有泄漏發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)就能提取次聲波到達(dá)兩端接收裝置的時(shí)間差，從而精確計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置（圖4），計(jì)算公式為

圖4 次聲波法管道泄漏定位原理示意圖Fig.4 Pipe leakage location principle diagram of infrasonic wave method

式中：x為泄漏點(diǎn)距管道一端距離，m；v為流體音速，m/s；L為管道長(zhǎng)度，m；t0為聲波時(shí)差，s。

系統(tǒng)由次聲波傳感器、數(shù)字化儀、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。在管道首末端各安裝次聲波傳感器及數(shù)字化儀，在其中一個(gè)聯(lián)合站安裝次聲波管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)。次聲波管道報(bào)警系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 次聲波法管道泄漏報(bào)警系統(tǒng)配置示意圖Fig.5 Schematic diagram of pipeline leak alarm system configuration of infrasonic wave method

1.3 光纖干涉法基本原理

沿管道并排鋪設(shè)光纜，利用Mach-Zehnder 光纖干涉原理，使用2 條光纖作為分布式光纖傳感器，并傳播相干光。通過前端信號(hào)采集電路對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，即可確定泄漏點(diǎn)的位置。其傳感器器、處理分析電路原理如圖6所示。

圖6 光纖干涉?zhèn)鞲衅鳌⑻幚矸治鲭娐吩鞦ig.6 Principle of fiber optic interference sensor，processing and analysis circuit

分布式光纖傳感器內(nèi)2條光纖對(duì)向傳播兩組相干光，即傳感器兩端可產(chǎn)生干涉信號(hào)。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，傳感器兩端將產(chǎn)生相位調(diào)制信號(hào)。通過檢測(cè)調(diào)制信號(hào)發(fā)生的時(shí)差，即可計(jì)算出泄漏發(fā)生的位置。公式為

式中：X為泄漏點(diǎn)至首端的距離，m；L為檢測(cè)的管道長(zhǎng)度，m；t1為傳感器首端檢測(cè)到信號(hào)的時(shí)間，s；t2為傳感器末端檢測(cè)到信號(hào)的時(shí)間，s；v為光波在光纖中的傳播速度，m/s。

根據(jù)以上原理，沿輸油管道同溝鋪設(shè)光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎诠芫W(wǎng)系統(tǒng)的核心站廠建立干涉光纖測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泄漏報(bào)警并顯示泄漏點(diǎn)位置。各系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)，并上傳管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。建立測(cè)控系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 光纖干涉法測(cè)控系統(tǒng)原理圖Fig.7 Measurement and control system principle diagram of fiber optic interference method

該系統(tǒng)主要由信號(hào)采集轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及光纜傳感器三大部分組成。干涉光纜信號(hào)由處理電路發(fā)射并采集，最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)收集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

2 應(yīng)用分析

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用過多種管道泄漏檢測(cè)、定位方法。曾應(yīng)用化學(xué)法、漏磁法、輸量平衡法、負(fù)壓波法、次聲波法、質(zhì)量平衡法建立管道運(yùn)行應(yīng)用模型，并建立了較完善的理論，但在實(shí)際應(yīng)用中均存在不足。

2.1 負(fù)壓波-輸量平衡法

國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離管道泄漏定位技術(shù)主要使用負(fù)壓波-輸量平衡法。可檢測(cè)管輸流量8%以上的泄漏，實(shí)際定位誤差約為管道長(zhǎng)度×0.5%＋100 m。管道泄漏定位技術(shù)及設(shè)備隨著油氣生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)的推廣，油田在逐步推進(jìn)。但少數(shù)油田現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，單獨(dú)使用負(fù)壓波-輸量平衡法進(jìn)行檢測(cè)，效果并不理想。

