北斗衛星導航系統在油氣管道監控中的應用

萬青霖(中海油信息科技有限公司北京分公司北京100027)

北斗衛星導航系統在油氣管道監控中的應用

萬青霖
(中海油信息科技有限公司北京分公司，北京100027)

為了確保油氣運輸管線的安全運行，全方位進行測量和監控并保證監控數據的有效傳輸是非常重要的一種措施。隨著國內油氣運輸管道數量的增多、管齡年限的增長，以及人為破壞和自然災害等因素的發生，油氣運輸管道存在巨大的安全風險隱患?；谖覈孕醒兄崎_發的北斗衛星導航系統，使用北斗短報文、定位和授時等服務功能，結合現有的管線檢測和巡檢技術，設計提供一套更安全、可靠的管道測量監控及數據傳輸系統，有效保障國內油氣管道的正常運行。

衛星導航；管道監控；數據傳輸

0 引言

油氣運輸管道可以分為輸油管道和輸氣管道。輸油管道由油管及其附件組成，并按照工藝流程的需要，配備相應的油泵機組。輸油管道的管材一般為鋼管，使用焊接和法蘭等連接裝置連接成長距離管道，并使用閥門進行開閉控制和流量調節，如圖1所示。一套完整的輸油管道系統，用以完成油料接卸及輸轉任務，是原油和石油產品最主要的輸送設備。

輸氣管道是將天然氣(包括油田生產的伴生氣)從開采地或處理廠輸送到城市配氣中心或工業企業用戶的管道，是陸地上大量輸送天然氣的唯一方式，如圖2所示。輸氣管道是由單根鋼管經電焊逐根連接組裝起來，在世界管道總長中，天然氣管道約占一半。

1 油氣管道運行現狀

隨著油氣運輸管道運營年限的增長，不可避免地存在自然災害(如地震、滑坡、河流沖擊等)、管道腐蝕穿孔漏油、外部機械撞擊和人為破壞管道竊取石油資源等情況發生，嚴重威脅著輸油管線的安全，致使油氣管道事故頻發，隨時有石油泄漏的可能。

據統計，全球50%的石油管網已運行30年以上，國內相當比例的原油管道老化程度十分嚴重(如東北輸油管道已運行30多年)。僅1978年～1994年我國輸油管線就發生各種泄漏事故116起，其中5次泄漏量達3550t。1995年～2013年，全國共發生各類管道安全事故1000多起，1000km泄漏事故率年均高達4次，遠高于歐美國家。

可見要想確保油氣管線的安全運行，就必須對其進行有效的監控并及時獲取監控數據。目前油氣管線監控多采用基于現代分析和控制方法的管道檢測技術，包括管道的泄漏檢測、管道參數檢測、防盜防破壞報警及管道加熱等相關技術。

2 油氣管道監控技術

目前，國內外管道泄漏檢測方法可分為直接法和間接法兩大類，如圖3所示。直接檢測是通過泄漏到環境中的輸送介質或檢測管道狀態定位泄漏，如熱成像、漏磁檢測、中子衍射成像、以及超聲檢測等。直接檢測實時性不好，檢測成本高，僅適用于管道的維護與保養。間接法是通過檢測泄漏造成的管道輸送介質流量、壓力、波動、溫度等參數的變化判別泄漏，目前應用最廣泛的是負壓波法，如圖4所示。

負壓波法是目前管線監控系統使用較多的檢測方法，它能實現在線實時監控并可以準確定位。當管道發生泄漏時，管內外壓差使流體迅速流失，泄漏部位的物質損失使臨近部位流體密度減小，壓力降低，并且以類似于聲波向上下游擴散，在管道兩端安裝的壓力傳感器能捕捉到這種信號，就可以檢測泄漏的發生，進而根據負壓波傳到管道兩端的時間差以及負壓波速進行泄漏定位。

同時，為了克服管道噪聲等因素的干擾，采用小波變換和相關分析負壓波的傳播規律、管道內的噪聲和水擊波等變換特點，并結合管道管壁的彈性和液體的物理參數、物理特性進行分析、處理和計算。對于一般輸送原油的鋼質管道而言，負壓波傳播速度約為1.0km／s～1.2km／s。

