佟淑嬌，王如君，李應(yīng)波，靳江紅，謝　鵬，呂　辰

(1.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012； 3.中國(guó)石油 吉林石化分公司丙烯腈廠，吉林 吉林 132021；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0　引言

輸油管道在運(yùn)行過(guò)程中面臨多種風(fēng)險(xiǎn)，極易發(fā)生泄漏事故，并引發(fā)火災(zāi)、爆炸、溢油污染等事故，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞[1-2]。2003年12月19日，中石油蘭成渝輸油管道由于打孔盜油發(fā)生泄漏事故，噴發(fā)的油柱高達(dá)40余米，泄漏持續(xù)6 h，損失汽油400余噸，造成寶成鐵路中斷7 h，清江河約500 m河段受到污染。2010年7月16日，大連中石油國(guó)際儲(chǔ)運(yùn)原油庫(kù)輸油管道發(fā)生爆炸，引發(fā)大火并造成大量原油泄漏，造成430余平方公里海面污染，引起了廣泛的社會(huì)關(guān)注。2013年11月22日，中石化東黃輸油管道發(fā)生泄漏，泄漏時(shí)間持續(xù)7個(gè)多小時(shí)，事故造成62人死亡、136人受傷的嚴(yán)重后果。重大輸油管道事故給公共安全和環(huán)境帶來(lái)了巨大的危害，同時(shí)也暴露出我國(guó)在輸油管道泄漏檢測(cè)與泄漏損失評(píng)估等方面存在的不足。因此，急需開(kāi)發(fā)靈敏性好、檢測(cè)和定位精度高、準(zhǔn)確計(jì)算泄漏量的管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，提高管道企業(yè)事故防控能力，并為政府安全監(jiān)管和應(yīng)急管理提供決策依據(jù)。

管道泄漏檢測(cè)方法按照檢測(cè)原理和手段可劃分為直接泄漏檢測(cè)法和間接泄漏檢測(cè)法2大類[3-4]。直接檢漏法通過(guò)直接檢測(cè)管道外是否有泄漏物的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)，如探地雷達(dá)法、紅外線法等，但這些方法易受環(huán)境影響，適用性差。管道間接泄漏檢測(cè)是通過(guò)考查管道泄漏發(fā)生引起的變化(如流量失衡、噪音、壓力波動(dòng)等)來(lái)實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)，在檢測(cè)精度和適用性上通常優(yōu)于直接泄漏檢測(cè)法，如波測(cè)量法、統(tǒng)計(jì)法和模型法等。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)谳斢凸艿佬孤z測(cè)方面開(kāi)展了大量的研究工作。靳世久[5]較早開(kāi)展了輸油管道泄漏定位技術(shù)的研究，對(duì)比研究了基于1種快速微分算法的實(shí)時(shí)負(fù)壓波定位方法和極性相關(guān)漏點(diǎn)定位方法；王立坤[6]采取小波閥值和中值濾波去除噪聲干擾提出了1種基于負(fù)壓波的用于管道停輸時(shí)泄漏檢測(cè)和漏點(diǎn)定位的方案；劉恩斌[7]開(kāi)發(fā)了1套基于負(fù)壓波原理的輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用確定系統(tǒng)的定位精度滿足工程需求。負(fù)壓波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)采用工業(yè)用壓力變送器即可，并可與管道SCADA系統(tǒng)共用壓力變送器的輸出信號(hào)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。但該系統(tǒng)僅對(duì)工況平穩(wěn)管道的大量、突發(fā)性泄漏的檢測(cè)與定位具有比較好的效果，對(duì)緩變的微小泄漏漏報(bào)率較高，定位精度也比較差；對(duì)工況擾動(dòng)頻繁的管道來(lái)說(shuō)，泄漏誤報(bào)率比較高；同時(shí)該系統(tǒng)也無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確計(jì)算管道泄漏量。

