劉璐(國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華中分公司，江西 南昌 330003)

0 引言

九-樟成品油管道，全長(zhǎng)226km，密閉輸送92#、95#、0#車(chē)柴三種油品，全線共有九江首站、南昌中間站和樟樹(shù)末站三座輸油站場(chǎng)，其中九江—南昌站間距離129.6km，管徑φ355.6×7.1mm；南昌—樟樹(shù)站間距離96.4km，管徑φ323.9×6.4mm。現(xiàn)采用SCADA系統(tǒng)和獨(dú)立的管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和操作。

1 九-樟成品油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 監(jiān)測(cè)原理及系統(tǒng)組成

九-樟成品油管道于2010年10月投入使用泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用單一負(fù)壓波法監(jiān)測(cè)技術(shù)。報(bào)警原理為當(dāng)管段出現(xiàn)泄漏后，泄漏點(diǎn)處因存在物質(zhì)損失而引發(fā)壓力突降，形成負(fù)壓波[1]。由于管壁具有波導(dǎo)現(xiàn)象，將負(fù)壓波向上、下游傳遞。因此，可利用上、下游兩個(gè)壓力傳感器之間的距離、負(fù)壓波獲取時(shí)間差和壓力波速等數(shù)據(jù)來(lái)確定泄漏點(diǎn)，見(jiàn)計(jì)算公式(1)：

式中：X為上游壓力傳感器至泄漏點(diǎn)間的距離(m)；L為上、下游兩個(gè)壓力傳感器間的距離(m)；Δt為上、下游兩個(gè)壓力傳感器負(fù)壓波獲取的時(shí)間差(s)；ν為介質(zhì)中的壓力波速(m/s)。

另外，為減少現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾和輸油泵壓力脈動(dòng)干擾等因素的影響，對(duì)采集到的壓力波信號(hào)采用多尺度小波變換方式進(jìn)行去噪，以提高泄漏點(diǎn)定位精度。

現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括上位機(jī)、下位機(jī)兩個(gè)部分。其中，上位機(jī)為數(shù)據(jù)監(jiān)控分析系統(tǒng)，具備壓力監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警和歷史查詢等功能。下位機(jī)為數(shù)據(jù)采集器，將采集到的進(jìn)、出站壓力信號(hào)傳給上位機(jī)。九-樟管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 九-樟管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 現(xiàn)有泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用評(píng)價(jià)

以API 1155《Evaluation Methodology for Software Based Leak Detection Systems》為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，從可靠性、靈敏度、準(zhǔn)確性3個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行使用評(píng)價(jià)。

可靠性是指泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)管段泄漏情況的監(jiān)測(cè)能力，主要表現(xiàn)為泄漏報(bào)警率和誤報(bào)警頻次。其中，泄漏報(bào)警率是指系統(tǒng)提示報(bào)警的次數(shù)占實(shí)際總泄漏次數(shù)的百分比。誤報(bào)警頻次是指一個(gè)評(píng)價(jià)周期內(nèi)各監(jiān)測(cè)管段的平均誤報(bào)警次數(shù)[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，泄漏報(bào)警率越高、誤報(bào)警頻次越少，則系統(tǒng)可靠性越好。

靈敏度是指泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到的最小泄漏量和對(duì)泄漏作出報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間?？杀O(jiān)測(cè)的最小泄漏量數(shù)值越小，響應(yīng)時(shí)間越短，靈敏度越好。

準(zhǔn)確性是指泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供報(bào)警信息內(nèi)容的準(zhǔn)確程度，包括泄漏定位、泄漏損失量、泄漏流速等信息的精準(zhǔn)情況。

