基于SCADA的輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

練浩云

惠州市大亞灣華德石化有限公司，廣東惠州 516081

基于SCADA的輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

練浩云

惠州市大亞灣華德石化有限公司，廣東惠州 516081

目前很多輸油管道的控制系統(tǒng)已采用SCADA 系統(tǒng)，不可避免的腐蝕、磨損等自然或人為原因?qū)е鹿艿佬孤╊l發(fā)，管道的泄漏不僅造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且還會造成對環(huán)境的污染。因此，應(yīng)用管道泄漏監(jiān)測技術(shù)來提高輸油管道的管理水平，在有泄漏時能立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置以幫助維搶修。本文探討了在已有SCADA的基礎(chǔ)上建設(shè)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的方法、檢漏原理及提高檢漏可靠性、精度的建議。

輸油管道；SCADA；泄漏監(jiān)測；PIPELEAK 軟件

0 引言

惠州市大亞灣華德石化有限公司“馬——廣”輸油管道始于大亞灣馬鞭州首站，末站止于廣州石化末站，管道全長178.3km，管徑φ610mm ，1997年建成投產(chǎn)，投產(chǎn)最初只建有馬鞭州和廣州石化末站，為提高輸油能力，2005年、2006年先后分別增建南邊灶油庫和圓洲中間站，遠(yuǎn)期規(guī)劃在距離南邊灶油庫40.2km處增加新圩站，調(diào)度中心設(shè)在南邊灶油庫，各站建設(shè)時同時建設(shè)有SCADA系統(tǒng)作為輸油管線的控制系統(tǒng)，各站距離如圖1所示。

圖1 各站距離圖

由于建設(shè)輸油管線只有馬鞭洲首站與南邊灶油庫隨管線敷設(shè)有通訊光纜，其余各站間未敷設(shè)通訊光纜，2009年12月前僅實(shí)現(xiàn)南邊灶油庫與馬鞭洲首站SCADA通信，其余各站間不能互相通信，各站SCADA只作為站控系統(tǒng)使用，調(diào)度中心不能實(shí)時監(jiān)控全線各站輸油狀況。隨著輸油量的增加，從1997年700萬t/年增加至2009年1 100萬t/年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展大亞灣至廣州輸油管線沿途開發(fā)力度不斷加大，加上輸油管道材質(zhì)的老化、腐蝕等，不可避免的自然或人為原因可能會導(dǎo)致管道泄漏，管道的泄漏不僅造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且還會造成對環(huán)境的污染，因此應(yīng)用先進(jìn)、成熟的管道泄漏監(jiān)測技術(shù)來提高輸油管道的管理水平，在有泄漏時能立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置以幫助維搶修顯得日趨迫切。為了能充分利用現(xiàn)有資源以節(jié)省投資和最大限度地減小對輸油生產(chǎn)的影響，在現(xiàn)有SCADA的基礎(chǔ)上建設(shè)已有成功應(yīng)用案例的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是最佳方案。

1 已有SCADA簡介

圖2 馬鞭洲首站SCADA拓?fù)鋱D

各站SCADA的硬件PLC產(chǎn)品都采用AB，馬鞭洲首站1996建設(shè)的一期SCADA采用PLC為PLC5/40系列產(chǎn)品，2004年進(jìn)行過擴(kuò)容采用的PLC為ControlLogix系列，南邊灶油庫、園州中間站、廣州石化末站的PLC都采用ControlLogix系列產(chǎn)品，各站SCADA拓?fù)鋱D如圖2所示。

2 各站SCADA通信

可采用的無線通信方式主要包括：超短波(230MHz) 無線數(shù)傳電臺、微波、擴(kuò)頻、衛(wèi)星通信、GSM 數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)等[1]，其中衛(wèi)星通信由于通信費(fèi)用昂貴，只在一些特殊的領(lǐng)域下使用，未得以普及，而微波通信技術(shù)、擴(kuò)頻通信技術(shù)雖然速率高，但只能在視距范圍內(nèi)傳輸，應(yīng)用也受到限制。

若在已建設(shè)好的“馬——廣”輸油管道隨管道重新敷設(shè)通訊光纜，工程、投資較大且施工周期較長，敷設(shè)好通訊光纜后，日后使用中需自主維護(hù)。

