朱益飛

(中國石化勝利油田分公司孤東采油廠,東營 257237)

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一種基于負壓波法和輸差檢漏法相耦合的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)

朱益飛

(中國石化勝利油田分公司孤東采油廠,東營 257237)

開展油氣管道在線泄漏技術研究與應用，對提高油氣管道安全生產(chǎn)運行質量，降低安全風險，維護油氣管道安全正常運行具有十分重要的作用。文中介紹了一種基于負壓波法和輸差檢漏法相耦合的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)的構成、工作原理、功能特點和現(xiàn)場應用效果。實踐證明，該系統(tǒng)運行可靠準確，應用效果好，具有良好的推廣應用價值。

負壓波法；輸差檢漏法；耦合；管道泄漏；檢測系統(tǒng)

0 引言

目前，我國油氣輸送管道總里程已突破10萬公里，隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和油氣需求量的增長，預計到2020年油氣輸送管道總里程將達到20萬公里，基本實現(xiàn)全國骨干線聯(lián)網(wǎng)。管道輸送具有占地少、損耗少、成本低、輸量大、快捷方便等優(yōu)點，但也存在著因外部干擾、腐蝕、管材和施工質量等原因發(fā)生失效事故，導致管道泄漏污染環(huán)境、爆炸等事故。據(jù)統(tǒng)計，造成我國油氣管道事故的主要原因是人為因素導致的意外事故和惡意的打孔盜油(氣)，高達40%，隨后依次是管道腐蝕、管材質量、施工質量和突發(fā)性自然災害[1-2]。因此，開展油氣管道在線泄漏技術研究與應用，對提高油氣管道安全生產(chǎn)運行質量，降低安全風險，維護油氣管道安全正常運行具有十分重要的作用。現(xiàn)介紹一種基于負壓波法和輸差檢漏法相耦合的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)。

1 檢測系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)主要由壓力、溫度和流量等現(xiàn)場信號采集、信號前置電路、信號轉換電路、全球定位校時系統(tǒng)(GPS)、高速無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)和計算機檢測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。圖1為系統(tǒng)信號流程框圖。

圖1 系統(tǒng)信號流程框圖

1.1 現(xiàn)場信號采集

現(xiàn)場溫度、壓力信號通過高準確度溫度、壓力傳感器，以4～20mA標準模擬信號傳送到信號數(shù)據(jù)采集卡電路，流量脈沖信號通過磁電式脈沖信號發(fā)訊器傳送到信號數(shù)據(jù)采集卡電路。

1.2 信號前置電路

信號前置電路就是將現(xiàn)場采集的信號數(shù)據(jù)進行放大、濾波、降噪等處理，然后將采集信號送入計算機中的采集卡。

1.3 信號轉換電路

信號轉換功能由采集卡完成，采集卡采用12位AD轉換器，轉換時間10μs，采集速率高達50次/秒以上。為提高采集信號抗干擾能力，采集卡采用光電隔離技術，使被測信號與計算機之間實現(xiàn)光電隔離，并且具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，同時配置了DC/DC隔離電源模塊，具有很強的抗干擾能力，能夠充分還原現(xiàn)場信號。

1.4 全球定位校時系統(tǒng)

該系統(tǒng)由一套衛(wèi)星天線和GPS智能卡組成，可以準確無誤地將多個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘同步起來，首末兩站的數(shù)據(jù)采集為同一個時間。

1.5 高速無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)

無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)采用高速無線以太網(wǎng)。該通訊系統(tǒng)是一套穩(wěn)定、準確、可靠的高速無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)。它具有發(fā)射功率小、傳輸遠、傳輸速率高、抗干擾能力強等優(yōu)點，可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)多媒體信息的自動、高速、雙向傳輸，系統(tǒng)自診斷及故障狀態(tài)下的自動處理等功能[3]

