一种基于负压波法和输差检漏法相耦合的原油管道泄漏检测系统

朱益飞

(中国石化胜利油田分公司孤东采油厂,东营 257237)



一种基于负压波法和输差检漏法相耦合的原油管道泄漏检测系统

朱益飞

(中国石化胜利油田分公司孤东采油厂,东营 257237)

开展油气管道在线泄漏技术研究与应用，对提高油气管道安全生产运行质量，降低安全风险，维护油气管道安全正常运行具有十分重要的作用。文中介绍了一种基于负压波法和输差检漏法相耦合的原油管道泄漏检测系统的构成、工作原理、功能特点和现场应用效果。实践证明，该系统运行可靠准确，应用效果好，具有良好的推广应用价值。

负压波法；输差检漏法；耦合；管道泄漏；检测系统

0 引言

目前，我国油气输送管道总里程已突破10万公里，随着国家经济发展和油气需求量的增长，预计到2020年油气输送管道总里程将达到20万公里，基本实现全国骨干线联网。管道输送具有占地少、损耗少、成本低、输量大、快捷方便等优点，但也存在着因外部干扰、腐蚀、管材和施工质量等原因发生失效事故，导致管道泄漏污染环境、爆炸等事故。据统计，造成我国油气管道事故的主要原因是人为因素导致的意外事故和恶意的打孔盗油(气)，高达40%，随后依次是管道腐蚀、管材质量、施工质量和突发性自然灾害[1-2]。因此，开展油气管道在线泄漏技术研究与应用，对提高油气管道安全生产运行质量，降低安全风险，维护油气管道安全正常运行具有十分重要的作用。现介绍一种基于负压波法和输差检漏法相耦合的原油管道泄漏检测系统。

1 检测系统构成

该系统主要由压力、温度和流量等现场信号采集、信号前置电路、信号转换电路、全球定位校时系统(GPS)、高速无线网络通讯系统和计算机检测数据处理系统等部分组成。图1为系统信号流程框图。

图1 系统信号流程框图

1.1 现场信号采集

现场温度、压力信号通过高准确度温度、压力传感器，以4～20mA标准模拟信号传送到信号数据采集卡电路，流量脉冲信号通过磁电式脉冲信号发讯器传送到信号数据采集卡电路。

1.2 信号前置电路

信号前置电路就是将现场采集的信号数据进行放大、滤波、降噪等处理，然后将采集信号送入计算机中的采集卡。

1.3 信号转换电路

信号转换功能由采集卡完成，采集卡采用12位AD转换器，转换时间10μs，采集速率高达50次/秒以上。为提高采集信号抗干扰能力，采集卡采用光电隔离技术，使被测信号与计算机之间实现光电隔离，并且具有较高的输入阻抗和共模抑制比，同时配置了DC/DC隔离电源模块，具有很强的抗干扰能力，能够充分还原现场信号。

1.4 全球定位校时系统

该系统由一套卫星天线和GPS智能卡组成，可以准确无误地将多个数据采集处理系统的系统时钟同步起来，首末两站的数据采集为同一个时间。

1.5 高速无线网络通讯系统

无线网络通讯系统采用高速无线以太网。该通讯系统是一套稳定、准确、可靠的高速无线网络通讯系统。它具有发射功率小、传输远、传输速率高、抗干扰能力强等优点，可以实现联网多媒体信息的自动、高速、双向传输，系统自诊断及故障状态下的自动处理等功能[3]

1.6 计算机检测数据处理系统

计算机检测数据处理系统主要有高可靠性的工业控制计算机和监控系统软件两部分组成。计算机检测数据处理软件主要包括系统功能设定模块、数据采集模块、数据处理模块、单机拐点判断模块、网络同步检验以及数据发送模块、拐点计算与输差耦合模块和报警数据处理模块等部分组成。图2为系统软件流程图。

图2 系统软件流程图

系统功能设定模块：为用户提供一个CGI接口，完成一些可以由用户设定的功能，如：曲线量程、时间范围、曲线标识、打印等；用户可以进行报警数据列表查询，对报警时的压力、流量、输差历史曲线进行回顾、打印等操作。