目前，基于實(shí)時(shí)模型法的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是世界上最先進(jìn)和高效的檢測(cè)方法之一。該方法基于流體動(dòng)力學(xué)建立管道實(shí)時(shí)流動(dòng)模型(質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程和能量平衡方程等)，在一定邊界條件下求解管道內(nèi)流場(chǎng)，然后將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，根據(jù)二者偏差進(jìn)行泄漏判斷，并根據(jù)管道內(nèi)壓力梯度變化確定泄漏點(diǎn)位置[8-10]。這類方法需要與SCADA系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)、定位與泄漏量的計(jì)算，在泄漏檢測(cè)和定位方面最為精確，但該方法對(duì)管道仿真技術(shù)和儀表設(shè)置等有一定的要求。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)基于模型法的油氣管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)開(kāi)展了大量的研究工作。Wang X J等[11]通過(guò)引入狄拉克函數(shù)建立了管道泄漏時(shí)的瞬變流模型并求解得到了以付立葉級(jí)數(shù)形式表示的解析解；Mark Reeda等[12]在建立管道泄漏量計(jì)算數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序，為快速估算泄漏量提供了依據(jù)；孫良[13]基于管道系統(tǒng)與電路系統(tǒng)的相似性，開(kāi)發(fā)了基于模型的管道泄漏檢測(cè)與定位程序；王永紅[14]對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道在線仿真系統(tǒng)的發(fā)展歷史和工業(yè)應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述,指出仿真軟件應(yīng)與管道運(yùn)營(yíng)需求充分結(jié)合。目前，基于管道瞬變模型開(kāi)發(fā)的管道實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)主要有VPL，SPS以及GNAP等。這些系統(tǒng)都是通過(guò)與SCADA系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管道泄漏分析與檢測(cè)、管道設(shè)計(jì)與維護(hù)、批次跟蹤與管道運(yùn)營(yíng)監(jiān)控等。李欣澤[15]對(duì)TLNET和SPS系統(tǒng)在我國(guó)輸油管道的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹；肖杰[16]等基于SPS軟件，對(duì)輸油管道典型事故瞬態(tài)工況進(jìn)行了模擬分析，并探討了輸油管道瞬時(shí)壓力和流量的變化規(guī)律。在主流管道實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，ESI開(kāi)發(fā)的VPL(Visual Pipeline)不僅能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的泄漏報(bào)警和定位，而且能夠準(zhǔn)確計(jì)算管道泄漏量，具有高靈敏性和可靠性，現(xiàn)已為許多國(guó)家和地區(qū)(美國(guó)、英國(guó)、巴西、印度等)的油氣管道提供了服務(wù)，并被證明能極大地提高應(yīng)用管道的運(yùn)行和管理效率。因此，以下基于VPL技術(shù)建立輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展基于實(shí)時(shí)模型的輸油管道泄漏檢測(cè)、定位與分析研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，檢驗(yàn)所建立的輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)、報(bào)警與泄漏量計(jì)算精度，探討VPL在我國(guó)輸油管道的適用性，旨在進(jìn)一步提高我國(guó)輸油管道泄漏檢測(cè)與定位精度，有效解決管道泄漏量無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確計(jì)算的問(wèn)題。

1　VPL的實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)原理

在理想的條件下，單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入管道的流量減去流出管道的流量必然等于該段時(shí)間內(nèi)管道內(nèi)管存的變化值，如式(1)所示。在VPL系統(tǒng)中，將一定的時(shí)間輸送介質(zhì)在管道中體積的變化值稱為管存率。在管道穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，管道內(nèi)產(chǎn)品的凈流量應(yīng)守恒，管存率也為零，即保證管道的容量守恒。設(shè)管存率為PR，凈流速為FB，容量守恒率為VB，那么三者之間的關(guān)系如下：

VB=FB-PR

(1)