1.6 計算機檢測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

計算機檢測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要有高可靠性的工業(yè)控制計算機和監(jiān)控系統(tǒng)軟件兩部分組成。計算機檢測數(shù)據(jù)處理軟件主要包括系統(tǒng)功能設定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、單機拐點判斷模塊、網(wǎng)絡同步檢驗以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、拐點計算與輸差耦合模塊和報警數(shù)據(jù)處理模塊等部分組成。圖2為系統(tǒng)軟件流程圖。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)功能設定模塊：為用戶提供一個CGI接口，完成一些可以由用戶設定的功能，如：曲線量程、時間范圍、曲線標識、打印等；用戶可以進行報警數(shù)據(jù)列表查詢，對報警時的壓力、流量、輸差歷史曲線進行回顧、打印等操作。

數(shù)據(jù)采集模塊：系統(tǒng)將經(jīng)過硬件轉換電路轉換以后的數(shù)字信號采集到軟件模塊里。

數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊具有對采集到的數(shù)據(jù)進行處理的功能，并且完成歷史、實時曲線的顯示。

單機拐點判斷模塊：該模塊通過實時數(shù)據(jù)與設定閥值的初步比較，判斷壓力曲線變化趨勢來設置拐點標志。

網(wǎng)絡同步檢驗以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊：該模塊主要是讀取GPS卡檢驗、設定的時間，并進一步將本地時間轉換為服務器時間，精確地保證同時采集到的多個站的數(shù)據(jù)是同一時間的，然后對一組數(shù)據(jù)加入幀頭、幀尾并傳送數(shù)據(jù)。

拐點計算與輸差耦合模塊：由于接收到的數(shù)據(jù)是多個點的數(shù)據(jù)，所以模塊要進行拐點計算，當確定發(fā)生壓力異常時，再采用輸差耦合，進一步判斷分析處理，減少誤報率，提高可靠性。

報警數(shù)據(jù)處理模塊：接到耦合判斷的報警標志后，對本次的報警數(shù)據(jù)進行排序、保存；自動記錄每次泄漏時的曲線特性，以區(qū)別站內卸油臺卸油、站內倒閥門調排量等其它非泄漏時壓力波動的曲線特性，逐步形成一個逼近真正的泄漏曲線數(shù)據(jù)庫。并且同時可以提供聲光報警，監(jiān)控系統(tǒng)自動彈出報警畫面、顯示報警數(shù)據(jù)并打印報警曲線等，以提示值班人員及時做出處理。

2 工作原理

負壓波法和輸差檢漏法相耦合的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)是在采用負壓波法進行管道泄漏檢測的基礎上，每當發(fā)現(xiàn)管道壓力拐點時，再用管道輸差檢漏法進行驗證，看是否存在耦合現(xiàn)象，若出現(xiàn)耦合再做進一步分析處理。其工作流程是，原油外輸管道的首端和末端分別安裝壓力、溫度和流量檢測計量儀表，對現(xiàn)場信號進行采集，通過計算機數(shù)據(jù)處理模塊對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進行分析，并將實時檢測數(shù)據(jù)通過高速無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)傳輸?shù)秸麄€管道監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，將接收到的數(shù)據(jù)實時分析處理，根據(jù)處理結果，系統(tǒng)及時做出報警處理。

負壓波法原油管道泄漏檢測工作原理：當管道某點突然發(fā)生泄漏時，在泄漏點會產(chǎn)生一個壓降，并同時產(chǎn)生一個負壓波向原油管道首末兩端傳遞，導致首末兩端的壓力下降。通過精確監(jiān)測負壓波傳遞到兩端的時間差，就可以判斷出發(fā)生負壓波的具體地點[4-5]。所采用的計算公式為：

l=(L-ΔTV)/2

式中：l為原油外輸管道全長，km；L為泄漏點距離起始端的距離，km；ΔT為壓力拐點時間差，s；V為壓力波波速，m/s。

該檢測方法很容易受到外部信號的干擾，如泵站啟泵、停泵、流量閥門調節(jié)、泵站倒工藝倒流程等許多原因都可以導致原油外輸管道壓力拐點的產(chǎn)生，這也是采用單一負壓波法檢測原油管道泄漏誤報率高的主要原因。

