管道泄漏報警系統的研究

曲紅娟（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

管道泄漏報警系統的研究

曲紅娟（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

管道泄漏影響生產、污染環境并形成最大的能源浪費，為提升檢漏及巡檢效率，以負壓波檢測原理為基礎，建立高精度采用數字通信的測控前端。應用數字化、信息化技術，建立覆蓋企業生產管道的測控系統，使其成為大型企業生產控制監測系統的一個有機部分。通過系統采集管網運行的有效參數，全面整體的監測管道的運行狀態，在提高檢漏及巡檢效率的同時，大幅降低了勞動強度，提高了生產安全的保障能力。

管道泄漏；負壓波；輸量平衡法

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.016

隨著油田生產不斷擴大，各類管網密布生產區塊因管道泄漏造成的環境污染、經濟損失及社會負面影響的矛盾越來越突出。同時，也因生產力的提高，管道輸送的生產數據大量增加，出現了密集數據與數據采集分析滯后的矛盾。通過信息技術與控制技術融合，利用管道泄漏定位報警技術，建立全面監控、綜合管理平臺，實現生產大數據收集與分析、生產的全面宏觀控制，使其成為數字油田的一個有機部分。在降低員工勞動強度的同時，可大幅度提升生產管理能力。

1 監測方法及原理

國內外曾經研究過的管道泄漏監測與漏點定位的方法很多，主要有化學方法、應力法、漏磁法、流量差監測法、負壓波法、負壓波-次聲波法、全線壓力分布法、全線質量平衡法、管道瞬變模型法等。近年來，國內對于長輸管道檢漏技術的使用主要應用負壓波-輸量平衡法檢測[1]。

“負壓波法”通過監測“泄漏”引起的“壓力下降”來判斷有無泄漏發生并進行定位，“輸量平衡法”是靠管道兩端的流量計實時監測比對進出流量，判斷有無泄漏發生。管道泄漏監測系統在“負壓波法”的基礎上引入了“管道輸量平衡法”即為負壓波-輸量平衡法。二者結合形成了優勢互補，可提高了泄漏監測的準確率。

當首末兩站間輸油管線某一點發生泄漏時，引起兩端流量變化。泄漏點壓力突然降低所產生的負壓力波將沿管道向兩端傳播，當該負壓波傳遞到管道端點時，引起首站出站壓力和末站進站壓力變化。通過通信網絡把壓力和流量信號實時傳輸到監控計算機中，即可實現動態監測[2]。泄漏位置不同，兩個站響應的時間差也不同，根據管道長度、壓力傳播速度等即可準確計算出相應泄漏位置。同時，還需要根據管線的工況參數及被輸介質的理化性質和溫度衰減等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進行必要的補償和修正。設計過程中，需將某些站內操作引起的非泄漏“壓力下降”進行屏蔽，否則會發生頻繁的無意義報警。負壓波法管道泄漏檢測基本原理見圖1，圖中L1、L2分別為泄漏點距首站及末站的距離，L為管道的長度,V、V′分別為次聲波傳播的速度及液體的流速。根據以上原理，建立數學模型見圖2（p為管道輸送壓力）。

圖1 負壓波法基本原理圖

因為介質流速遠小于負壓波傳播的速度，忽略介質流速，得如下公式：

式中：x——泄漏點與入口端的距離，km；

α——壓力波傳播速度，km/s；

L——首末兩站間的距離(管長)，km；

τ0——首末站變送器輸出信號的時間差，s。

圖2 負壓波法數學模型

在已知負壓波傳播速度的情況下，測得管道兩端接收到負壓波的時間差即可得到管道泄漏點的位置[3]。

2 監測報警系統的建立

生產實際中，負壓波管道泄漏報警系統的建立受到多方面的制約。需要適應地質條件變化、地面建設調整，以現有管網系統布局為基礎，并參考未來油田開發規劃，需根據實際有序建設。

