基于負(fù)壓波泄漏檢測(cè)的系統(tǒng)配置方式研究

金梅

(中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司華東管道設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇徐州221008)

管線(xiàn)輸送時(shí)出現(xiàn)的漏油事故主要是管線(xiàn)泄漏引起的，為了保證油品輸送的安全，需要用科學(xué)的技術(shù)方法檢測(cè)并定位泄漏點(diǎn)[1]。近年來(lái)，負(fù)壓波法、次聲波法、流量平衡法在泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中均得到應(yīng)用，中國(guó)大部分的原油管線(xiàn)結(jié)合自身的特點(diǎn)通常采用負(fù)壓波法檢測(cè)和定位管線(xiàn)泄漏點(diǎn)。

1 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 負(fù)壓波法

當(dāng)管線(xiàn)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處壓力會(huì)突然降低，瞬時(shí)的壓力降通過(guò)流體介質(zhì)以聲速向泄漏點(diǎn)的上、下游傳播，以泄漏前的壓力作為參考，泄漏時(shí)由于壓力降低而產(chǎn)生的減壓波就稱(chēng)為負(fù)壓波[2]。

長(zhǎng)度為L(zhǎng)的管線(xiàn)中，泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波以速度v向管線(xiàn)上、下游傳播，管線(xiàn)首、末端設(shè)置的傳感器檢測(cè)到負(fù)壓波到達(dá)兩點(diǎn)的時(shí)刻分別為T(mén)1和T2。根據(jù)該負(fù)壓波傳播到管線(xiàn)上、下游的時(shí)間差ΔT和負(fù)壓波的傳播速度v就可以確定泄漏點(diǎn)的位置[3]，負(fù)壓波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)定位方法如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)定位示意

泄漏點(diǎn)距管線(xiàn)首端的位置：

L1=[L+v(T2-T1)]/2

(1)

負(fù)壓波在輸油管線(xiàn)中的傳播速度為1 000～1 200 m/s，在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)壓波的傳播速度受到管線(xiàn)周?chē)h(huán)境等相關(guān)因素的影響[4]。由于管線(xiàn)傳輸距離長(zhǎng)，散熱明顯，各輸油站場(chǎng)間管線(xiàn)油溫不一樣，因此需要采集管線(xiàn)的溫度用于校正負(fù)壓波的傳播速度。另外，管線(xiàn)內(nèi)負(fù)壓波的傳播速度還受輸送介質(zhì)的壓力、密度、比熱及管線(xiàn)材質(zhì)的影響，通過(guò)模型校正負(fù)壓波的傳播速度，以保證定位的準(zhǔn)確性。負(fù)壓波法檢測(cè)具有定位準(zhǔn)確、檢測(cè)速度快、成本低廉等特點(diǎn)[5]。基于負(fù)壓波的管線(xiàn)泄漏檢測(cè)與定位方法目前在輸油管線(xiàn)上應(yīng)用較為廣泛[6]。

1.2 定位的關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)分段和小波變換是泄漏檢測(cè)系統(tǒng)定位的關(guān)鍵技術(shù)，采用自動(dòng)分段技術(shù)可判斷壓力信號(hào)是否為故障段。由于輸油站場(chǎng)內(nèi)泵和電機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)及磁場(chǎng)的干擾等因素，系統(tǒng)采集的負(fù)壓波信號(hào)中含有部分噪聲，噪聲會(huì)造成檢測(cè)誤報(bào)和定位的不準(zhǔn)確性，因此須對(duì)采集的壓力信號(hào)降噪處理，捕捉壓力信號(hào)波形的奇異點(diǎn)，在大量的噪聲中提取出有用的信號(hào)[7]。怎樣從中提取泄漏所產(chǎn)生的負(fù)壓波信號(hào)特征、剔除沒(méi)用的信號(hào)是定位的關(guān)鍵。小波變換在時(shí)、頻域中均具有表征信號(hào)局部特征的能力，利用小波變換的極值可以檢測(cè)信號(hào)的邊沿，并且可以抑制噪聲[8]。小波變換的基本原理就是利用伸縮和平移來(lái)研究小波與信號(hào)之間的某種相關(guān)性，即利用尺度來(lái)分析信號(hào)，它可通過(guò)改變時(shí)間-頻率窗口的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率信號(hào)所需要的分辨率[9]。

泄漏檢測(cè)系統(tǒng)利用小波變換處理負(fù)壓波信號(hào)，變換的快速算法對(duì)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行了多分辨率分析，得到了其低頻概貌和高頻細(xì)節(jié)，準(zhǔn)確地捕捉到泄漏負(fù)壓波信號(hào)序列的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，精確得到泄漏引發(fā)的負(fù)壓波傳播到上、下游傳感器的時(shí)間差，并利用模型校正負(fù)壓波傳播速度，從而較準(zhǔn)確地定位管線(xiàn)的泄漏點(diǎn)。