数据采集模块：系统将经过硬件转换电路转换以后的数字信号采集到软件模块里。

数据处理模块：该模块具有对采集到的数据进行处理的功能，并且完成历史、实时曲线的显示。

单机拐点判断模块：该模块通过实时数据与设定阀值的初步比较，判断压力曲线变化趋势来设置拐点标志。

网络同步检验以及数据发送模块：该模块主要是读取GPS卡检验、设定的时间，并进一步将本地时间转换为服务器时间，精确地保证同时采集到的多个站的数据是同一时间的，然后对一组数据加入帧头、帧尾并传送数据。

拐点计算与输差耦合模块：由于接收到的数据是多个点的数据，所以模块要进行拐点计算，当确定发生压力异常时，再采用输差耦合，进一步判断分析处理，减少误报率，提高可靠性。

报警数据处理模块：接到耦合判断的报警标志后，对本次的报警数据进行排序、保存；自动记录每次泄漏时的曲线特性，以区别站内卸油台卸油、站内倒阀门调排量等其它非泄漏时压力波动的曲线特性，逐步形成一个逼近真正的泄漏曲线数据库。并且同时可以提供声光报警，监控系统自动弹出报警画面、显示报警数据并打印报警曲线等，以提示值班人员及时做出处理。

2 工作原理

负压波法和输差检漏法相耦合的原油管道泄漏检测系统是在采用负压波法进行管道泄漏检测的基础上，每当发现管道压力拐点时，再用管道输差检漏法进行验证，看是否存在耦合现象，若出现耦合再做进一步分析处理。其工作流程是，原油外输管道的首端和末端分别安装压力、温度和流量检测计量仪表，对现场信号进行采集，通过计算机数据处理模块对现场检测数据进行分析，并将实时检测数据通过高速无线网络通讯系统传输到整个管道监控系统的控制中心，将接收到的数据实时分析处理，根据处理结果，系统及时做出报警处理。

负压波法原油管道泄漏检测工作原理：当管道某点突然发生泄漏时，在泄漏点会产生一个压降，并同时产生一个负压波向原油管道首末两端传递，导致首末两端的压力下降。通过精确监测负压波传递到两端的时间差，就可以判断出发生负压波的具体地点[4-5]。所采用的计算公式为：

l=(L-ΔTV)/2

式中：l为原油外输管道全长，km；L为泄漏点距离起始端的距离，km；ΔT为压力拐点时间差，s；V为压力波波速，m/s。

该检测方法很容易受到外部信号的干扰，如泵站启泵、停泵、流量阀门调节、泵站倒工艺倒流程等许多原因都可以导致原油外输管道压力拐点的产生，这也是采用单一负压波法检测原油管道泄漏误报率高的主要原因。

而输差检漏法主要是根据油气储运理论中油气管道的输入量之和等于管道的输出量之和的原理。但实际上，原油外输管道进出口瞬时流量一般情况下是不平衡的，造成不平衡的主要原因有三个方面：一是流体有微小的可压缩性，在大口径长距离运行的情况下，管道沿线压力变化对流体的体积计算产生影响；二是温度对流体体积的影响十分明显，管道两端的温差会导致两端流量出现一定的差别；三是不同的流量计自身存在一定的计量误差。在一定的管道压力和温度条件下，产生一定的稳定输差是正常合理的，但若出现输差突然大幅度上升，则可断定原油外输管道出现腐蚀穿孔或者发生原油外输管道打孔盗油现象。事实证明，该方法具有较高的准确可靠性，基本消除了误报现象，同时，还可以及时计算出原油外输管道原油泄漏时间和准确漏失量。

3 系统功能特点

3.1 系统功能

1)原油管道实时监控功能

该系统对原油外输管道进行实时监控，可以使操作员及时掌握原油外输生产状况，有效防止原油外输管道超压泄漏等安全事故的发生，提高原油外输管道安全生产能力。

2)生产参数实时检测显示功能

该系统可以原油外输管道首端、末端管道运行压力、流量、输差等生产运行参数实时检测和显示，还可显示生产运行参数历史曲线，曲线的时间范围与幅值、着色等标识可以由用户自行设定。

3)管道运行生产报表生成与打印功能

可以及时自动生成原油外输管道生产数据班报表、日报表、月报表，统计每日的原油管道输油量、每小时输差、管道首末端运行压力以及盘库数据等生产数据，并具有报表打印功能，提高了原油外输管道的生产管理自动化水平。

