管道泄漏報警系統在油田生產中的應用分析

王艷

大慶油田設計院有限公司

管道運輸是油田生產中液態原料和產品輸送的最主要形式。油田部分管道穿越村屯或城鎮等人口較密集的區域，易自然破損、遭受人為破壞及盜竊，如果造成油品泄漏，經濟受損失的同時也會帶來一系列不良社會影響。

采用技術手段對管道的運行狀態進行實時在線有效的監測，及時準確地判斷泄漏發生及泄漏點位置[1-4]，可為抓獲盜油分子贏得時間，減少泄漏造成的經濟損失及不良的社會影響。

1 管道泄漏報警系統

1.1 負壓波-輸量平衡法基本原理

管道穿孔或斷裂時，泄漏點壓力波動將產生負壓波，沿管道向兩端傳播，通過記錄負壓波到達管道兩端的時差，核算管道長度及波動傳播速度，即可判斷管道發生泄漏點的具體位置。負壓波法基本原理如圖1所示。根據此原理，建立數學模型如圖2所示。

圖1 負壓波法基本原理Fig.1 Basic principle of negative pressure wave method

圖2 負壓波法數學模型Fig.2 Mathematical model of negative pressure wave method

管道流體流速遠低于負壓波速度，忽略流速化簡后泄漏定位公式為

式中：X為泄漏點距管道一端距離，m；α為波速，m/s；L為管道長度，m；τ0為波時差，s。

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。采用輸量平衡法實時比對管道兩端流體流量，從而輔助負壓波法判斷管道是否發生泄漏，可提高泄漏監測準確程度。

根據負壓波檢測的基本原理，在管道兩端點設置測控系統，利用計算機建立管道端點壓力波動模型，即可獲得負壓波到達管道兩端點的時間差。通過通信網絡共享，保證兩端設備時間統一。同時，端點設置溫度傳感器，采集溫度的實時變化值，計算時對溫度引起的速度波動及衰減值進行補償修正。最后計算機系統綜合運算工況參數，對各種因素引起的誤差進行修正及補償，即可確定泄漏點位置。設計過程中，還需將正常工藝操作造成的誤報進行過濾，以降低系統的誤報率。泄漏檢測系統如圖3所示。

圖3 負壓波-輸量平衡法泄漏檢測系統Fig.3 Leak detection system of negative pressure wavetransmission balance method

該系統主要由現場數據測控與數據處理單元、通信系統、計算機分析管理系統組成。管道兩端安裝溫度采集儀表、壓力采集儀表、流量計及現場控制器。先由控制器采集數據并進行初步處理，為泄漏報警系統提供基礎數據；再通過通信系統進行各個主機之間的數據及時間的共享；最后由計算機系統收集存儲數據并進行分析。

1.2 次聲波法基本原理

該方法基于次聲波成像監測原理，通過管線成像顯示管道各處的噪聲分布，利用管道多個節點處的監測傳感器拾取的噪聲信號，計算出管道內液體流動時產生的噪聲圖像，同時可顯示管道上壓力泵等其他機器的噪聲。當出現泄漏時就會在泄漏處顯示穩定的聲像，其聲像亮度與泄漏量成正比，以發現微小滲漏，提高監測能力。結合圖像分析可以過濾敲擊聲、交通噪聲等干擾。最后根據聲波信號到達管道兩端泄漏監測儀的時間差，計算出發生泄漏的具體位置[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，在管道中間有泄漏發生時，系統就能提取次聲波到達兩端接收裝置的時間差，從而精確計算出泄漏點的位置（圖4），計算公式為

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為泄漏點距管道一端距離，m；v為流體音速，m/s；L為管道長度，m；t0為聲波時差，s。

系統由次聲波傳感器、數字化儀、計算機系統組成。在管道首末端各安裝次聲波傳感器及數字化儀，在其中一個聯合站安裝次聲波管道泄漏報警系統。次聲波管道報警系統的原理及系統結構如圖5所示。

圖5 次聲波法管道泄漏報警系統配置示意圖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。通過前端信號采集電路對干涉數據進行采集、轉換，在計算機中對數據進行處理和分析，即可確定泄漏點的位置。其傳感器器、處理分析電路原理如圖6所示。

圖6 光纖干涉傳感器、處理分析電路原理Fig.6 Principle of fiber optic interference sensor，processing and analysis circuit