式中：FB是管道入口的流速與出口流速的差值，即FB=Qin-Qout，Qin為入管道的流速，Qout為出管道的流速，二者均通過(guò)SCADA采集。輸油管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1　輸油管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)原理Fig.1　 Principle of transiet leakage detection of oil pipeline

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，VPL利用系統(tǒng)首末端實(shí)測(cè)的參數(shù)值，如壓力、流量等作為邊界輸入條件，通過(guò)求解流體瞬變流動(dòng)方程，計(jì)算管道相應(yīng)的壓力、流量值，將容量守恒率(VB)與泄漏判斷閾值(TV)進(jìn)行比較，當(dāng)二者存在較大差異時(shí)，表明有泄漏發(fā)生，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并確定泄漏位置，同時(shí)計(jì)算管道泄漏量。

2　VPL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與建模需求

2.1　管道實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于VPL的輸油管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)由圖像界面(VPL，VisualPipeline)、管道工作室(PLS，PipelineStudio)、管道管理器(PLM，Pipeline Manager)組成，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。VPL是基于Microsoft.NET和C#開(kāi)發(fā)的1個(gè)現(xiàn)代化的客戶端服務(wù)器，通過(guò)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)樹(shù)圖顯示管道相關(guān)數(shù)據(jù)，可快速生成主管道布局圖，并顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的圖形與位置，可通過(guò)數(shù)據(jù)操作各元器件的概況和趨勢(shì)圖，以及展示多種固態(tài)和動(dòng)態(tài)的信息等。PLS的功能是進(jìn)行管道初始建模，它具有全功能的圖形界面、穩(wěn)定的數(shù)字求解技術(shù)、完備的設(shè)備模擬、靈活的控制方式和多約束條件設(shè)定等特點(diǎn)。PLM的功能是提供全面的管道實(shí)時(shí)模型計(jì)算和容積補(bǔ)償計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的確認(rèn)，以及日常操作流量和壓力測(cè)量變化結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析等功能。

2.2　管道系統(tǒng)建模的數(shù)據(jù)要求

為了建立準(zhǔn)確的管道模型，需要采集大量的管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等資料。管道建模所需的主要數(shù)據(jù)列于表1中。表1中所列的管道基本參數(shù)以及儀表要求搜集全面后，就可以著手建立管道仿真模型，實(shí)現(xiàn)泄漏判斷、檢測(cè)、報(bào)警、定位以及泄漏量的計(jì)算等。

2.3　管道系統(tǒng)仿真建模

根據(jù)搜集到的管道信息和SCADA系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立精確、完整的管道系統(tǒng)仿真模型開(kāi)展管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)與分析。通過(guò)管道工作室PLS建立的管道仿真模型，管道有關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如圖3所示。

圖2　基于VPL的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2　Leakage detection system topology based on VPL

序號(hào)管道建模數(shù)據(jù)具體參數(shù)1管道物理數(shù)據(jù)管道長(zhǎng)度、直徑、壁厚、粗糙度、高程的詳細(xì)信息，所有設(shè)備(各種閥門、出入口、泵、壓縮機(jī)等)在管道中的位置，所有場(chǎng)站的P&ID圖等。2管道環(huán)境數(shù)據(jù)熱力學(xué)信息(總傳熱系數(shù)計(jì)算)，包括環(huán)境狀態(tài)(地埋深度、土壤類型，地面之上等)、季節(jié)的環(huán)境溫度變化范圍等。3流體性質(zhì)各種流體性質(zhì)，包括不同溫度下的粘度數(shù)據(jù)、體積模量數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的重度和密度、熱膨脹系數(shù)、產(chǎn)品代碼/名稱和描述等。4儀表數(shù)據(jù)儀表的ID號(hào)(儀表位號(hào)和描述)、單位、可重復(fù)性、精度、儀表范圍、數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)、SCA?DA數(shù)據(jù)更新頻率等。5操作數(shù)據(jù)最大流量范圍、操作溫度、管道壓力、最大允許操作壓力、最小允許操作壓力、各種參數(shù)的單位制等。6儀表要求流量?jī)x表測(cè)量精度：0．25%～0．5%；壓力儀表測(cè)量精度：0．25%；溫度儀表測(cè)量精度：0．25%；密度計(jì)精度：0．5%；小于15秒的SCA?DA刷新速率。