另一種較經(jīng)濟(jì)且快捷的通信方式是租用中國電信的線路，目前中國電信可租用的電路有DDN、幀中繼和MSTP電路等，從傳輸帶寬、通信穩(wěn)定性、安全性、運(yùn)營成本、后續(xù)業(yè)務(wù)擴(kuò)展及可行性等因素綜合考慮，最終選定租用中國電信2M的MSTP電路，同時當(dāng)管段距離較長時，為了達(dá)到更好的效果，需要在管線的某個點(diǎn)上加上一個測壓點(diǎn)會取得更加準(zhǔn)確的泄漏定位精度，故在預(yù)留的新圩站增加壓力測量點(diǎn)，在新圩站內(nèi)建設(shè)一個閥室，裝一個RTU采集現(xiàn)場壓力數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 通信系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

為保證通信的可靠性，南邊灶油庫與每個站的通信線路都用2路2M的MSTP冗余電路。南邊灶油庫的路由器采用的是思科2821，園洲站、新圩站和廣州石化末站的路由器采用的是思科1841，每個站對應(yīng)2路2M的MSTP冗余電路各有2臺，一主一備構(gòu)成冗余，當(dāng)主電路或主路由器發(fā)生故障時，自動切換至備用電路或備用路由器。

各站的PLC通過以太網(wǎng)模塊1756-ENBT接到各站的交換機(jī)上，各站的PLC通過以太網(wǎng)模塊1756-ENBT互相通信[2]。

3 檢漏系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)PLC通信

檢漏軟件使用是PipeLeak3.1，PipeLeak3.1首先通過與SCADA系統(tǒng)的接口由管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得管道實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，再進(jìn)行信號的預(yù)處理（包括：數(shù)據(jù)解包、數(shù)據(jù)有效性判斷、信號的整形處理等），進(jìn)而送到泄漏檢測核心模塊進(jìn)行仿真定位計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果和報(bào)警信息可以在檢漏計(jì)算機(jī)上顯示。管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體性質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)文件是PIPELEAK建立和維護(hù)管道檢漏仿真模型的內(nèi)部數(shù)據(jù)文件，用于管道泄漏檢測計(jì)算及相關(guān)的輔助計(jì)算。PIPELEAK根據(jù)泄漏檢測要求建立管道仿真模型，進(jìn)而進(jìn)行流量平衡檢測，動態(tài)跟蹤顯示管道的運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)布泄漏報(bào)警。

PipeLeak3.1通過National Instruments的NI OPC Servers可方便地與AB PLC通信，NI OPC Servers通信原理框圖如圖4所示[3]。

圖4 NI OPC Servers與SCADA系統(tǒng)通信原理框圖

4 泄漏監(jiān)測、定位原理[4]

PIPELEAK主要采用以下3種方式進(jìn)行泄漏檢測和定位。

4.1 質(zhì)量守恒泄漏報(bào)警

根據(jù)管道介質(zhì)流動質(zhì)量守恒原理，綜合考慮管壁、介質(zhì)密度、允許誤差限、泄漏檢測靈敏度和可靠性等影響因素，根據(jù)管道端點(diǎn)所采集的流量、壓力和溫度數(shù)據(jù)，確定管段內(nèi)是否有介質(zhì)泄漏。要正確地判斷管道的運(yùn)行狀態(tài)（正?；蛐孤?，必須要進(jìn)行復(fù)雜的隨機(jī)分析和的大量的計(jì)算，并給出判斷的可靠性。進(jìn)行下述處理：

1）泄漏量計(jì)算；

2）誤差分析；

3）最大容許管道儲量變化；

4）分類錯誤概率及狀態(tài)分類的可靠性；

5）泄漏狀態(tài)報(bào)警域及報(bào)警限。

4.2 波敏法泄漏定位

當(dāng)管道中發(fā)生泄漏時，泄漏所產(chǎn)生的擾動總是沿管道向兩個端點(diǎn)傳播，當(dāng)該過程傳播到管道端點(diǎn)時，即將在管道的兩個端點(diǎn)產(chǎn)生影響，使其運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化。隨著泄漏發(fā)生位置的不同，管道端點(diǎn)的響應(yīng)時間也不同。根據(jù)所測量到的管道泄漏擾動波首次傳播到兩個端點(diǎn)的時刻和時間差，即可由壓力波向下游和上游傳播的速度計(jì)算出管道中泄漏的位置。其數(shù)學(xué)模型可按如圖5建立。但由于各管線的工況參數(shù)的不同及輸送的介質(zhì)的不同，壓力波的傳遞速度及衰減也不盡相同，要想準(zhǔn)確可靠的報(bào)警定位還進(jìn)行必要的修正。