2 基于SCADA的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 輸油管線(xiàn)A概況

輸油管線(xiàn)A把油品從首站輸送至末站，全線(xiàn)共設(shè)7座輸油站場(chǎng)、其中2座輸油站場(chǎng)中設(shè)有調(diào)度控制中心。調(diào)度控制中心通過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)監(jiān)控全線(xiàn)的工藝等參數(shù)，同時(shí)沿線(xiàn)各輸油站場(chǎng)采用PLC完成對(duì)本站數(shù)據(jù)的采集和控制。

2.2 系統(tǒng)配置

輸油管線(xiàn)A的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)分別在2座調(diào)度控制中心設(shè)置了中心站，各輸油站場(chǎng)的壓力趨勢(shì)等畫(huà)面利用沿線(xiàn)各站場(chǎng)SCADA工作站顯示。每個(gè)中心站分別設(shè)置了1臺(tái)裝有泄漏檢測(cè)軟件的工作站；安裝于各輸油站場(chǎng)的信號(hào)調(diào)理器用于處理進(jìn)、出站管線(xiàn)的壓力信號(hào)。該泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中心站通過(guò)OPC接口與SCADA各輸油站場(chǎng)PLC進(jìn)行通信，以獲取泄漏檢測(cè)系統(tǒng)所需要的壓力、溫度、流量等參數(shù)，并通過(guò)模型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管線(xiàn)運(yùn)行壓力的變化情況，從而判斷管線(xiàn)有無(wú)泄漏并確認(rèn)其位置。基于SCADA的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 基于SCADA的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)配置示意

2.3 系統(tǒng)主要功能

1)當(dāng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)判斷有泄漏發(fā)生時(shí)，中心站的計(jì)算機(jī)可以對(duì)泄漏點(diǎn)定位并發(fā)出聲光報(bào)警。

2)泄漏點(diǎn)的上游和下游輸油站場(chǎng)可以接收中心站發(fā)出的泄漏報(bào)警和定位信息，并在輸油站場(chǎng)的SCADA工作站上顯示。

2.4 應(yīng)用案例

2018年3月21日，輸油管線(xiàn)A中心站操作人員發(fā)現(xiàn)漢沽-海河閥室管段壓力從20時(shí)28分開(kāi)始持續(xù)下降，操作人員通過(guò)智能手動(dòng)定位功能得知泄漏發(fā)生在距離漢沽出站的46.04 km處，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員反饋距漢沽站出站管線(xiàn)45.4 km處存在管線(xiàn)腐蝕穿孔，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)定位與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際泄漏點(diǎn)位置僅有0.64 km的偏差。管段壓力監(jiān)測(cè)趨勢(shì)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 管段壓力監(jiān)測(cè)趨勢(shì)曲線(xiàn)

3 設(shè)置獨(dú)立子站的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 輸油管線(xiàn)B概況

圖4 獨(dú)立子站的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)配置示意

輸油管線(xiàn)B把進(jìn)口原油從首站輸送至末站，全線(xiàn)共設(shè)9座輸油站場(chǎng)、其中2座輸油站場(chǎng)中設(shè)有調(diào)度控制中心。目前部分輸油站場(chǎng)采用壓力越站流程，兼具干線(xiàn)截?cái)嚅y的作用。

3.2 系統(tǒng)配置

輸油管線(xiàn)B的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)由中心站和子站組成，該系統(tǒng)分別在2座調(diào)度控制中心設(shè)置了中心站，各子站監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)立在首站、7個(gè)中間輸油站場(chǎng)、末站；各子站和中心站之間采用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。獨(dú)立子站的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)配置如圖4所示。

3.2.1子 站

該泄漏檢測(cè)系統(tǒng)9個(gè)子站分別設(shè)置了1臺(tái)內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡的工作站、1臺(tái)信號(hào)調(diào)理器及相應(yīng)的子站泄漏檢測(cè)軟件。該泄漏檢測(cè)系統(tǒng)所需的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，而溫度、流量等參數(shù)通過(guò)OPC接口從SCADA獲取。在每個(gè)輸油站場(chǎng)進(jìn)、出站管線(xiàn)上采集的壓力信號(hào)串聯(lián)接入到當(dāng)?shù)氐男盘?hào)調(diào)理器進(jìn)行處理，信號(hào)調(diào)理器輸出的電壓信號(hào)接至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳送至相應(yīng)子站的工作站進(jìn)行分析判斷，并用以顯示、存儲(chǔ)及通信等。

3.2.2中心站

在每個(gè)中心站分別配置1臺(tái)工作站及相應(yīng)的中心站泄漏檢測(cè)軟件，各子站和中心站之間通過(guò)以太網(wǎng)端口及相應(yīng)的IP地址進(jìn)行通信，中心站的計(jì)算機(jī)上可標(biāo)識(shí)泄漏點(diǎn)位置并發(fā)出聲光報(bào)警以提示操作人員注意。