圖3　管道參數(shù)設(shè)置界面Fig.3　Interface of pipeline parameters

管道仿真模型是流體在管道內(nèi)流通時(shí)水力和熱力的瞬態(tài)變化行為模型，充分考慮與周圍環(huán)境熱交換，管道的屬性，流通物體的屬性以及管道外的狀態(tài)變化。建立管道仿真模型時(shí)還需要根據(jù)管道運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)對(duì)泄漏檢測(cè)閾值(TV)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，綜合考慮平均壓力、平均凈流量、平均流速、管存變化、質(zhì)量變化、管存率、流量平衡、體積平衡的標(biāo)準(zhǔn)偏差等多種因素對(duì)管道模型的影響。

管道系統(tǒng)模型調(diào)試完成并運(yùn)行后，操作人員就可以對(duì)管道運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生泄漏系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲音警報(bào)，并以圖形化的界面形式提供泄漏點(diǎn)的定位和泄漏量情況。

3　管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)與分析

3.1　系統(tǒng)判斷泄漏開(kāi)始

通過(guò)對(duì)管道參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)算，管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)容量守恒趨勢(shì)圖，可以對(duì)泄漏進(jìn)行判斷和發(fā)出報(bào)警。根據(jù)趨勢(shì)曲線，當(dāng)體積平衡持續(xù)超越閾值時(shí)(如圖4所示)，系統(tǒng)發(fā)出泄漏報(bào)警。

圖4　泄漏趨勢(shì)分析界面Fig.4　Interface of leakage trend analysis of pipeline

一旦泄漏發(fā)生，管存變化(PR)會(huì)下降，而流量平衡(FB)為補(bǔ)充管道中的壓力損失，會(huì)略微上升，體積平衡(VB)會(huì)上升，并持續(xù)直到穿越閾值(TV)，此時(shí)系統(tǒng)可確定管道泄漏發(fā)生，管道出、入口壓力也會(huì)同時(shí)出現(xiàn)下降(如圖5所示)。

圖5　系統(tǒng)判斷泄漏發(fā)生Fig.5　Interface of leakage trend analysis of pipeline

3.2　系統(tǒng)發(fā)出泄漏報(bào)警

圖6中，當(dāng)容量守恒率曲線持續(xù)穿越閾值線超過(guò)60 s時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出紅色泄漏報(bào)警，并顯示泄漏報(bào)警時(shí)間信息。

3.3　泄漏定位與泄漏量計(jì)算

基于VPL的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)圖形用戶界面，為操作人員提供直觀可見(jiàn)的管道運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行結(jié)果的真實(shí)場(chǎng)景，并可實(shí)時(shí)清晰、實(shí)時(shí)地顯示泄漏位置、泄漏尺寸、瞬時(shí)泄漏量和累積泄漏量，如圖7所示。這不僅便于操作人員辨識(shí)和判斷，而且極大提高了泄漏計(jì)算的準(zhǔn)確率，同時(shí)為泄漏應(yīng)急救援提供準(zhǔn)確依據(jù)。

圖7　泄漏定位和泄漏量顯示Fig.7　Interface of leakage location and volume display

3.4　系統(tǒng)判斷泄漏結(jié)束

當(dāng)管道泄漏結(jié)束時(shí)，管道出、入口壓力會(huì)同時(shí)出現(xiàn)上升，如圖8所示。此時(shí)，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)判斷管道泄漏結(jié)束，并取消紅色報(bào)警，恢復(fù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