而輸差檢漏法主要是根據(jù)油氣儲運理論中油氣管道的輸入量之和等于管道的輸出量之和的原理。但實際上，原油外輸管道進出口瞬時流量一般情況下是不平衡的，造成不平衡的主要原因有三個方面：一是流體有微小的可壓縮性，在大口徑長距離運行的情況下，管道沿線壓力變化對流體的體積計算產(chǎn)生影響；二是溫度對流體體積的影響十分明顯，管道兩端的溫差會導致兩端流量出現(xiàn)一定的差別；三是不同的流量計自身存在一定的計量誤差。在一定的管道壓力和溫度條件下，產(chǎn)生一定的穩(wěn)定輸差是正常合理的，但若出現(xiàn)輸差突然大幅度上升，則可斷定原油外輸管道出現(xiàn)腐蝕穿孔或者發(fā)生原油外輸管道打孔盜油現(xiàn)象。事實證明，該方法具有較高的準確可靠性，基本消除了誤報現(xiàn)象，同時，還可以及時計算出原油外輸管道原油泄漏時間和準確漏失量。

3 系統(tǒng)功能特點

3.1 系統(tǒng)功能

1)原油管道實時監(jiān)控功能

該系統(tǒng)對原油外輸管道進行實時監(jiān)控，可以使操作員及時掌握原油外輸生產(chǎn)狀況，有效防止原油外輸管道超壓泄漏等安全事故的發(fā)生，提高原油外輸管道安全生產(chǎn)能力。

2)生產(chǎn)參數(shù)實時檢測顯示功能

該系統(tǒng)可以原油外輸管道首端、末端管道運行壓力、流量、輸差等生產(chǎn)運行參數(shù)實時檢測和顯示，還可顯示生產(chǎn)運行參數(shù)歷史曲線，曲線的時間范圍與幅值、著色等標識可以由用戶自行設定。

3)管道運行生產(chǎn)報表生成與打印功能

可以及時自動生成原油外輸管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)班報表、日報表、月報表，統(tǒng)計每日的原油管道輸油量、每小時輸差、管道首末端運行壓力以及盤庫數(shù)據(jù)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并具有報表打印功能，提高了原油外輸管道的生產(chǎn)管理自動化水平。

4)管道泄漏定位功能

在原油外輸管道發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)可以在40s之內做出反應，可以迅速計算確定泄漏點位置，同時準確實時計算出泄漏點產(chǎn)生的漏失量。

5)管道泄漏報警功能

當外輸管道發(fā)生泄漏時，檢測系統(tǒng)迅速做出反應，在管道首端、末端兩個泄漏監(jiān)控室同時發(fā)出聲光報警，監(jiān)控系統(tǒng)自動彈出報警畫面，顯示當前報警的幾項重要數(shù)據(jù)(如管道發(fā)生泄漏始末時間、時間差、原油管道輸差、離監(jiān)控室距離等)，同時，可打印和保存報警數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)特點

1)計量檢測準確度高。系統(tǒng)用的壓力、流量、溫度等現(xiàn)場計量檢測儀表和傳感器件均為高準確度計量儀表，計量準確度均達到0.05%。

2)系統(tǒng)自動化程度高。該系統(tǒng)實現(xiàn)了原油外輸管道生產(chǎn)運行參數(shù)實時跟蹤檢測，系統(tǒng)運行自動化程度高。

3)誤報率低，準確可靠性高。系統(tǒng)采用負壓波法和輸差檢漏法相耦合的辦法進行分析，即只有在壓力拐點、輸差增大同時出現(xiàn)的情況下，才做進一步的分析處理，采用耦合分析判斷法，大大地減少了系統(tǒng)誤報率，系統(tǒng)運行的準確可靠性高。