圖5 泄漏壓力波數(shù)學(xué)模型

通過記錄到泄漏壓力波的各種首達(dá)時，可根據(jù)該首達(dá)時的時間差

?T，計(jì)算出泄漏的位置x0和發(fā)生的時間：

由此誤差產(chǎn)生的管道泄漏定位誤差為：

其中：v是管中流體流速，a是管中波動速度，L 是管道長度。

經(jīng)實(shí)際測算，馬鞭洲首站至南邊灶油庫的a=1 258.6m/s，南邊灶油庫至新圩閥室的a=1 094.6m/s，新圩閥室至園州中間站的a=1 088.3m/s，園州中間站至廣州石化末站的a=1 099.4m/s。

檢漏數(shù)據(jù)的刷新頻率為每秒鐘10次，這樣在理論上可達(dá)到定位精度小于±50m。

該管道泄漏檢測方法需進(jìn)行下述處理：

1）判斷和識別管道泄漏擾動波首次傳播到兩個端點(diǎn)的時刻和時間差；

2）計(jì)算管道中壓力波的傳播速度；

3）計(jì)算流體的流速；

4）計(jì)算管道中泄漏的位置。

波敏法泄漏定位采用壓力降、小波濾波、αβγ濾波的方式確定壓力變化的準(zhǔn)確時間，消除外界撓動產(chǎn)生的干擾。

綜上所述，當(dāng)首末兩站間某一點(diǎn)發(fā)生泄漏時必將引起上下游兩站壓力的下降，其幅度與泄漏速度有關(guān)，泄漏越快壓力下降越大，反之相同，通過監(jiān)視記錄兩站的壓力變化情況就可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。但是，當(dāng)首末站出現(xiàn)人工操作調(diào)節(jié)泵及閥門等操作，也會出現(xiàn)報(bào)警，但有壓力報(bào)警不一定表示有泄漏（即泄漏不是壓力下降的充分必要條件）。而管線泄漏必然會引起輸差增大，并具有突然性即泄漏是突然輸差增大的充分必要條件，運(yùn)用此方法時，必須基于SCADA系統(tǒng)和綜合運(yùn)用其它的檢漏方法，檢漏系統(tǒng)才能正確做出判斷。

4.3 動態(tài)方程定位

實(shí)際管線的運(yùn)行往往是一動態(tài)變化過程，可以用一個動態(tài)系統(tǒng)來描述。隨著泄漏位置、大小的不同，泄漏對這一動態(tài)變化過程的影響各異，該動態(tài)系統(tǒng)在邊界點(diǎn)（即管道端點(diǎn)）運(yùn)行參數(shù)的響應(yīng)也不一樣。本方法從管道實(shí)際運(yùn)行動態(tài)規(guī)律出發(fā)，考慮泄漏的影響，根據(jù)管道端點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)，建立管道泄漏檢測系統(tǒng)模型及方法，判定管道中是否存在泄漏及其位置和大小，原理圖如圖6 所示。

圖6 檢漏系統(tǒng)原理圖

該泄漏檢測器具有下列特點(diǎn)：

1）該泄漏檢測器基于管道動態(tài)觀測器和狀態(tài)偏離的相關(guān)性，檢測器的計(jì)算簡單；

2）由于是根據(jù)狀態(tài)偏離相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)確定泄漏的位置，能夠有效的濾除噪聲的影響，對小泄漏量的反應(yīng)靈敏度高；

3）由于引入管道流體穩(wěn)定流動時的泄漏位置計(jì)算公式，應(yīng)用適用性降低。但實(shí)際應(yīng)用表明，該檢測器對變化劇烈的瞬變流同樣具有良好的檢測效果；