現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自投用以來(lái)，共發(fā)生過(guò)2次真實(shí)泄漏，均能作出報(bào)警提示，因此泄漏報(bào)警率為100%。以1個(gè)月為測(cè)試周期，2020年1月九江—南昌段、南昌—樟樹(shù)段分別發(fā)生誤報(bào)警68次和61次，其中明確非工藝操作、油頭運(yùn)行等因素引起的誤報(bào)警19次。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)平均每月每段誤報(bào)警次數(shù)約60次，其中因工況調(diào)整、壓力波動(dòng)和其他原因?qū)е碌恼`報(bào)警比率分別約占40%、45%和15%。

通過(guò)在停輸狀態(tài)下，操作快開(kāi)球閥模擬突發(fā)泄漏，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)到的最小泄漏量約2.6m3/h，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約75～120s。

因現(xiàn)有泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警信息主要是泄漏點(diǎn)定位，因此，準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)以系統(tǒng)泄漏點(diǎn)定位精準(zhǔn)情況為評(píng)價(jià)依據(jù)。以管道真實(shí)泄漏情況為例，泄漏點(diǎn)報(bào)警定位與實(shí)際位置偏差約1.7km。

綜上分析，現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)，對(duì)所有真實(shí)的泄漏情況均可作出報(bào)警提示，其最小監(jiān)測(cè)泄漏量約占該管段設(shè)計(jì)輸量的0.8%，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間約在1～2min以內(nèi)，但誤報(bào)警次數(shù)較多、泄漏定位精度偏差較大，存在進(jìn)一步改進(jìn)提升的空間，如表1所示。

表1 現(xiàn)有泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

1.3 現(xiàn)有泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和準(zhǔn)確性的綜合評(píng)價(jià)，可知采用單一負(fù)壓波法的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要適用于突發(fā)性、大量泄漏的情況，如要對(duì)小流量泄漏等起到監(jiān)測(cè)作用，就必須降低系統(tǒng)壓力報(bào)警閾值，但成品油管道因泵閥操作、調(diào)壓、減阻劑作用、油頭運(yùn)行和管段高程差等原因引起的壓力波動(dòng)和震蕩情況較多，如降低壓力報(bào)警閾值，將直接導(dǎo)致誤報(bào)警頻次的增加。

對(duì)泄漏定位偏差較大的主要原因，一是因?yàn)榫?樟成品油管道采取的是不同品種油品順序輸送操作，同一管段內(nèi)可能存在多段黏度、密度、溫度均不相同的油品區(qū)，因此負(fù)壓波的波速變化范圍較大。以九江-南昌管段為例，油品密度范圍在720～840kg/m3時(shí)，其壓力波速范圍大概在1155～1245m3/s，如泄漏點(diǎn)與測(cè)壓點(diǎn)相距50km，單因壓力波速變化，就可能會(huì)產(chǎn)生4.5km左右的誤差。二是受輸油泵壓力脈動(dòng)、電磁干擾、儀表漂移等影響，會(huì)給負(fù)壓波信號(hào)疊加大量噪聲，影響系統(tǒng)信號(hào)特征點(diǎn)(即壓力拐點(diǎn))的準(zhǔn)確提取，從而影響定位精度。

2 管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)方案

2.1 監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)

為降低誤報(bào)警頻次，設(shè)計(jì)將現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由單一負(fù)壓波監(jiān)測(cè)方法改為負(fù)壓波和流量平衡相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法。

流量平衡法是基于同一管段內(nèi)流入和流出的流體體積平衡原理。根據(jù)流體力學(xué)，泄漏點(diǎn)處上、下兩端的壓力值均下降，上游段流量增加，下游段流量減小。通過(guò)對(duì)管段兩端的流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)管段實(shí)際流入和流出體積量的差異在一定時(shí)間間隔內(nèi)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)就判斷為泄漏[3]。流量平衡法雖不能直接定位泄漏點(diǎn)，但具備對(duì)緩慢泄漏的監(jiān)測(cè)能力，能對(duì)泄漏量進(jìn)行估算，并可對(duì)負(fù)壓波法中站場(chǎng)鄰近區(qū)域的監(jiān)測(cè)盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充，可有效幫助操作人員判斷因工況調(diào)整、壓力波動(dòng)等引起的誤報(bào)警。

