负压波法管线泄漏检测系统在长庆油田的应用改进研究

张鑫 艾信 任晓峰 刘元刚 李健

1西安长庆科技工程有限责任公司

2长庆油田分公司油气工艺研究院

对输油管道泄漏进行检测的目的在于及时准确地对泄漏事故的发生进行报告，并判断泄漏发生的程度，确定泄漏位置，在最大程度上减少环境污染和经济损失，降低事故隐患[1]。管道泄漏检测定位的方法一般可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法直接检测泄漏物，主要方法包括：光纤检漏法、声波检漏法、红外线检漏法等。间接检测法则是由计算机系统根据温度、压力、流量等物理参数的变化来判断是否有泄漏发生以及泄漏位置，主要方法包括：质量体积平衡法、输差分析法、压力梯度法、负压波法等[2]。

基于负压波法的泄漏检测方法是应用较为广泛的一种方法，其基本原理是：当管道上某处突然发生泄漏时，泄漏处的瞬态压力下降，压力下降将以波的形式以一定速度向管道两端传播，这个波被称之为“负压波”。在一定时间后，负压波分别传到上下游端，安装在上下游端的压力传感器采集到瞬态压力，对瞬态压力进行分析判断即可进行泄漏检测[3]。这种方法具有较好的灵敏度和准确度，成本相对较低，在国内的各级输油管道中得到了较为普遍的应用[4]。

实践证明，负压波检测法对明显的突发性泄漏的检测与定位具有比较好的效果，但受其原理所限，存在固有的不足，主要体现在以下几方面[5]：①对压力缓慢变化的小泄漏检测效果较差；②工况扰动频繁时管道误报较多；③基本只适用于单相流不可压缩液体管道。

1 应用存在的问题

受地面工艺流程和地形地貌的影响，长庆油田集输管线在应用传统的负压波泄漏检测法（下文简称“传统方法”）时存在以下问题：

（1）管线工况扰动多。由于采用了滚动开发的模式，长庆油田大量集输管线的上游站点液量小且来液不稳定，因此多采用间歇输油或输油泵变频调节输油的方法[6]。在这种情况下，传统方法存在以下两种误报警情况：①间歇输油时，输油泵需要频繁启停，当输油泵正常停机操作时，管线内压力骤降，此时泄漏检测误判为管线泄漏；②输油泵变频调节输油时，输油泵转速发生变化，泵的排量相应变化，流量输差随之变化，此时泄漏检测误判为管线泄漏。以上两种误报警严重影响了管线泄漏检测系统的运行效果。

（2）压力缓慢变化的小泄漏多。在实际运行中，大量管线泄漏的原因是采出液中含水率不断升高造成的管道内腐蚀穿孔，多体现为渗漏或刺漏的形式。这种缓慢泄漏泄漏量较小，短期内瞬时压力下降值极小，传统方法通过设定压力下降阈值去寻找压力拐点的方法应用效果不佳，存在漏报的情况。

（3）地势起伏造成管线不满管多。长庆油田位于鄂尔多斯盆地内，主要产油区地处黄土高原，属黄土高原水土流失区，受流水、重力、风力等作用，逐步形成了沟壑纵横、梁峁密布、地形支离破碎的复杂地貌[7]。在这种特殊地形下，部分五、六千米长的管线全线最大高程差达到三、四百米。地形起伏较大势必造成某些位置的管段充满程度较低，在这种情况下传统方法同样难以适用。

（4）管线数量过多成本压力大。尽管负压波管线泄漏检测法相对成本较低，但在长庆油田密布油区的集输管线上全部推广应用仍面临极大的投资成本压力。此外，即使实现了大规模推广应用，之后也将面临巨大的硬件设备维护工作量。

2 改进措施研究

为了解决传统方法在长庆油田原油集输管线应用时存在的上述问题，本文提出了几种针对性改进措施（表1）。

表1 存在的问题及改进措施Tab.1 Existing problems and improvement measures

2.1 应用事件分类法屏蔽泵况扰动

传统检测方法一般只读取首末站的压力和瞬时流量数据进行泄漏检测与定位，无法判断当前的输油状态[8]。为了应对频繁的工况干扰，改进后的检测方法从输油泵变频控制柜中读取输油泵电动机变频器的具体频率值，根据频率变化情况判断泵的运行状态。

将采集到的管线首末及中间高点等处的压力、流量数据和输油泵电动机频率数据进行综合分析，根据数据变化情况判定为不同类型的事件，实现管道泄漏检测。当频率保持稳定时，说明泵处于稳定运行状态，此时会在压力和输差异常时发出报警；当频率波动时，说明泵处于变频运行过程中或启泵停泵过程中，此时屏蔽报警，只提示泵状态，避免误报。根据数据的不同，可以划分为五类事件：启泵事件、停泵事件、调节频率事件、泄漏事件、泵故障事件。算法流程如图1所示。