4)管道泄漏定位功能

在原油外输管道发生泄漏时，系统可以在40s之内做出反应，可以迅速计算确定泄漏点位置，同时准确实时计算出泄漏点产生的漏失量。

5)管道泄漏报警功能

当外输管道发生泄漏时，检测系统迅速做出反应，在管道首端、末端两个泄漏监控室同时发出声光报警，监控系统自动弹出报警画面，显示当前报警的几项重要数据(如管道发生泄漏始末时间、时间差、原油管道输差、离监控室距离等)，同时，可打印和保存报警数据。

3.2 系统特点

1)计量检测准确度高。系统用的压力、流量、温度等现场计量检测仪表和传感器件均为高准确度计量仪表，计量准确度均达到0.05%。

2)系统自动化程度高。该系统实现了原油外输管道生产运行参数实时跟踪检测，系统运行自动化程度高。

3)误报率低，准确可靠性高。系统采用负压波法和输差检漏法相耦合的办法进行分析，即只有在压力拐点、输差增大同时出现的情况下，才做进一步的分析处理，采用耦合分析判断法，大大地减少了系统误报率，系统运行的准确可靠性高。

4)系统运行软件功能齐全，操作简单方便。系统运行软件具有现场数据采集与处理、网络传输、界面显示、报警处理、数据库管理、数据分析和系统功能设定等模块化处理功能，系统运行软件功能齐全，操作简单方便。

5)管道生产预警和报警效果好。系统有效地提高了原油外输管道生产运行实时监控管理水平，可以随时掌握原油外输管道运行压力、温度、流量，避免造成原油外输管道运行压力超压或排量过低等现象，给安全生产起到及时预警和报警作用。同时，可以及时发现管道因腐蚀穿孔造成原油泄漏事故，减少环境污染，提高安全生产能力。

6)有利于及时打击原油外输管道打孔盗油行为。一旦发生打孔盗油行为，系统能迅速确定原油外输管道打孔盗油点，同时发出声光报警，便于线路管理人员及时达到现场，及时有效地打击不法分子原油外输管道打孔盗油行为。

4 现场应用效果

该系统已于2010年成功应用于胜利油田孤东采油厂原油外输管道泄漏检测上，该管道全长30km，管道直径529mm，管道起始压力0.7MPa，原油外输温度62℃，管道末端0.15MPa，原油收油温度35℃，日管道输油能力10000m3，管道原油正常输差1～1.5L/s。多年来，管道原油打孔盗油事件时有发生，最大的一起为300m3原油被盗，既造成原油损失，又造成原油泄漏点环境污染。而此前采用单一负压波法实施原油管道泄漏检测工作，其误报率相当高，无法开展正常检测，起不到有效报警作用。应用该系统后，基本消除了误报警，且可以在40s内检测到30L左右的泄漏量并及时发生报警信号，及时发现管道腐蚀穿孔泄漏、管道打孔盗油现象，避免原油损失和因管道原油泄漏造成的环境污染及其它次生事故。同时，实现了原油外输管道生产运行状态的实时检测，随时掌握原油外输管道运行压力、温度、流量等生产运行参数，提高了企业安全生产和事故预防能力。

5 结束语

加强油气管道泄漏检测技术研究与应用，有效预防油气管道泄漏事故的发生，确保油气管道运行安全是一项十分重要的工作。采用一种基于负压波法和输差检漏法相耦合的原油管道泄漏检测系统比单一采用负压波法或者是采用输差检漏法相比，大大地提高了管道泄漏检测的准确性和及时有效性，减少了管道腐蚀穿孔泄漏和管道打孔盗油事故的发生，实现了原油外输管道运行的实时自动监测，提高了管道的安全生产预警能力。

[1] 朱益飞.运用先进监控技术确保油气管道安全[J].安全、健康和环境,2010，10(9):2-4

[2] 朱益飞.GPRS无线数据传输网络系统在油田生产中的应用[J].电气时代,2010，30(1)：106-107

[3] 朱益飞.水流量远传自动监控装置的研制与应用[J].计量技术,2008(1)：60-62

[4] 郑志受,李春龙,田文举.管道泄漏在线监测系统的研制[J].计量技术,2009(10)：13-16

[5] 瞿曌，邓居祁，朱建林.基于无线局域网的输送管道泄漏实时检测系统的研究[J].电气应用，2005，24(1):116-120

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.10