宋志俊，馬永明，章瑋，何泓嶼

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠（陜西延安 716000）

2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二輸油處（陜西西安 710021）

隨著管道技術(shù)的快速發(fā)展，管道運(yùn)輸已成為世界第五大運(yùn)輸工具[1]。基于原油易燃、易爆的特性，采用管道輸送是目前較為經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)輸方式。安塞油田位于黃土高原，處于濕陷性地質(zhì)環(huán)境，雨季容易出現(xiàn)滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，引發(fā)管道泄漏造成經(jīng)濟(jì)損失、污染環(huán)境甚至可能造成人員傷亡。管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的作用就是實(shí)時(shí)檢測(cè)管道運(yùn)行工況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道事故、立即進(jìn)行應(yīng)急處置并快速維修和恢復(fù)生產(chǎn)，起到減小損失、減輕環(huán)境破壞和避免人員傷亡的作用。

1 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)原理

輸油管道的運(yùn)行參數(shù)有壓力、流量、溫度等，管道泄漏后這些參數(shù)發(fā)生變化。泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理是基于檢測(cè)輸油管道這幾個(gè)參數(shù)變化確認(rèn)管道運(yùn)行情況，管道泄漏后參數(shù)變化有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①管道的運(yùn)行壓力降低；②輸出流量和收入流量差出現(xiàn)變化；③輸出站點(diǎn)的流量上升，接收站點(diǎn)流量下降。

1.1 負(fù)壓波檢測(cè)技術(shù)

管道泄漏時(shí)，流體迅速流失，泄漏點(diǎn)壓力迅速下降，產(chǎn)生負(fù)壓波，負(fù)壓波以聲波的速度向管道兩端傳播，通過壓力傳感器檢測(cè)到壓力下降[2]，由于負(fù)壓波到達(dá)管道兩端的時(shí)間不同，通過時(shí)間差和管道長(zhǎng)度，計(jì)算得到泄漏點(diǎn)的位置。

1.2 流量平衡法檢測(cè)技術(shù)

流量平衡法通過檢測(cè)首站、末站壓力、流量的變化來判斷管道是否泄漏。管道泄漏后管道首站和末站有流量差，首站大于末站，管道首站壓力下降、流量上升，末站流量降低，壓力降低。通過首末站壓力檢測(cè)儀器、流量檢測(cè)儀器，對(duì)管道參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上述參數(shù)出現(xiàn)“三降一升”的情況，可判斷管道泄漏，但不能確定泄漏位置，需要人工排查。

2 問題和改進(jìn)方法

2.1 應(yīng)用情況

安塞油田起初使用罐車?yán)停?0世紀(jì)90年代初逐步施行管道輸油的模式，使用2 h 首末站核對(duì)一次輸油流量的方法監(jiān)控管道運(yùn)行情況。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展、環(huán)保觀念的增強(qiáng)，逐步采用多種管道泄漏檢測(cè)技術(shù)，主要包括：2002 年引進(jìn)負(fù)壓波實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)技術(shù)對(duì)管徑大、輸量大和里程長(zhǎng)的輸油管道運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；2010 年依托數(shù)字化油田的建設(shè)，對(duì)所有輸油管道采用流量平衡泄漏檢測(cè)技術(shù)，目前泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況如表1所示。

表1 泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況

2.2 存在的問題

1）泄漏檢出率低。油田地形特殊，管道翻山、跨溝的情況多，如X輸油管道海拔變化比較明顯，呈波浪狀[3]，輸油過程中會(huì)出現(xiàn)不滿流、真空，抑制負(fù)壓波的傳遞，導(dǎo)致泄漏檢出率低。X 輸油管道從2010年至今泄漏3次，其中檢測(cè)系統(tǒng)檢出泄漏1次。

2）定位精度低。輸油管道翻越多個(gè)山頂，流體在管道中流速并不穩(wěn)定，以及管道內(nèi)真空影響負(fù)壓波的傳輸速度，傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間和理論時(shí)間有誤差，定位不準(zhǔn)確，一般定位誤差在1 km，個(gè)別區(qū)域達(dá)到3 km。

3）誤報(bào)率高。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用初期（2015年），誤報(bào)次數(shù)多達(dá)3.35 次/d，主要有3個(gè)原因：①當(dāng)管道啟輸和停輸時(shí)出現(xiàn)參數(shù)變化，檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)成管道泄漏進(jìn)行報(bào)警提示；②離心泵輸油過程中儲(chǔ)罐液位降低、調(diào)整輸油量時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)認(rèn)為泄漏進(jìn)行報(bào)警；③泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和傳感器老化，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)有誤，造成誤報(bào)。