3.3 系統(tǒng)功能

子站的工作站通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)、獨(dú)立地采集相應(yīng)輸油站場(chǎng)進(jìn)、出站管線(xiàn)的壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)現(xiàn)狀初步判斷發(fā)生泄漏的可能性；同時(shí)各子站的工作站將所采集的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)街行恼镜挠?jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和分析，中心站則通過(guò)OPC接口從SCADA讀取相應(yīng)輸油站場(chǎng)的溫度、流量等參數(shù)；最終，該泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中心站對(duì)獲取的壓力、溫度、流量等參數(shù)與模擬工況進(jìn)行對(duì)比分析，判斷管線(xiàn)上是否有泄漏。

當(dāng)管線(xiàn)中的油品泄漏時(shí)，該泄漏檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并在中心站的計(jì)算機(jī)上顯示泄漏點(diǎn)的定位，相應(yīng)子站的計(jì)算機(jī)可以發(fā)出泄漏報(bào)警信號(hào)并定位泄漏點(diǎn)。

3.4 應(yīng)用案例

2015年2月14日，輸油管線(xiàn)B中心站操作人員發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)清-寧陽(yáng)管段壓力02時(shí)整分開(kāi)始持續(xù)下降，根據(jù)站場(chǎng)實(shí)際情況和工作經(jīng)驗(yàn)初步判定壓力異常可能是泄漏所致。通過(guò)智能手動(dòng)定位功能得知泄漏發(fā)生在距離長(zhǎng)清站出站管線(xiàn)42.09 km處，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員反饋距離長(zhǎng)清站出站管線(xiàn)41.8 km處存在打孔盜油閥，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)定位與現(xiàn)場(chǎng)泄漏點(diǎn)位置基本一致，02時(shí)40分壓力開(kāi)始回升說(shuō)明已無(wú)泄漏。管段壓力監(jiān)測(cè)趨勢(shì)曲線(xiàn)效果與圖3所示相近，在此不再贅述。

通過(guò)該系統(tǒng)的有效定位并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡線(xiàn)工的巡線(xiàn)情況，采取相應(yīng)措施終止泄漏以恢復(fù)管線(xiàn)運(yùn)輸?shù)钠椒€(wěn)運(yùn)行。該系統(tǒng)可靠性好，誤報(bào)率低，對(duì)管線(xiàn)上可能存在的泄漏定位準(zhǔn)確[10]。

4 泄漏檢測(cè)系統(tǒng)兩種配置方式的對(duì)比

4.1 共性特點(diǎn)

1)中心站的計(jì)算機(jī)畫(huà)面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泄漏情況，操作人員通過(guò)分析泄漏參數(shù)定位泄漏點(diǎn)位置，并可保存確認(rèn)后的泄漏點(diǎn)位置。

2)報(bào)警反應(yīng)快，管線(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存。

3)具有故障自診斷功能，誤報(bào)率低。

4)具有清晰的人機(jī)界面，簡(jiǎn)單易學(xué)。

5)檢測(cè)中依托SCADA的部分參數(shù)，提高了判斷泄漏的準(zhǔn)確性。

4.2 對(duì)比分析

1)輸油管線(xiàn)A采用的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)完全依托SCADA獲取壓力、流量等參數(shù)，其采集速率及采樣時(shí)間間隔都受SCADA的限制；而輸油管線(xiàn)B采用的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)采集卡獨(dú)立采集輸油站場(chǎng)的壓力數(shù)據(jù)，壓力信號(hào)的采樣頻率可達(dá)100 Hz以上，采樣速率更高、更平穩(wěn)，降低了泄漏點(diǎn)定位的誤差，提高了泄漏定位的準(zhǔn)確性。

2)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)從SCADA讀取大量的數(shù)據(jù)會(huì)造成SCADA的CPU負(fù)荷增大，從而對(duì)SCADA的穩(wěn)定性和可靠性都帶來(lái)了影響。

3)直接利用SCADA采集全部數(shù)據(jù)的方法只能在SCADA的工作站上被動(dòng)地顯示相應(yīng)輸油管線(xiàn)的泄漏報(bào)警信息，而設(shè)置獨(dú)立子站的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中每個(gè)工作站均具有泄漏定位和報(bào)警功能，且某個(gè)泄漏點(diǎn)在相鄰的2個(gè)工作站上都能報(bào)警和定位，更方便輸油站場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏。

4)設(shè)置獨(dú)立子站的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)與SCADA完全獨(dú)立，在某種程度上提高了兩個(gè)系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際運(yùn)行中，輸油管線(xiàn)B的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)可有效地發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并能較準(zhǔn)確地定位，而輸油管線(xiàn)A的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)仍存在著定位誤差大及輸油站場(chǎng)工作人員不方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泄漏等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比，設(shè)置獨(dú)立子站的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)用較好，其可靠性更高、準(zhǔn)確性更強(qiáng)、誤報(bào)率更低，達(dá)到了預(yù)期的效果。