4)系統(tǒng)運行軟件功能齊全，操作簡單方便。系統(tǒng)運行軟件具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理、網(wǎng)絡傳輸、界面顯示、報警處理、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)功能設定等模塊化處理功能，系統(tǒng)運行軟件功能齊全，操作簡單方便。

5)管道生產(chǎn)預警和報警效果好。系統(tǒng)有效地提高了原油外輸管道生產(chǎn)運行實時監(jiān)控管理水平，可以隨時掌握原油外輸管道運行壓力、溫度、流量，避免造成原油外輸管道運行壓力超壓或排量過低等現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)起到及時預警和報警作用。同時，可以及時發(fā)現(xiàn)管道因腐蝕穿孔造成原油泄漏事故，減少環(huán)境污染，提高安全生產(chǎn)能力。

6)有利于及時打擊原油外輸管道打孔盜油行為。一旦發(fā)生打孔盜油行為，系統(tǒng)能迅速確定原油外輸管道打孔盜油點，同時發(fā)出聲光報警，便于線路管理人員及時達到現(xiàn)場，及時有效地打擊不法分子原油外輸管道打孔盜油行為。

4 現(xiàn)場應用效果

該系統(tǒng)已于2010年成功應用于勝利油田孤東采油廠原油外輸管道泄漏檢測上，該管道全長30km，管道直徑529mm，管道起始壓力0.7MPa，原油外輸溫度62℃，管道末端0.15MPa，原油收油溫度35℃，日管道輸油能力10000m3，管道原油正常輸差1～1.5L/s。多年來，管道原油打孔盜油事件時有發(fā)生，最大的一起為300m3原油被盜，既造成原油損失，又造成原油泄漏點環(huán)境污染。而此前采用單一負壓波法實施原油管道泄漏檢測工作，其誤報率相當高，無法開展正常檢測，起不到有效報警作用。應用該系統(tǒng)后，基本消除了誤報警，且可以在40s內檢測到30L左右的泄漏量并及時發(fā)生報警信號，及時發(fā)現(xiàn)管道腐蝕穿孔泄漏、管道打孔盜油現(xiàn)象，避免原油損失和因管道原油泄漏造成的環(huán)境污染及其它次生事故。同時，實現(xiàn)了原油外輸管道生產(chǎn)運行狀態(tài)的實時檢測，隨時掌握原油外輸管道運行壓力、溫度、流量等生產(chǎn)運行參數(shù)，提高了企業(yè)安全生產(chǎn)和事故預防能力。

5 結束語

加強油氣管道泄漏檢測技術研究與應用，有效預防油氣管道泄漏事故的發(fā)生，確保油氣管道運行安全是一項十分重要的工作。采用一種基于負壓波法和輸差檢漏法相耦合的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)比單一采用負壓波法或者是采用輸差檢漏法相比，大大地提高了管道泄漏檢測的準確性和及時有效性，減少了管道腐蝕穿孔泄漏和管道打孔盜油事故的發(fā)生，實現(xiàn)了原油外輸管道運行的實時自動監(jiān)測，提高了管道的安全生產(chǎn)預警能力。

[1] 朱益飛.運用先進監(jiān)控技術確保油氣管道安全[J].安全、健康和環(huán)境,2010，10(9):2-4

[2] 朱益飛.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應用[J].電氣時代,2010，30(1)：106-107

[3] 朱益飛.水流量遠傳自動監(jiān)控裝置的研制與應用[J].計量技術,2008(1)：60-62

[4] 鄭志受,李春龍,田文舉.管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].計量技術,2009(10)：13-16

[5] 瞿曌，鄧居祁，朱建林.基于無線局域網(wǎng)的輸送管道泄漏實時檢測系統(tǒng)的研究[J].電氣應用，2005，24(1):116-120

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.10