圖8　系統(tǒng)判斷泄漏結(jié)束Fig.8　Interface of leakage ending

4　系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

4.1　試點(diǎn)管道介紹

某原油輸送管道全線總長(zhǎng)286 km，沿途共設(shè)7座站場(chǎng)(首站PY，末站LY，中間站HX，WH，XX，WZ，WX)。管道直徑為426 mm，管壁厚為7 mm，年設(shè)計(jì)輸油能力為500×104t，最低輸量為280×104t，運(yùn)行壓力為5.5 MPa，輸送油品為中原油與進(jìn)口油的混合油，混合油的密度約為854.26 kg/m3。在管道首站設(shè)有2個(gè)超聲波流量計(jì)，末站設(shè)有6個(gè)體積流量計(jì)，7個(gè)站都有壓力和溫度儀表。

4.2　建立管道仿真模型

根據(jù)管道企業(yè)提供的管道數(shù)據(jù)資料建立管道仿真模型，如圖9所示，對(duì)整個(gè)管線的接線、源點(diǎn)、分輸點(diǎn)和儀表進(jìn)行命名，然后輸入管道基本參數(shù)，并根據(jù)管道近2 a的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)所建模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖9　管道仿真模型界面Fig.9　Interface of simulation model of pipeline

4.3　測(cè)試方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的具體實(shí)施方案如圖10所示。

圖10　泄漏檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試方案Fig.10　Testing plan of leakage detection system

測(cè)試分成2組(現(xiàn)場(chǎng)組和系統(tǒng)組)同時(shí)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)組到達(dá)測(cè)試站場(chǎng)后對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行檢尺操作，確定油面高度，開(kāi)泄放閥，將管道內(nèi)一定量原油泄放至儲(chǔ)油罐，關(guān)閥后用檢尺測(cè)量原油泄放量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組在管道調(diào)度中心查看泄漏檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，記錄管道初始參數(shù)和運(yùn)行條件，嚴(yán)密監(jiān)視仿真系統(tǒng)運(yùn)行情況，觀察參數(shù)變化情況，并及時(shí)記錄泄漏報(bào)警時(shí)間、泄漏位置和泄漏量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.4　測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

共開(kāi)展6次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試后將2組測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總與比對(duì)，分析所建立的管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。表2是第1次測(cè)試記數(shù)據(jù)記錄情況。

表2　第1次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄

如表2所示，第1次測(cè)試中系統(tǒng)判斷測(cè)試時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)閥時(shí)間同步；現(xiàn)場(chǎng)組根據(jù)2次檢尺結(jié)果差值確定泄放原油量為4.05 m3，系統(tǒng)組根據(jù)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果確定泄漏量為4.16 m3；現(xiàn)場(chǎng)泄放點(diǎn)位于距首站143.2 km處，系統(tǒng)定位泄漏點(diǎn)位于距首站143.47 km處。

最后，將6次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)漏報(bào)、誤報(bào)記錄，最小泄漏檢出率為0.7%，泄漏量計(jì)算準(zhǔn)確率為94.42%，泄漏點(diǎn)定位精度為96.96%。

5　結(jié)論

1)基于VPL的輸油管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)由圖像界面、管道工作室和管道管理器組成，通過(guò)組態(tài)編輯器、圖像界面、管道工作室和SCADA 接口，基于實(shí)時(shí)模型開(kāi)展管道泄漏檢測(cè)與分析，不僅可實(shí)現(xiàn)管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)、報(bào)警和定位，而且能夠?qū)崿F(xiàn)管道泄漏量的定量計(jì)算。

2)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，基于VPL的輸油管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)總體性能良好，檢測(cè)精度、靈敏度較高，泄漏量計(jì)算準(zhǔn)確率較高，漏報(bào)、誤報(bào)率較低，具有良好的可靠性；能持續(xù)地檢測(cè)泄漏的發(fā)生，可以有效地檢測(cè)微小泄漏。

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