3 油氣管道監控系統

3.1 北斗衛星導航系統在管道監控中的應用設計方案

目前在油氣運輸管道監控系統中，采用的數據傳輸方式主要分有線和無線兩種。有線傳輸方式主要有公用電話網、電力載波、直達線、同軸電纜和光纖通信等，無線傳輸方式主要有數據電臺、微波通信、衛星通信和移動蜂窩網絡等。如今很多油氣管線位于遠離城市的郊區及偏遠地帶，有線數據傳輸方式在這些地區施工難度大、成本高，推廣應用難度大。而在無線數據傳輸方式中，因移動蜂窩網絡在偏遠地區覆蓋較差、數傳電臺等建設成本較高且通信距離有限，都不是最優的傳輸方式。使用北斗系統的短報文、定位和授時服務功能為油氣管道監控系統提供數據傳輸相關服務，可以有效解決上述問題。

北斗數傳系統由北斗輸出終端單元、傳感器單元、指揮機單元以及指揮監控系統單元組成。不更改現存油氣管線監控的傳感單元，只對數據傳輸系統進行替換和升級，通過相應的數據傳輸接口將傳感單元監控到的數據經北斗數傳終端發回到油氣管道監控中心，實時對油氣管線進行有效的監控，如圖5所示。相比其他集中數傳方式，北斗數傳系統具備成本低、傳輸距離遠、安裝使用方便、功耗低、數據安全性高等特點。

1)成本低：北斗數傳系統與數據電臺和微波通信相比，不再需要外接授時設備進行時間同步，系統自身具備數傳、授時和定位功能，如圖5所示，省去了外接設備的費用，并且對供電要求也比較低。此外，相比于傳統的衛星通信(如海事衛星、美國休斯公司等提供的衛星通信系統)，北斗數傳系統的硬件成本和通信費用都要遠遠低于前者。

2)傳輸距離遠：數傳電臺及微波擴頻通信等傳輸距離有限，接收站需在數據發送點附近數十千米內，而北斗數傳系統的傳輸距離則能夠覆蓋全國，因此在部署數據接收站時能夠更加靈活地選擇位置。

3)安裝使用方便：北斗數傳終端采用一體化設計，天線和內部控制單元結合在一起，體積小，安裝方便，大大降低了安裝和施工難度。北斗數傳終端的供電選擇范圍大，9V～36V的直流輸入電壓都可以正常工作，可用蓄電池、太陽能方式供電。

4)功耗低：北斗數傳終端平均功耗在 3W～4W，而采用數傳電臺、微波通信等則需要達到10W以上功耗，在采用同樣蓄電池方案時，北斗系統的工作時間要遠遠大于二者。

5)數據安全：油氣管道運行數據屬于石油公司的重要機密數據，甚至關乎國家安全，北斗系統是我國自行研制開發的衛星系統，具有極高的數據安全性，可以有效保障一些敏感數據的傳輸。

3.2 北斗衛星導航系統應用設計方案的合理性分析

推廣利用北斗數傳系統需要從兩個方面分析合理性，一是傳輸數據量，二是系統響應時間。

(1)傳輸數據量估算

目前，實時檢測系統多采用負壓波法及物質平衡法等多種方法融合進行。其中，負壓波法監控實時性要求高，監控數據量最大，適用于檢測人為造成的泄漏檢測，因此需要對傳輸數據量進行估算。

采用負壓波法的系統監測點間距為1km～2km，對于一般輸送原油的鋼質管道而言，負壓波傳播速度約為1.0km／s～1.2km／s。根據壓力波響應的時間差、管道長度、壓力傳播速度，建立基本的數學理論模型，根據管道物理參數、被輸介質的理化性質以及溫度衰減等因素，對壓力波的傳遞速度造成的衰減變化進行必要的補償和修正，再計算出相應的泄漏位置。采用負壓波法檢測需要傳輸的數據有：壓力、流量、時間、溫度，如圖6所示。負壓波發生時間約在1s～10s，如圖7所示。通過每個檢測點自身的數據處理，上傳的壓力值數據能壓縮在10個左右，而流量數據每次上傳3個左右，按照數據標志位占用5字節，數據占用1字節，數據校驗位占用1字節。每次上傳的數據量計算公式為：

傳輸數據量(Byte)＝[時間標簽(1Byte)＋壓力值(1Byte)]×10＋[時間標簽(1Byte)＋流量(1Byte)]×3＋[時間標簽(1Byte)＋溫度(1Byte)]×3＋數據標志(1Byte)＋長度(1Byte)＋用戶地址(3Byte)＋校驗和(1Byte)＝38Byte。