4）儀表測量誤差、零點(diǎn)漂移等外部干擾可通過設(shè)置報(bào)警限來消除。

5 各站增裝的儀表設(shè)備

1）在馬鞭洲首站出站、南邊灶油庫進(jìn)出站、園州中間站進(jìn)出站、廣州石化末站進(jìn)站管道上各安裝一個外貼式超聲波流量計(jì)GE XMT868i用于測量管道的瞬時流量，測量范圍3.0m3/h～5 000m3/h，精度等級為0.2級；

2）為保證壓力的可靠性和精度，在馬鞭洲首站出站、南邊灶油庫進(jìn)出站、新圩閥室、園州中間站進(jìn)出站、廣州石化末站進(jìn)站每點(diǎn)各安裝3個壓力表，對3個壓力表進(jìn)行邏輯判斷，3表之間的讀數(shù)將通過各表間讀數(shù)差（5%）、各表狀態(tài)等信號進(jìn)行3選2篩選得出有效信號，篩選結(jié)果求平均后得出壓力值提供給檢漏軟件；

3）在南邊灶油庫加裝一個GPS時鐘，各站的PLC與GPS時鐘同步以精確計(jì)算壓力波的時間差。

6 試驗(yàn)應(yīng)用

表1 “馬-廣”輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)試驗(yàn)記錄表

為獲取實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，校驗(yàn)各參數(shù)，驗(yàn)證定位方法的可行性及準(zhǔn)確度，驗(yàn)證各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（技術(shù)指標(biāo)見表1），通過在園洲站內(nèi)主管段上的泄壓閥往泄壓罐內(nèi)放油，模擬管線泄漏情況。通過園洲中間進(jìn)站流量和廣州石化末站進(jìn)站流量來檢測這一管段泄漏的發(fā)生，通過園洲中間站進(jìn)站壓力和廣州石化末站進(jìn)站壓力來進(jìn)行泄漏定位，進(jìn)行了4次模擬試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1。

從以上4次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，泄漏量從1 580m3/h～80m3/h，泄漏百分比從1%～5.6%，系統(tǒng)都能檢測到泄漏并發(fā)出報(bào)警，報(bào)警時間最長111s，最短67s，每次試驗(yàn)定位誤差精度均小于500m，精度較好，誤差范圍滿足技術(shù)指標(biāo)，從定位的結(jié)果來看，每次的定位值一致性較好，其它指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)。

通過對采集到的現(xiàn)場儀表信號分析，壓力信號正常穩(wěn)定，園洲中間站出站流量計(jì)信號波動較大，需要對流量計(jì)進(jìn)一步調(diào)整完善。

7 提高泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可靠性、精度的建議

1）由于2路2M的MSTP冗余電路都是租用中國電信的，有時中國電信設(shè)備故障或者同一路由的線路故障會造成通信中斷，建議2路2M的MSTP冗余電路可選擇租用不同的電信運(yùn)營商的，這樣可最大限度地降低通信同時中斷的可能性，從而可保證泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和精確度；

2）由于此輸油管道輸送的是原油，原油的物性相差很大，輸送不同的原油時各站的流量計(jì)的誤差不一樣，需要在PIPELEAK軟件中設(shè)置不同報(bào)警限來消除流量計(jì)誤差以提高檢漏精度。

8 結(jié)論

2009 年6 月1 日至10 月23 日對“馬——廣”輸油管道實(shí)施了清管、變形及漏磁腐蝕檢測，檢測發(fā)現(xiàn)此輸油管道共存在金屬損失10 099 處，最嚴(yán)重的金屬損失深度達(dá)到管道正常壁厚的53%，因此建設(shè)此泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是非常有必要的，此泄漏監(jiān)測系統(tǒng)通過一段時間的運(yùn)行證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為輸油管道的安全運(yùn)行提供有力工具。

[1]馬虹.現(xiàn)代通信交換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：192-240.

[2]伍錦榮.可編程控制器系統(tǒng)應(yīng)用與維護(hù)技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

[3]NI OPC Servers manual.

[4]葛德成.華德原油管道泄漏檢測技術(shù)建議書.北京中加誠信管道技術(shù)公司，2009：3-11.

TE973

A

1674-6708（2011）48-0216-03

練浩云，畢業(yè)院校：廣東工業(yè)大學(xué)，專業(yè)：自動化，現(xiàn)主要從事儀表自動化技術(shù)維護(hù)、管理工作