2.3 改進(jìn)方法

2.3.1 分段檢測(cè)負(fù)壓波

2019 年在管道途經(jīng)的山頂翻越點(diǎn)安裝PLC、壓力傳感器、溫度傳感器，通過縮短負(fù)壓波的傳輸距離，分段檢測(cè)負(fù)壓波，降低不滿管流對(duì)負(fù)壓波傳輸?shù)挠绊懀s短負(fù)壓波傳輸時(shí)間，提高定位精度。以Z輸油管道為例，安裝4個(gè)壓力傳感器，平均間隔為3 km。

2.3.2 建立輸油管道運(yùn)行參數(shù)模型

輸油管道運(yùn)行過程中需要進(jìn)行停輸、提輸量等操作，會(huì)引起輸油管道運(yùn)行參數(shù)的變化。通過記錄各類輸油操作參數(shù)變化，總結(jié)參數(shù)曲線變化特征，并與管道泄漏參數(shù)曲線對(duì)比，2018年建立輸油操作的參數(shù)模型和泄漏的參數(shù)曲線變化模型，以此模型為依據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)軟件系統(tǒng)，提升檢測(cè)的精確度，降低誤報(bào)率。重點(diǎn)模型參數(shù)變化見表2，模型曲線變化如圖1所示。

表2 管道運(yùn)行模型參數(shù)變化情況

圖1 管道運(yùn)行模型曲線

2.3.3 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2017 年輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在首站安裝工作站，升級(jí)泄漏報(bào)警軟件，通過局域網(wǎng)將儀表檢測(cè)壓力、流量等數(shù)據(jù)傳輸至工作站進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)流量報(bào)警、壓力定位的泄漏檢測(cè)功能，在軟件設(shè)計(jì)上，通過編程自動(dòng)對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，降低了泄漏后人工選點(diǎn)定位帶來的誤差[4]。同時(shí)在上下游更換同型號(hào)流量計(jì)，安裝精度較高的壓力、流量和溫度傳感器，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_度[5-6]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)終端采集油氣管道的運(yùn)行參數(shù)以及管道泄漏彈性波的信號(hào)數(shù)據(jù),配合數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)將信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，工作站對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由監(jiān)控人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了管道→傳感器→工作站→顯示器→人之間的相互聯(lián)系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)，也就是傳感器精度、工作站處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的完整度。

3 應(yīng)用效果

安塞油田采用負(fù)壓波+流量平衡法檢測(cè)大口徑、長(zhǎng)距離、大輸量的輸油管道，流量平衡法檢測(cè)口徑小、距離短的集油管道。2019年現(xiàn)場(chǎng)模擬泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)，取得了較好的檢測(cè)效果。①泄漏檢出率得到提高。通過在不同位置放油，進(jìn)行模擬管道泄漏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模擬泄漏試驗(yàn)6 次，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)泄漏報(bào)警4 次，未報(bào)警的2次，均是泄漏量低于1 m3/h，通過模擬放油泄漏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于泄漏量大于1 m3/h的泄漏，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)檢出率可以達(dá)到100%，具體模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示；②泄漏位置的定位精度提高，通過模擬泄漏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放油位置和泄漏檢測(cè)系統(tǒng)顯示泄漏位置，誤差低于100 m；③輸油管道參數(shù)模型的應(yīng)用，過濾了正常操作時(shí)參數(shù)變化的報(bào)警，管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行1年的誤報(bào)頻次低于30次；④系統(tǒng)直接對(duì)泄漏位置定位，并彈出窗口提示地理信息，不需要人工操作。

表3 泄漏模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過上述技術(shù)改進(jìn)，安塞油田管道泄漏檢測(cè)的準(zhǔn)確性和定位的精確性都得到很大的提升。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為管道的安全運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障：①傳感器的精確度，即測(cè)量設(shè)備對(duì)泄漏后的參數(shù)變化更加靈敏，特別是管道的泄漏量小和測(cè)量設(shè)備的精度誤差，兩者作用下，對(duì)流量小于1 m3/h的微小泄漏無法檢出的難題，隨著測(cè)量設(shè)備和傳感器精度進(jìn)一步的提高，得以解決；②對(duì)管道運(yùn)行仿真模型的發(fā)展逐漸細(xì)化和計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展，工作站通過對(duì)傳感器采集的壓力、流量、溫度等各種信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，剔除了一些無用的數(shù)據(jù)，將管道泄漏的正確數(shù)據(jù)經(jīng)過收集和處理，避免出現(xiàn)誤報(bào)、未檢出等情況，同時(shí)更進(jìn)一步地提升定位精度。