图1 事件分类法流程示意图Fig.1 Flow diagram of event classification

2.2 应用压力梯度法检测压力变化率

为了解决缓慢泄漏的检测问题，改进后的检测方法不设定特定的压力检测阈值，而是寻找压力由平稳状态转为持续下降的趋势，实现对缓慢泄漏的检测。具体实现方法是：首先对现场采集到的管线起点、终点和中间高点等处的压力信号按等时间间隔进行分段，求取每段压力信号的最大值、最小值以及均值；随后，利用前一段数据的最大值与后一段数据最小值求差，得到压力分段差序列；最后，如果管道发生泄漏，压力会持续下降，压力分段差序列必然存在极值，当各压力信号的压力分段差同时存在极值且该极值在同一分段位置时，可判断管道存在异常。算法流程如图2所示。

2.3 对不满管流管线进行多点压力检测

传统方法只在管线的首、末端各安装一个压力变送器，当管道内出现不满管流时，管线内工况复杂、噪声干扰大，负压波的传播会受限，造成首、末端压力传感器接收不到负压波信号[9]。

改进后的检测方法提出在管线的特定位置，如管线的高点前后，加装无线压力仪表。压力信号可以通过LoRa（Low Power Long Range低功耗远距离）或LTE（Long Term Evolution长期演进）等通信方式传输到首末站的硬件上。实现多点压力检测后，由于管线中间压力变送器的引入，大大降低了不满管对负压波传播的限制，增加了泄漏时检测到负压波的可能。

图2 压力梯度检测法流程示意图Fig.2 Flow diagram of pressure gradient detection method

2.4 简化硬件设计降低成本

传统方法的系统结构如图3所示。上下游的压力变送器、流量计、站内PLC等设备均属于管线和站点配套建设内容，信号采集装置是泄漏检测系统的专用设备。信号采集装置多采用独立RTU，实现数据采集、通信和GPS对时等功能。信号采集装置负责将压力（或流量）变送器的电流信号（4～20 mA）转换为数字信号，并通过以太网或串口等通信方式传送到监控系统的主计算机，还接收GPS时钟的同步信号，实现上下游数据包的严格时间同步。

图3 传统方法系统结构图Fig.3 System structure diagram of traditional method

本文提出一种改进措施，即检测系统的软件直接通过Modbus for TCP/IP协议从PLC的相应寄存器中读取压力、流量、外输泵变频器频率等信号，不设单独的信号采集装置。

使用数据采集装置的好处是可以提供高达100 Hz的采样频率，但在长庆油田实际应用中，由于泄漏量通常较小，压力变化缓慢，过高的采样频率并无意义。直接从PLC读取数据后，数据的采集频率等同于PLC的数据采集频率，视PLC型号而定，一般为10 Hz，完全可以满足泄漏检测的需要。上下游PLC通过服务器进行时间同步，统一对数据打时标。改进后系统结构如图4所示。

图4 改进后的系统结构图Fig.4 System structure diagram of improved method

简化硬件设计改进前后对比见表2。

改进后，泄漏检测系统仅需要在主计算机上安装一套软件便可实现部署，几乎没有额外的硬件维护工作量，为泄漏检测系统的大规模推广应用提供了可能。

3 现场测试效果

为了验证改进措施的有效性，在某管线进行了5组共10次放油测试，以验收各项改进措施的有效性。该管线长度为6.15 km，测试时管道瞬时输量Q为11 m3/h。放油点1位于相对低点，距离上游1.7 km，放油点2位于相对高点，距离上游3.5 km。在高点附近加装了无线压力变送器。测试结果如表3所示。

测试结果显示：

表2 简化硬件设计改进前后对比Tab.2 Comparison before and after hardware design simplified

表3 不同试验条件下的方法改进前后报警结果对比Tab.3 Comparison of alarm results before and after improvement with different test conditions

（1）改进后的事件分类识别方法可以有效屏蔽启停泵和泵变频运行造成的误报警。

（2）改进后的压力梯度检测法可以检测到1.0%Q泄漏量的泄漏，原有检测法只能检测到大于2.0%Q泄漏量的泄漏。

（3）多点压力检测可以改善检测效果。

4 结束语

本文对长庆油田应用的负压波法管线泄漏检测系统提出了四项改进措施：①应用事件分类法屏蔽泵况扰动；②应用压力梯度检测法检测压力变化率；③对不满管流管线进行多点压力检测；④简化泄漏检测系统的硬件设计。现场试验证明改进措施有效可行，提高了负压波泄漏检测法在长庆油田集输管线的应用效果。简化了信号采集装置后，泄漏检测系统的硬件成本和后期维护工作量大幅度减少，为进一步大规模推广创造了便利条件。