负压波管道泄漏监测技术的探讨及改进

赵 勇 蔡 立

〔国家石油天然气管网集团有限公司华中分公司 湖北武汉 430000〕

经过100多年的发展，石油输送方式已由较单一的公路运输发展成为包括空运、铁路、海运和管道在内的五大输送方式，形成五大输送系统。因为管道输送具有成本低、供给稳定、节能、安全等优点而被广泛应用于油气运输领域[1]。但是，随着管道服役年限的延长，由于腐蚀磨损等自然和人为因素，使管道泄漏时有发生。据统计，1986年以前修建的输油管线平均穿孔率为每年0.66次/km[2]。这些事故给管道的正常运行及人民生命财产安全和生态环境保护带来了严重威胁[3]。建立高效的管道泄漏监测系统，提升现有管道泄漏监测系统的准确性，对及时发现管道泄漏事故并快速精准定位，指导和开展泄漏事故的抢险工作，防止和减少因泄漏引起的次生灾害具有重要意义。

1 目前管道泄漏监测的主要方法

目前国内外使用的管道泄漏监测的主要方法有以下几种，分别为：流量平衡法、建模监测法和基于信号处理的监测方法，而这些方法都存在一定局限性(详见表1)，使用时要区别对待。在以上诸多的管道泄漏监测方法中，目前国内外研究和采用较多的是基于压力信号处理分析的负压波监测法。

表1 监测方法及其局限性

2 负压波泄漏监测法的原理、优点及局限性

负压波监测法具有定位准确、算法灵活、对硬件要求不高等优点，是目前国内外研究应用较多的对管道实时泄漏监测和定位的方法。

2.1 原理

当流体输送管道因人为、机械破坏、材料失效等原因发生泄漏时,管道内高压流体在内外压差作用下迅速流失,引起管道内该点的压力降低，介质在泄漏点和其相邻空间产生压差,使管道内的高压流体流向泄漏点的低压区域,引起与泄漏点相邻区域的流体质点减少和压力降低，产生负压波。由于流体传导作用,负压波能传播到数十公里外的远端，在管道两端安装压力传感器如能够捕捉到包含泄漏信息的瞬间负压波,就可以监测到泄漏的发生,并根据瞬间负压波到达管道两端的时间差进行泄漏点定位，见图1。

图1 负压波定位示意图

假设负压波在管道中的传播速度为v，管道上、下游压力传感器捕捉到负压波到达的时间差为△t,管道总长度为l,泄漏点距离上游压力变送器的距离为x,则有下列计算公式(1)和(2)：

(1)

解得

(2)

其中：x为泄漏点距上游站压力变送器的距离，m；

l为上下游站场站间距，m；

v为负压波传播速度，m/s；

△t为负压波传导至上下游站场的时间差，s。

2.2 负压波监测法的局限性

该项技术的分析方法对于突发性泄漏比较敏感，适合监测因人为破坏引起的泄漏。但对于缓慢的腐蚀渗漏并不十分敏感。对于一般输送石油的钢质管道而言，负压波传播速度约为1000～1200 m/s。由于其远远大于介质流速，从上面的公式中可以看出该方法对上下游传感器的响应时间有很高的要求，一旦有零点几秒的延迟，便可能产生几百米误差。同时，管道的长度也决定了信号会经历各种复杂的情况，各种电磁干扰会导致采集到的压力波信号带有大量噪声，如果不对噪音信号加以处理，则会导致大量的错误报警。因此，需要采用多种措施对负压波法进行改进，提升报警的准确性。

3 改进方法

3.1 负压波波速的确定

要准确确定泄漏点的位置，需要测定出不同工况下负压波的波速。在传统的常波速泄漏定位方法中,负压波在管道中传播的速度被视为常数,通常在1000～1200 m/s之间。但实际上负压波的传播速度取决于油品和管道的性质，可采用下面公式(3)计算不同工况下的负压波波速：

(3)

其中：v为管道内负压波的传播速度，m/s；

k为液体的体积弹性系数，Pa；

ρ为液体的密度，kg/m3；

E为管材的弹性模量，Pa；

D为管道直径，m；

e为管壁厚度，m；

c为与管道约束条件有关的修正系数。

式中，液体的体积弹性系数k与密度ρ随液体温度变化，可以通过查表后计算得出。

3.2 结合工况调整降低误报率

管道工况调整会产生相应的水力参数的改变(表2)，过滤掉各种工况调整所产生的过渡态信号，可最大程度降低误报率，提升报警的准确性。

表2 工况调整导致水力参数的变化趋势

该水力参数瞬态识别法的优点在于不需要建立复杂的管道水力模型,通过获取管道上下游的流量和压力等少数几个特征参数，结合PLC控制信号分析，便可进行各种工况的识别,可大大减少计算的工作量，响应时间快，降低了误报率。

3.3 负压波法耦合流量(体积)法

平衡状态下管道内的输入流量(体积)与输出流量(体积)始终相等。因此，在系统发出泄漏报警前，可对流量数据进行一次比对，来判断泄漏事故是否发生。当出现负压波变化，而流量无明显变化时，系统将不会发出报警，而是将事件记录为预警，通过后期监测，进一步确定事件类型。同时，若泄漏发生时，通过将前后流量差值对时间进行积分，可计算出管道内油品的泄漏量，以便后期评估经济损失。

3.4 系统时间校正

上下游站场工控机系统时间的统一对泄漏点定位准确性有重要作用。管道上下游两端采用计算机系统进行数据处理和分析等工作,即便两台规格相同的工控机放在一起运行数小时也会产生一秒至数秒钟的误差,系统时间不统一在所难免。因此,工控机系统时间要经常加以校正,一种简单的方法是用一端的系统时间去校正另一端的系统时间,这对两站点系统来说简单可行,每次校正时间,两台工控机便发生一次通讯。但对多站点系统来说,这就要求各站间定时通讯，会大大增加系统的通讯负荷。GPS系统自问世以来,己充分显示了其在导航、定位、授时领域的霸主地位[4]。随着该系统快速发展和广泛运用,利用其来对各站工控机的系统统一授时,可以很好地解决时间不一致的问题。

3.5 负压波法结合小波去噪分析法

管道的长度决定了负压波在传播过程中不可避免地会产生大量的噪声干扰，管道越长，噪声干扰越频繁。为此可以利用小波变换对噪声信号不敏感的特性以及其对信号突变的良好监测能力,准确提取压力信号突降的时刻来准确捕捉负压波信号。

该计算方法可以对管道压力信号进行预处理使其更具特征性。通过一定程度的伸缩平移计算和特征频率分析，分别对上下游压力信号进行不同尺度小波变换,然后对其高频部分进行平均,综合考虑上下游压力信号在相同频率下的小波变换模极大值,并与给定的阈值比较,判断管道是否发生了泄漏，降低了噪音干扰，成为继Fourier变换以来在科学判断方法上的重大突破。

4 结束语

以负压波监测技术作为理论基础建立起来的管道泄漏监测系统被广泛运用于生产实践中。它与多种方法结合使用能够有效地提升泄漏报警的时效性和准确性，降低误报率。随着科技发展的日新月异，以无人机技术和第五代移动通信技术等为代表的新兴科技会更多地运用于安全生产领域，这些都有待于更进一步的研究和探讨。