基于负压波原理的原油管道泄漏检测系统应用

陆地

(中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085)

石油天然气处理及外输过程中，管道是主要的输送方式之一。管道运输具有运输量大、受地形限制小、密闭安全、能耗少及运费低等优点[1]。但是在管道运行过程中，由于管道老化、地质条件变化以及第三方破坏等原因，管道泄漏事故经常发生，轻者造成停工停产、资源浪费、财产损失，重者造成环境污染，威胁人身安全[2]，对企业信誉造成损害。因而，及时发现并定位泄漏点、实时监测管道运行状况尤为重要。

某油田位于伊拉克东南部，现场环境恶劣，交通路网落后，加之战乱等不安全因素，人工巡线具有很大难度。为了准确地掌握管道的运行状况，及时处理管道出现的问题，减少管道事故造成的人身安全伤害、环境污染及经济损失等，在管道设计之初应考虑安装管道泄漏检测系统。

1 管道泄漏检测方法

油气管道泄漏检测方法主要分为内部检测法和外部检测法[3]。

内部检测方法是通过数据检测及采集系统，实时采集管道内的温度、压力、流量等状态参数，运用不同的分析理论进行管道泄漏的检测与定位。主要的方法有： 模型法、压力点分析法、压力梯度法、负压波法、声波法等。

外部检测方法是通过管道上或管道外的某些物理特性对管道进行检测和定位。主要的方法有： 外部巡视法、分布式线缆检测法、声发射检测法、示踪化合物检测法、遥感检测法等。

不同的管道需要根据实际情况应用多种方法进行管道泄漏检测，使得泄漏检测效果更快速、更精准、更可靠。

2 负压波原理

根据项目实际情况，综合考虑技术可实施性、经济性、应用经验等多方面因素，油田管道采用基于负压波原理的泄漏检测系统。当管道中发生泄漏时，管道压力将在泄漏位置突然下降，初始压降是由于流体不能立即响应泄漏而引起的。由于流体的连续性，管道中的流体速度不会立即发生改变，因而压力以较慢的速度下降，该压降通常被称为负压波。负压波以泄漏孔为中心的小半球开始，并且随着与管壁相互作用而改变形状，最终变成2个平面波： 以声速向管道上游传播；以声速向管道下游传播。负压波传播过程衰减较小，可以传播相当远的距离。

基于负压波原理的泄漏检测系统可以捕获和分析负压波，从而实现管道泄漏检测与定位。实现泄漏检测，关键是能从传感器中提取非常小的压力变化，并且过滤由于非泄漏原因引起的其他噪声，从而实现管道泄漏定位，其基本原理如图1所示。

图1 负压波泄漏检测原理示意

假设距S1检测点XV处发生泄漏，泄漏点所产生的负压波到S1检测点和S2检测点的时间分别为t1和t2，管道长度为L，负压波传播速度为v，介质流速为vf：

(1)

(2)

Δt=t1-t2

(3)

式中：XV——泄漏点距检测点S1的距离。

由式(4)可见，要实现泄漏精确定位，关键是准确捕捉负压波并计算到达管道两端检测点的时间差。

3 应 用

根据项目要求，从采油井场到管汇区的管线以及从管汇区到油田中心处理站的输油管线都要安装泄漏检测系统。管道泄漏检测系统最低要求见表1所列。

表1 管道泄漏检测系统最低要求

根据检测及定位要求，项目确定了管道泄漏检测系统结构，如图2所示。

图2 泄漏检测系统结构示意

系统主要由压力传感器、数据采集单元、服务器以及通信设备组成。在管道的入口和出口，分别安装2台高灵敏度的压力传感器，用于检测负压波。为了减少检测盲区，增加泄漏检测定位的精度，在管道出入口可以考虑安装流量仪表。同时在管道入口和出口分别安装1套数据采集单元，可以快速采集压力/流量数据，减少信号噪音，具有短期数据存储功能。

数据采集单元配备GPS接收装置，能够实现高精度的时钟同步，保证负压波采集时间基准的统一，提高泄漏检测与定位的准确度。数据采集单元将数据处理后通过以太网传输到泄漏检测系统服务器，服务器中安装泄漏检测系统软件，软件包含分析压力/流量数据的多种算法，该类算法的应用，大幅降低了误报警的几率。服务器收到所有数据后，泄漏检测系统软件将会分析这些数据，并检查负压波波阵面及其在整个管道中的传播情况。利用算法滤除噪声后，将真正的泄漏与正常运行引起的瞬态压力变化区分开来，同时产生1个时间、距离和压力的强度的三维图形。如果系统确认发生泄漏，将触发泄漏报警并计算泄漏位置、泄漏大小等泄漏信息，并将其显示在用户界面上，或通过OPC协议将其传输到SCADA系统，所有这些功能都由硬件和软件自动处理。

4 结 论

1) 基于负压波的泄漏检测系统，具有检测迅速、定位准确、误报警少、易于安装等优点。人机界面友好、分析图形丰富、报警与定位直观，有利于减少操作人员工作量，满足日常泄漏检测的要求。

2) 在对管道阀门进行设置时，偶有误报警发生，需要进一步研究改进泄漏检测系统，准确捕捉和正确分析负压波情况，针对不同管线配置不同的参数。

3) 不同检测原理的泄漏检测系统组合使用，使泄漏检测效果更加快速、准确、可靠，是未来关注的一个方向。

参考文献：

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