(2)系統響應時間估算

由于油氣管線監控對于管道破裂的檢測要求實時性最高，通過估算該情況下的系統響應時間來判斷北斗數傳系統是否能滿足應用需求。

與數據量的估算相同，同樣以最為常用的負壓波法來估算響應時間，每隔1km～2km安裝一個檢測點。負壓波法在一般輸送原油的鋼質管道中的傳播速度約為1.0km／s～1.2km／s，負壓波發生時間約在1s～10s之間，在100km的檢測段上，需要安裝50～100個檢測點。負壓波在包含泄漏信息時能傳播數十千米。假設泄漏信息的有效檢測距離為10km，檢測點在檢測到奇異信號進行一定處理之后向監控中心發送檢測數據，檢測點處理時間在5s～20s內，沒有檢測到奇異信號則定時向監控中心回傳固定信息。在10km有效檢測距離內有5～10個檢測點能向主控中心發回數據，數據發送總時間間隔在10s左右。系統分析處理數據時間在1min左右(假設有檢測點在北斗服務時間間隔內檢測到奇異信號)，估算系統總響應時間計算公式如下：

系統響應時間＝負壓波發生時間(1s～10s)＋檢測點處理時間(5s～20s)＋監測點傳輸時間間隔(10s)＋系統處理時間(60s)＝76s～100s。

從計算數據估算可以分析，采用北斗數傳系統完全可以滿足油氣管道監控的相關需求。

4 油氣管道巡檢系統

4.1 北斗衛星導航系統在管道巡檢中的應用設計方案

油氣管道的監控工作需要專門的巡檢人員到現場進行相應的檢測與維護。而油氣管道由于線路較長，很多地方都位于遠離城市和居住區的地方，存在大量傳統移動通信信號盲區，因此利用具備北斗短報文通信功能的北斗數傳系統能夠為油氣管線巡檢人員提供通信保障。

北斗數傳系統可以利用北斗手持通信終端與北斗終端監控系統進行數據對接，監控系統通過北斗通信指揮機實時監控北斗手持終端的狀態，并通過北斗短報文通信功能與巡檢人員進行通信。當巡檢到相關故障時，北斗數傳系統可以將對應的檢測信息傳送至監控中心，及時進行檢測信息管理和處理。北斗終端監控系統集成了GIS管理系統，可以通過地圖的方式實時顯示北斗手持終端的位置信息，實現對巡檢人員進行實時位置監控和查看，也可對巡檢路徑進行合理規劃，如圖8所示，可見北斗數傳系統在油氣管道巡檢中具有廣泛的應用前景。

4.2 北斗手持導航終端的應用設計功能

北斗手持通信終端在油氣管道巡檢過程中，能夠實現以下功能：1)巡檢人員實時位置監控；2)檢測信息實時上傳；3)緊急情況下向監控人員呼救；4)監控人員實時向巡檢人員發送命令；5)實時導航信息推送；6)運油車輛實時位置監控和跟蹤等。

此外，北斗手持通信終端在集成北斗相關功能的同時，也具備智能手機的各項功能?？梢酝ㄟ^藍牙功能與北斗終端監控系統進行通信，實現對檢測點采集數據進行提??；還可以通過對系統進行參數設定，實現巡檢現場攝錄像、巡檢軌跡記錄與回放以及位置導航等功能。

5 結論

綜上所述，北斗衛星定位系統的建設和投入使用，打破了國外衛星導航系統對國家安全和經濟命脈的壟斷，推動傳統行業的升級改造，以及社會智能化水平的提升?？梢灶A見，基于北斗衛星設計研發的油氣管道測量監控數傳系統在我國油氣運輸管道檢測、巡檢和數據傳輸中，必將發揮不可替代的重要作用。

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Application of Beidou Satellite Navigation System in the Monitoring of Oil and Gas Pipelines

WAN Qing?lin
(CNOOC Information Technology Co.，Ltd，Beijing Branch，Beijing 100027)

In order to ensure the safe operation of oil and gas transportation pipeline，it is very important to measure and monitor the whole range and ensure the effective transmission of monitoring data.With the increase of the number of domestic oil and gas transportation pipeline，the age of pipe age，and the occurrence of man?made damage and natural dis?asters，the oil and gas pipeline has a huge security risk.Based on Chinese invented and developed Beidou satellite naviga?tion system，using its short message，positioning and timing services，combined with existing pipeline detection and inspec?tion technology，and provides a more secure and reliable pipeline monitoring and data transmission system.Therefore，se?cured daily operation of domestic oil and gas pipelines is insured.

satellite navigation;pipeline monitoring;data transmission

U<666.1 文獻標志碼：A class="emphasis_bold">666.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674?5558(2017)01?01277666.1 文獻標志碼：A

1674?5558(2017)01?01277

A 文章編號：1674?5558(2017)01?01277

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.007

萬青霖，男，本科，工程師，研究方向為工程測繪、衛星導航定位。

2016?05?26