分布式光纖傳感器內2條光纖對向傳播兩組相干光，即傳感器兩端可產生干涉信號。當管道發生泄漏時，傳感器兩端將產生相位調制信號。通過檢測調制信號發生的時差，即可計算出泄漏發生的位置。公式為

式中：X為泄漏點至首端的距離，m；L為檢測的管道長度，m；t1為傳感器首端檢測到信號的時間，s；t2為傳感器末端檢測到信號的時間，s；v為光波在光纖中的傳播速度，m/s。

根據以上原理，沿輸油管道同溝鋪設光纖干涉傳感器，在管網系統的核心站廠建立干涉光纖測控系統，實現泄漏報警并顯示泄漏點位置。各系統通過網絡共享數據，并上傳管網運行監控中心，實現管網運行狀態的監測。建立測控系統如圖7所示。

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

該系統主要由信號采集轉換單元、計算機系統及光纜傳感器三大部分組成。干涉光纜信號由處理電路發射并采集，最后由計算機系統收集存儲數據并進行分析。

2 應用分析

國內外應用過多種管道泄漏檢測、定位方法。曾應用化學法、漏磁法、輸量平衡法、負壓波法、次聲波法、質量平衡法建立管道運行應用模型，并建立了較完善的理論，但在實際應用中均存在不足。

2.1 負壓波-輸量平衡法

國內長距離管道泄漏定位技術主要使用負壓波-輸量平衡法。可檢測管輸流量8%以上的泄漏，實際定位誤差約為管道長度×0.5%＋100 m。管道泄漏定位技術及設備隨著油氣生產數字化建設的推廣，油田在逐步推進。但少數油田現場使用情況表明，單獨使用負壓波-輸量平衡法進行檢測，效果并不理想。

存在的主要問題：①誤報頻繁，正常使用時，在換切流程、啟停泵等情況下，管道內瞬態流量發生變化，都會觸發該系統報警；②管道兩端操作無法及時通信，造成工作人員誤判斷；③漏報率高，一年內出現泄漏6次管道泄漏，僅一次報警，漏報率83.33%。

但該方式也具有一定的優勢：該方法所有裝置都安裝于站內，避免了野外施工和人為破壞；基本不涉及對流程等改造，便于實施，設備少造價低，管理維護方便；因為國內長距離輸油管道采用該方法較多，應用效果良好。

從該技術的使用情況看效果并不理想，存在風險。但通過對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，再通過數字信號傳輸降低誤差；同時使用優秀軟件建立模型進行分析，可顯著提高檢測精確度，降低誤報率。

2.2 次聲波法

該方式實際使用的硬件集成度高、數量少，減少了日后的維護工作量，系統的整體結構簡單，接入靈活。同時具有同負壓波-輸量平衡法類似的特點，如所有裝置都安裝于站內，避免了野外施工和人為破壞，且基本不涉及對流程等改造，便于實施，設備少造價低，管理維護方便。

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

2.3 光纖干涉法

監測系統所需建立的前段測控系統數量很少，可大幅提高系統的可靠性，主要技術特點：①該技術先進且理論較合理；②采用近似理論的類似技術的系統在其他領域應用較成功；③該方式在管道建設初期隨管道建設施工較為合理。

單條、單流向管道結構相對比較簡單，當管道有多個分支或雙向輸送流體時，宜在分支點設置干涉信號采集裝置，系統分析軟件將較為簡單。根據原理也可在管道分支點設光纖分支匯接，但相干光發生、調整信號檢測設備及分析軟件將較為復雜，工程施工也較難。

該技術在油田缺少實踐，未經過可靠的實驗，缺少相關的技術數據，采用有較高的風險性。

3 結論

為實現對管道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，單獨使用一種技術方式難以實現。目前大慶油田管道泄漏檢測建設基本將負壓波-輸量平衡法和次聲波法相結合使用。光纖干涉法缺少行業實踐，風險較高，還需進一步試驗數據。

管道泄漏檢測技術已經系統化，實現了管道運行數據的數字化。隨著油田數字化建設的推進，需進一步完善數字化管理范圍。該系統可嵌入輸油管道運行管理系統，融合數字技術、通信技術，實現原油輸送系統運行數據自動采集、處理與應用，提升科學決策和管理水平，降低生產運行成本，提高生產本質安全，從而逐步推進數字油田發展為智能油田，最終建成智慧油田。