2.1 系統結構

根據負壓波檢測原理，可在管道兩端建立現場數據測控與處理單元，通過其壓力傳感器，測得管道兩端壓力變化的曲線，即可分析得到負壓波到達的時刻。為了保證兩端采集時間一致，通過共同共享網絡時間，即可測得負壓波到達兩端的時間差。為了修正管道輸量平衡值，補償溫度引起壓力波傳遞速度、衰減速度變化值，要在端點安裝溫度傳感器。壓力、溫度、流量信號通過控制器進行采集[4]。最后，通過計算機系統詳細的分析各種工況相關參數，修正、補償各種因素引起的誤差，即可確定管道泄漏點的位置及泄漏程度[5]。測控系統見圖3。

圖3 測控系統圖

該系統主要由數據測控與處理單元、遠程通信系統、監視分析與管理計算機系統三大部分組成。

1）數據測控與處理單元。該單元負責采集現場管線運行的狀態參數。主要由溫度變送器、壓力變送器、原油流量計以及PLC控制器組成。PLC控制器采集前端傳感器的信號，并對數據進行初步處理，為管網系統提供基礎數據。

2）遠程通信系統。該系統負責各個主機之間的數據傳輸，共享時間及管道狀態。該建設采用廠內生產網絡。

3）監視分析與管理計算機系統。該系統負責對數據進行分析，提示報警及地理位置顯示、實時數據曲線顯示、歷史記錄查詢等功能。該部分由工業計算機系統組成[6]。

以上是點對點的簡單流程和單一通信方式下的基本結構，有多個分支的管線，具有正反輸流程的管線，通信條件比較特殊等，系統（尤其是軟件系統）復雜一些。須對每一條管線的不同特點設計不同的軟硬件解決方案。

2.2 設備要求

負壓波從泄露點沿管道壁及介質向管道兩端傳播，相對比較微弱。現場實際測量沿介質傳播的負壓波，其受干擾多、衰減快。需要分辨率高的壓力變送器。因為需要實時測量壓力，建立壓力運行模型，同時也為了分析數據的準確性，保證壓力測量值精度，需要使用精度高的壓力傳感器。為了降低其他因素引起的壓力誤差，尤其是信息傳輸過程中造成的誤差，需要使用數字信號傳輸。管道部分端點建有溫度、壓力變送器等（圖4）。

圖4 管道輸油系統現場示例圖

現場實際使用的壓力變送器采用工業標準信號4～20 mA傳輸信號，受傳輸條件及內部處理電路、接收端A/D轉換等因素的影響，誤差較大。現場實際采用的壓力變送器，自身測量精度滿足工業檢測條件的要求，但對管道監測的壓力微小變化，誤差過大，無法滿足管道監測的要求。得出現場實際采用的壓力變送器分辨率不滿足要求。

2.3 創建管網監控系統基礎平臺

在各類管網內管道兩端的站場內，建立前端檢測系統，系統接入網絡。以大型站場為局部監控中心，建立局部測控系統，用以監測其管道系統內所連接轉油站等中小型站場的來液管道及監測站內的外輸管道運行狀況及提示報警。在管理職能部門建立管道運行監控中心，總體協調、調度及監控管網運行狀況，在各生產區域管理中心根據權限完善管理指揮系統，建立監測平臺。

3 結論

輸油管道是石油企業的生命線，自然破損或人為破壞會造成管線穿孔或斷裂，若不能及時發現和處理，不僅影響生產，還會導致油品漏失、污染環境等一系列不良后果。系統建成后可實現對管線進行有效的在線實時監測，及時準確地判斷泄漏發生并確定泄漏位置，能夠將損失減小到最低程度。同時，系統采集管網內傳輸的相關信息，提供了可靠的基礎數據，極大地提升了管理能力。

[1]陽子軒.復雜管道泄漏檢測技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[2]胡瓊.在役管線泄漏檢測技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[3]陳樊.管道泄漏遠程監測與控制實驗系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[4]劉琳琳.管道泄漏檢測數據的壓縮方法研究[D].北京：北京化工大學，2011.

[5]李慧.基于混合模型的管道泄漏檢測方法研究[D].沈陽：東北大學，2013.

[6]王輝.輸油管道微小泄漏特征提取方法研究[D].大慶：大慶石油學院，2008.

2017-03-22

（編輯 沙力妮）

曲紅娟，工程師，2005年畢業于大慶石油學院（電氣工程自動化專業），從事電氣規劃工作，E-mail：qhongjuan@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市第五采油廠規劃設計研究所規劃室，163513。