石油管道監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

卓飛

（新疆三葉管道技術(shù)有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊830026）

1 石油管道監(jiān)測系統(tǒng)概述

石油管道監(jiān)測技術(shù)在國外得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家立法要求管道必須采取有效的監(jiān)測系統(tǒng)。一般地，管道監(jiān)測方法有3類，包括生物法、硬件法、軟件法。

1）生物法 石油管道的生物監(jiān)測方法是一種傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，主要是利用用人或經(jīng)過訓(xùn)練的動物沿管線行走查看管道附近的異常情況、聞管道中釋放出的氣味、聽聲音等。這種方法的優(yōu)點是直接準(zhǔn)確，缺點是實時性差，耗費大量的人力。

2）硬件法 石油管道的硬件監(jiān)測方法主要有直觀監(jiān)測器、聲學(xué)監(jiān)測器、氣體監(jiān)測器、壓力監(jiān)測器等。①直觀監(jiān)測器是指利用溫度傳感器測定泄漏處的溫度變化。例如，用沿管道鋪設(shè)的多傳感器電纜等。②聲學(xué)監(jiān)測器是指當(dāng)泄漏發(fā)生時流體流出管道會發(fā)出聲音，聲波按照管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)決定的速度傳播，聲音監(jiān)測器檢測出這種波而發(fā)現(xiàn)泄漏。③氣體監(jiān)測器是指使用便攜式氣體采樣器沿管道行走，對泄漏的氣體進(jìn)行檢測。

3）軟件法 石油管道軟件監(jiān)測方法是指利用軟件系統(tǒng)提供的流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，通過流量或壓力變化、質(zhì)量或體積平衡、動力模型和壓力點分析軟件的方法檢測泄漏。發(fā)達(dá)國家非常重視輸油管道的安全運行，管道泄漏監(jiān)測技術(shù)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用，有的監(jiān)測系統(tǒng)還提供先進(jìn)的圖形識別功能。

目前國內(nèi)油田長距離石油管道大多數(shù)沒有安裝監(jiān)測系統(tǒng)，主要靠人工沿管線巡視，管線運行數(shù)據(jù)靠人工讀取，這種情況對管道的安全運行十分不利。國內(nèi)石油管道監(jiān)測技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，但近幾年才真正取得突破，并在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。國內(nèi)在這一方面進(jìn)行研究的大學(xué)或機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)自動化系、天津大學(xué)精密儀器學(xué)院、北京大學(xué)、石油大學(xué)等。

2 石油管道監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計

石油管道監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括3方面：管道泄漏監(jiān)測功能；管道變形監(jiān)測功能；管道視頻監(jiān)測功能。

2.1 管道泄漏監(jiān)測功能

管道泄漏監(jiān)測功能要求有2個方面：1）監(jiān)測管道是否泄漏，2）要求精確定位泄漏地點。監(jiān)測石油管道是否泄漏的方法主要有2種：直接法和間接法。

在《文件控制程序》中規(guī)定，構(gòu)成本實驗室管理體系的所有文件包括內(nèi)部文件和外部文件，將所內(nèi)行政公文歸屬于內(nèi)部文件。明確指出：所內(nèi)行政公文主要指限期使用或一次性執(zhí)行的臨時性所內(nèi)發(fā)文，界定了所內(nèi)行政公文的發(fā)文情形，將長期執(zhí)行、已將規(guī)定固化的所內(nèi)公文轉(zhuǎn)化成內(nèi)部管理體系文件。將行政要求作為管理手冊的一個獨立章節(jié)，包括行政管理、財務(wù)管理和科研管理，從而解決了文件和公文兩套體系并存的問題，有利于文件的執(zhí)行。

1）直接法 直接法是指利用預(yù)置在管道外的檢測元件直接測出泄漏介質(zhì)，這種監(jiān)測元件一般包括檢漏線纜或油敏感元件，這種方法可以檢測到微小的滲漏，并能定位，要求在管道建設(shè)時與管道同時安裝。

2）間接法 間接法是指通過檢測管道運行參數(shù)的變化推斷出泄漏的發(fā)生，例如檢測壓力、流量等，這種方法的靈敏度不如直接方法高，有較大泄漏時較明顯，可在管道建成后不影響生產(chǎn)的情況下安裝，并可不斷升級。

2.2 管道變形監(jiān)測功能

管道變形監(jiān)測功能就是監(jiān)測石油管道是否產(chǎn)生形變。引起管道變形的主要原因有地質(zhì)災(zāi)害、人為破壞、氣溫變換等。管道變形的表現(xiàn)形式包括：1）管道的軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變增加，從而影響管道的縱向強(qiáng)度；2）管道存在嚴(yán)重的環(huán)向缺陷和附加拉伸應(yīng)變時，管道可能發(fā)生拉伸斷裂；3）管道存在附加壓縮應(yīng)變時，則可能發(fā)生屈曲破壞。