存在的主要問題：①誤報(bào)頻繁，正常使用時(shí)，在換切流程、啟停泵等情況下，管道內(nèi)瞬態(tài)流量發(fā)生變化，都會(huì)觸發(fā)該系統(tǒng)報(bào)警；②管道兩端操作無法及時(shí)通信，造成工作人員誤判斷；③漏報(bào)率高，一年內(nèi)出現(xiàn)泄漏6次管道泄漏，僅一次報(bào)警，漏報(bào)率83.33%。

但該方式也具有一定的優(yōu)勢(shì)：該方法所有裝置都安裝于站內(nèi)，避免了野外施工和人為破壞；基本不涉及對(duì)流程等改造，便于實(shí)施，設(shè)備少造價(jià)低，管理維護(hù)方便；因?yàn)閲?guó)內(nèi)長(zhǎng)距離輸油管道采用該方法較多，應(yīng)用效果良好。

從該技術(shù)的使用情況看效果并不理想，存在風(fēng)險(xiǎn)。但通過對(duì)使用該方式并取得良好效果的案例分析，如采用高精度、高分辨率傳感器提高采集精度及頻率，再通過數(shù)字信號(hào)傳輸降低誤差；同時(shí)使用優(yōu)秀軟件建立模型進(jìn)行分析，可顯著提高檢測(cè)精確度，降低誤報(bào)率。

2.2 次聲波法

該方式實(shí)際使用的硬件集成度高、數(shù)量少，減少了日后的維護(hù)工作量，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接入靈活。同時(shí)具有同負(fù)壓波-輸量平衡法類似的特點(diǎn)，如所有裝置都安裝于站內(nèi)，避免了野外施工和人為破壞，且基本不涉及對(duì)流程等改造，便于實(shí)施，設(shè)備少造價(jià)低，管理維護(hù)方便。

該方式理論較為成熟，但其在油田的應(yīng)用實(shí)際案例相對(duì)較少。該方法正常工況定位誤差＜50 m。

2.3 光纖干涉法

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需建立的前段測(cè)控系統(tǒng)數(shù)量很少，可大幅提高系統(tǒng)的可靠性，主要技術(shù)特點(diǎn)：①該技術(shù)先進(jìn)且理論較合理；②采用近似理論的類似技術(shù)的系統(tǒng)在其他領(lǐng)域應(yīng)用較成功；③該方式在管道建設(shè)初期隨管道建設(shè)施工較為合理。

單條、單流向管道結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，當(dāng)管道有多個(gè)分支或雙向輸送流體時(shí)，宜在分支點(diǎn)設(shè)置干涉信號(hào)采集裝置，系統(tǒng)分析軟件將較為簡(jiǎn)單。根據(jù)原理也可在管道分支點(diǎn)設(shè)光纖分支匯接，但相干光發(fā)生、調(diào)整信號(hào)檢測(cè)設(shè)備及分析軟件將較為復(fù)雜，工程施工也較難。

該技術(shù)在油田缺少實(shí)踐，未經(jīng)過可靠的實(shí)驗(yàn)，缺少相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用有較高的風(fēng)險(xiǎn)性。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)對(duì)管道進(jìn)行有效的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷泄漏發(fā)生并確定泄漏位置，單獨(dú)使用一種技術(shù)方式難以實(shí)現(xiàn)。目前大慶油田管道泄漏檢測(cè)建設(shè)基本將負(fù)壓波-輸量平衡法和次聲波法相結(jié)合使用。光纖干涉法缺少行業(yè)實(shí)踐，風(fēng)險(xiǎn)較高，還需進(jìn)一步試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

管道泄漏檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)系統(tǒng)化，實(shí)現(xiàn)了管道運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字化。隨著油田數(shù)字化建設(shè)的推進(jìn)，需進(jìn)一步完善數(shù)字化管理范圍。該系統(tǒng)可嵌入輸油管道運(yùn)行管理系統(tǒng)，融合數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原油輸送系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理與應(yīng)用，提升科學(xué)決策和管理水平，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高生產(chǎn)本質(zhì)安全，從而逐步推進(jìn)數(shù)字油田發(fā)展為智能油田，最終建成智慧油田。