输油管道泄漏监测系统的使用评价及改进

刘璐(国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司，江西 南昌 330003)

0 引言

九-樟成品油管道，全长226km，密闭输送92#、95#、0#车柴三种油品，全线共有九江首站、南昌中间站和樟树末站三座输油站场，其中九江—南昌站间距离129.6km，管径φ355.6×7.1mm；南昌—樟树站间距离96.4km，管径φ323.9×6.4mm。现采用SCADA系统和独立的管道泄漏监控系统进行生产运行数据的监控和操作。

1 九-樟成品油管道泄漏监测系统现状

1.1 监测原理及系统组成

九-樟成品油管道于2010年10月投入使用泄漏监测系统，采用单一负压波法监测技术。报警原理为当管段出现泄漏后，泄漏点处因存在物质损失而引发压力突降，形成负压波[1]。由于管壁具有波导现象，将负压波向上、下游传递。因此，可利用上、下游两个压力传感器之间的距离、负压波获取时间差和压力波速等数据来确定泄漏点，见计算公式(1)：

式中：X为上游压力传感器至泄漏点间的距离(m)；L为上、下游两个压力传感器间的距离(m)；Δt为上、下游两个压力传感器负压波获取的时间差(s)；ν为介质中的压力波速(m/s)。

另外，为减少现场电磁干扰和输油泵压力脉动干扰等因素的影响，对采集到的压力波信号采用多尺度小波变换方式进行去噪，以提高泄漏点定位精度。

现有的泄漏监测系统包括上位机、下位机两个部分。其中，上位机为数据监控分析系统，具备压力监控、数据分析、报警和历史查询等功能。下位机为数据采集器，将采集到的进、出站压力信号传给上位机。九-樟管道泄漏监测系统结构如图1所示。

图1 九-樟管道泄漏监测系统结构图

1.2 现有泄漏监测系统使用评价

以API 1155《Evaluation Methodology for Software Based Leak Detection Systems》为依据，结合实际应用情况，从可靠性、灵敏度、准确性3个方面对现有的泄漏监测系统进行使用评价。

可靠性是指泄漏监测系统对管段泄漏情况的监测能力，主要表现为泄漏报警率和误报警频次。其中，泄漏报警率是指系统提示报警的次数占实际总泄漏次数的百分比。误报警频次是指一个评价周期内各监测管段的平均误报警次数[2]。在实际应用中，泄漏报警率越高、误报警频次越少，则系统可靠性越好。

灵敏度是指泄漏监测系统能监测到的最小泄漏量和对泄漏作出报警的响应时间。可监测的最小泄漏量数值越小，响应时间越短，灵敏度越好。

准确性是指泄漏监测系统提供报警信息内容的准确程度，包括泄漏定位、泄漏损失量、泄漏流速等信息的精准情况。

现有的泄漏监测系统自投用以来，共发生过2次真实泄漏，均能作出报警提示，因此泄漏报警率为100%。以1个月为测试周期，2020年1月九江—南昌段、南昌—樟树段分别发生误报警68次和61次，其中明确非工艺操作、油头运行等因素引起的误报警19次。经统计，该系统平均每月每段误报警次数约60次，其中因工况调整、压力波动和其他原因导致的误报警比率分别约占40%、45%和15%。

通过在停输状态下，操作快开球阀模拟突发泄漏，发现现有的泄漏监测系统可监测到的最小泄漏量约2.6m3/h，系统响应时间约75～120s。

因现有泄漏监测系统的报警信息主要是泄漏点定位，因此，准确性评价以系统泄漏点定位精准情况为评价依据。以管道真实泄漏情况为例，泄漏点报警定位与实际位置偏差约1.7km。

综上分析，现有的泄漏监测系统自运行以来，对所有真实的泄漏情况均可作出报警提示，其最小监测泄漏量约占该管段设计输量的0.8%，报警响应时间约在1～2min以内，但误报警次数较多、泄漏定位精度偏差较大，存在进一步改进提升的空间，如表1所示。

表1 现有泄漏监测系统评价结果

1.3 现有泄漏监测系统分析

通过对现有泄漏监测系统的可靠性、灵敏度和准确性的综合评价，可知采用单一负压波法的管道泄漏监测系统主要适用于突发性、大量泄漏的情况，如要对小流量泄漏等起到监测作用，就必须降低系统压力报警阈值，但成品油管道因泵阀操作、调压、减阻剂作用、油头运行和管段高程差等原因引起的压力波动和震荡情况较多，如降低压力报警阈值，将直接导致误报警频次的增加。