如圖2所示，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)作出報(bào)警提示：

(1)當(dāng)流量信號(hào)超過(guò)報(bào)警閾值，壓力信號(hào)未超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)提示泄漏報(bào)警，提醒操作人員注意排查有無(wú)小流量泄漏；

(2)當(dāng)流量信號(hào)、壓力信號(hào)同時(shí)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)提示泄漏報(bào)警，進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位和泄漏量計(jì)算；

圖2 泄漏報(bào)警方式

(3)當(dāng)流量信號(hào)未超過(guò)報(bào)警閾值而壓力信號(hào)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)提示工況變化。

2.2 壓力波速計(jì)算方法調(diào)整

為提高定位精度，計(jì)劃從SCADA系統(tǒng)中引入密度和油品批次信息，將現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由單一油品波速計(jì)算方式改為混合油品波速計(jì)算方式。在實(shí)際使用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)值對(duì)負(fù)壓波波速計(jì)算值進(jìn)行反復(fù)修正[4]。

混合油品波速計(jì)算公式(2)：

式中：c為A種油品的占比濃度；ρa(bǔ)為A種油品20℃時(shí)的標(biāo)密(kg/m3)；ρb為B種油品20℃時(shí)的標(biāo)密(kg/m3)；Ka為A種油品的體積彈性系數(shù)(Pa)；Kb為B種油品的體積彈性系數(shù)(Pa)；D為管道平均直徑(m)；E為管材的彈性模量(N/m2)；δ為管壁的厚度(m)；Ψ為管道結(jié)構(gòu)系數(shù)；v為在流體中的壓力波速(m/s)。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到在營(yíng)管道改造困難及節(jié)約成本等方面的因素，此次改進(jìn)設(shè)計(jì)不再另外增加泄漏監(jiān)測(cè)專(zhuān)用儀表，而是通過(guò)OPC通信方式從SCADA系統(tǒng)中獲取流量、密度等數(shù)據(jù)。

OPC是指用于過(guò)程控制的OLE，是以Micosoft的OLE、COM(組件對(duì)象模型)和DCOM(分布式組件對(duì)象模型)為基礎(chǔ)的一種通信協(xié)議，可為工業(yè)控制領(lǐng)域中不同廠家軟、硬件之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供一種統(tǒng)一機(jī)制[5]。

現(xiàn)有的九-樟成品油管道SCADA系統(tǒng)PLC采用RSLink作為通訊軟件，可顯示站控PLC系統(tǒng)中的各結(jié)點(diǎn)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。RSLink支持OPC服務(wù)器功能，通過(guò)配置標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口可為遠(yuǎn)程和本地端客戶提供數(shù)據(jù)交換服務(wù)[6]。因此，現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，在無(wú)需另外增加硬件的情況下，即可對(duì)RSLink所建立的OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，以獲取密度、流量等數(shù)據(jù)信息。

圖3 改進(jìn)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語(yǔ)

由于成品油介質(zhì)的特殊性，其輸油管道一旦發(fā)生泄漏將威脅公眾安全，帶來(lái)人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染和不良社會(huì)影響等嚴(yán)重后果，而泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可幫助操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況，降低安全、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，減少財(cái)產(chǎn)損失。但因?yàn)椴糠殖善酚凸艿澜ㄔO(shè)時(shí)期較早，其泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在采集數(shù)據(jù)種類(lèi)較少、泄漏判斷方式單一、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不完善等不足，導(dǎo)致存在泄漏監(jiān)測(cè)盲區(qū)、誤報(bào)警多、泄漏點(diǎn)定位不精準(zhǔn)等問(wèn)題。通過(guò)OPC通信協(xié)議可在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不增配新儀表的情況下，將站控PLC中采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為提高泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和準(zhǔn)確性提供了一種實(shí)現(xiàn)方式。