國內(nèi)外眾多研究表明，管道變形問題如果不能實時掌控，其后果可能是災(zāi)難性的，嚴(yán)重的可以使管道泄漏或斷裂，進(jìn)而對人身安全構(gòu)成威脅或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生長期的不良影響。實時了解和掌握地質(zhì)災(zāi)害對管道影響的程度和發(fā)展趨勢，并據(jù)此制定相應(yīng)的工程處理措施和應(yīng)急預(yù)案，保證管道的完整性，是石油、天然氣管道長期安全、經(jīng)濟(jì)運行的必要環(huán)節(jié)。

2.3 管道視頻監(jiān)測功能

管道視頻監(jiān)測功能是指采用無線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控中心實時監(jiān)控功能，監(jiān)測管道的實時狀況：一方面及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，起到預(yù)防各種情況的作用；另一方面當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時，系統(tǒng)能將現(xiàn)場圖像實時傳回監(jiān)控中心，為遠(yuǎn)程指揮調(diào)度提供有力的保障，最大限度地減小各種情況造成的損失。

石油管道監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 石油管道監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Functions structure of oil pipelines monitoring system

3 石油管道監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

石油管道監(jiān)測系統(tǒng)是結(jié)合了以往的一些監(jiān)測方法而研發(fā)的一種可靠的比較容易操作的新型的管道監(jiān)控系統(tǒng)。主要有精確定位和智能化監(jiān)測。

1）泄漏地點的精確定位 系統(tǒng)對管道運行狀況進(jìn)行分類識別，迅速準(zhǔn)確預(yù)報出管道運行情況，檢測管道運行故障，具有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力，且能適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場。

2）智能化監(jiān)測 系統(tǒng)建立一個詳盡的知識庫，知識庫中記錄了泄漏和各種狀況信息，對每種工作狀況提取若干特征點，這些特征點準(zhǔn)確記錄了相關(guān)信息，當(dāng)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)將狀況與知識庫中的原始狀況進(jìn)行對比，從而確定當(dāng)前是否存在潛在問題。

3.2 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括服務(wù)器（主控系統(tǒng)）、客戶終端、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器。其中，服務(wù)器（主控系統(tǒng)）進(jìn)行監(jiān)控中心的指揮控制；客戶終端接受主控系統(tǒng)的調(diào)控，完成主控系統(tǒng)分配的任務(wù)；通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息的傳輸；傳感器接收管道傳來的信號。硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 石油管道監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware system overall diagram of oil pipelines monitoring system

3.3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模塊、監(jiān)測與定位模塊、通信接口模塊、人機(jī)界面模塊和客戶端模塊。

1）數(shù)據(jù)采集模塊 主機(jī)上運行，負(fù)責(zé)與傳感器通信，收集采集到的諸多數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模塊 在主機(jī)上運行，負(fù)責(zé)對所有的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報警信息進(jìn)行管理和保存。

3）監(jiān)測與定位模塊 在主機(jī)上運行，對每段管線提供實時、全自動和不間斷的監(jiān)測與定位計算。

4）通信接口模塊 在主機(jī)上運行，實現(xiàn)主計算機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

5）人機(jī)界面 包括總貌畫面、實時畫面、歷史趨勢畫面和報警畫面等主要畫面。

6）客戶端模塊 供用戶查看系統(tǒng)狀態(tài)，監(jiān)測管線的界面系統(tǒng)。

3.4 系統(tǒng)界面設(shè)計

系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面、報警界面、報警記錄、運行日志。

1）系統(tǒng)主界面 顯示首末端的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，首末端壓力、壓力差、流量、流量差、溫度、溫度差。

2）報警界面 系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，若有故障發(fā)生時，系統(tǒng)會自動報警、計算故障位置。

3）報警記錄 在發(fā)生故障的同時，系統(tǒng)將對各重要的參數(shù)進(jìn)行記錄，便于工作人員隨時查看。

4）運行日志 記錄系統(tǒng)啟動和退出時間、通信信息、以及輸油工況的調(diào)整等，系統(tǒng)在監(jiān)測過程中會自動識別出站內(nèi)的工藝調(diào)整，然后存入日志。

4 結(jié)束語

石油管道監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的反應(yīng)速度，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動的監(jiān)測報警與定位。特別是出現(xiàn)問題后，可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)自動切換至事發(fā)地點，同時發(fā)送信息給相關(guān)負(fù)責(zé)人，可以根據(jù)短信回復(fù)對管網(wǎng)做出調(diào)整，也可以設(shè)定為系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題后按照應(yīng)急預(yù)案自動處理。系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)故障，迅速采取措施，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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