对泄漏定位偏差较大的主要原因，一是因为九-樟成品油管道采取的是不同品种油品顺序输送操作，同一管段内可能存在多段黏度、密度、温度均不相同的油品区，因此负压波的波速变化范围较大。以九江-南昌管段为例，油品密度范围在720～840kg/m3时，其压力波速范围大概在1155～1245m3/s，如泄漏点与测压点相距50km，单因压力波速变化，就可能会产生4.5km左右的误差。二是受输油泵压力脉动、电磁干扰、仪表漂移等影响，会给负压波信号叠加大量噪声，影响系统信号特征点(即压力拐点)的准确提取，从而影响定位精度。

2 管道泄漏监测系统改进方案

2.1 监测方法的改进

为降低误报警频次，设计将现有的泄漏监测系统由单一负压波监测方法改为负压波和流量平衡相结合的监测方法。

流量平衡法是基于同一管段内流入和流出的流体体积平衡原理。根据流体力学，泄漏点处上、下两端的压力值均下降，上游段流量增加，下游段流量减小。通过对管段两端的流量实时监测，当管段实际流入和流出体积量的差异在一定时间间隔内超过报警阈值时就判断为泄漏[3]。流量平衡法虽不能直接定位泄漏点，但具备对缓慢泄漏的监测能力，能对泄漏量进行估算，并可对负压波法中站场邻近区域的监测盲区进行补充，可有效帮助操作人员判断因工况调整、压力波动等引起的误报警。

如图2所示，改进设计后的泄漏监测系统将根据以下标准作出报警提示：

(1)当流量信号超过报警阈值，压力信号未超过报警阈值时，系统提示泄漏报警，提醒操作人员注意排查有无小流量泄漏；

(2)当流量信号、压力信号同时超过报警阈值时，系统提示泄漏报警，进行泄漏点定位和泄漏量计算；

图2 泄漏报警方式

(3)当流量信号未超过报警阈值而压力信号超过报警阈值时，系统提示工况变化。

2.2 压力波速计算方法调整

为提高定位精度，计划从SCADA系统中引入密度和油品批次信息，将现有的泄漏监测系统由单一油品波速计算方式改为混合油品波速计算方式。在实际使用中，应根据实测值对负压波波速计算值进行反复修正[4]。

混合油品波速计算公式(2)：

式中：c为A种油品的占比浓度；ρa为A种油品20℃时的标密(kg/m3)；ρb为B种油品20℃时的标密(kg/m3)；Ka为A种油品的体积弹性系数(Pa)；Kb为B种油品的体积弹性系数(Pa)；D为管道平均直径(m)；E为管材的弹性模量(N/m²)；δ为管壁的厚度(m)；Ψ为管道结构系数；v为在流体中的压力波速(m/s)。

2.3 系统构成

考虑到在营管道改造困难及节约成本等方面的因素，此次改进设计不再另外增加泄漏监测专用仪表，而是通过OPC通信方式从SCADA系统中获取流量、密度等数据。

OPC是指用于过程控制的OLE，是以Micosoft的OLE、COM(组件对象模型)和DCOM(分布式组件对象模型)为基础的一种通信协议，可为工业控制领域中不同厂家软、硬件之间的数据访问提供一种统一机制[5]。

现有的九-樟成品油管道SCADA系统PLC采用RSLink作为通讯软件，可显示站控PLC系统中的各结点状态和网络结构。RSLink支持OPC服务器功能，通过配置标准的OPC接口可为远程和本地端客户提供数据交换服务[6]。因此，现有的泄漏监测系统如图3所示，在无需另外增加硬件的情况下，即可对RSLink所建立的OPC服务器进行访问，以获取密度、流量等数据信息。

图3 改进泄漏监测系统结构图

3 结语

由于成品油介质的特殊性，其输油管道一旦发生泄漏将威胁公众安全，带来人员伤亡、财产损失、环境污染和不良社会影响等严重后果，而泄漏监测系统可帮助操作人员及时发现泄漏情况，降低安全、环境风险，减少财产损失。但因为部分成品油管道建设时期较早，其泄漏监测系统存在采集数据种类较少、泄漏判断方式单一、系统参数设置不完善等不足，导致存在泄漏监测盲区、误报警多、泄漏点定位不精准等问题。通过OPC通信协议可在不改变现有系统结构和不增配新仪表的情况下，将站控PLC中采集到的数据信息传输至泄漏监测系统，为提高泄漏监测系统的可靠性、灵敏度和准确性提供了一种实现方式。