基于低頻聲波和負壓波的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

李文杰 中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠

基于低頻聲波和負壓波的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

李文杰 中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠

基于低頻聲波和負壓波的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在孤永東長輸管道孤島原油庫到永安輸油站段的現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地自動識別出大于管道瞬時流量0.5%的泄漏；大于管道瞬時流量1%的泄漏能夠定位在距離實際泄漏點200 m以內(nèi)；能夠準(zhǔn)確區(qū)分泄漏信號和站內(nèi)操作等外部干擾信號以及正常信號，解決了負壓波法在擾動復(fù)雜頻繁的情況下誤報率高的問題；系統(tǒng)的定位精度有所提高，小流量泄漏自動報警的漏報率有所降低，達到了預(yù)期的應(yīng)用效果。

低頻聲波；負壓波；管道泄漏；監(jiān)測系統(tǒng)；報警；定位精度

油氣管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)的主要功能是實時監(jiān)測長輸管道內(nèi)的流體是否發(fā)生泄漏并在泄漏時對泄漏點進行報警和定位，以確保油氣管道安全平穩(wěn)運行。

勝利油田孤永東輸油管道起始于孤島原油庫，途經(jīng)永安輸油站，終至東營原油庫，全長64.5 km，設(shè)計壓力4.0 MPa，設(shè)計最大輸油能力840×104t/a。

安裝在該長輸管道中的負壓波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和低頻聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行中各有優(yōu)缺點，互補性較強。對這兩套系統(tǒng)進行重新整合和技術(shù)改進，會有效提高系統(tǒng)定位精度并降低自動報警的誤報率。

1 負壓波法的原理和優(yōu)缺點

負壓波法的原理是當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時，泄漏點處由于管道內(nèi)外的壓差，流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的液體由于存在壓差而向泄漏點處補充，這一過程依次向上、下游傳遞，相當(dāng)于泄漏點處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負壓波。因此依據(jù)泄漏產(chǎn)生的瞬時負壓波傳播到上、下游的時間差可推算出泄漏點的位置。負壓波的傳播速度取決于管壁的彈性和液體的壓縮性，在鋼質(zhì)原油長輸管道內(nèi)負壓波的傳播速度一般約為1 000～1 200 m/s。要實現(xiàn)定位的準(zhǔn)確，需精確計算出負壓波在管道內(nèi)流體中的傳播速度和首、末端壓力傳感器接收負壓波的時間差。

負壓波法管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點是造價較低，可借助多種軟、硬件技術(shù)較好地解決大流量泄漏和突發(fā)性泄漏的監(jiān)測問題。缺點是在工況擾動頻繁的情況下誤報率較高，在緩慢的泄漏和小流量泄漏情況下漏報率較高。

2 低頻聲波法的原理和優(yōu)缺點

低頻聲波法的原理是當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏產(chǎn)生的聲波分布在很寬的頻譜上，在6～80 kHz之間，其中低于20 Hz的低頻聲波的特征信號可以在管道內(nèi)遠距離傳播，并與工況擾動所產(chǎn)生的聲波有不同的信號特征。安裝在管道首、末端的低頻聲波傳感器實時采集沿管道內(nèi)介質(zhì)傳播的低頻聲波信號，依據(jù)對泄漏信號特征的分析來監(jiān)測是否發(fā)生泄漏。

低頻聲波法所采用的傳感器具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)性能好的特點。負壓波法所采用傳感器的響應(yīng)速度為10 kHz，采樣周期為100 ms；而低頻聲波法所采用傳感器的響應(yīng)速度為100 kHz，采樣周期為10 ms。理論上管道泄漏監(jiān)測的定位精度可以達到10 m左右，低頻聲波法可以提高定位精度和更小泄漏量的識別率。

低頻聲波法管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點是造價適中，信號特征傳播距離遠。工況擾動所產(chǎn)生的低頻聲波有不同的信號特征，依此可以辨別站內(nèi)操作和擾動，克服了負壓波法的缺點，能夠探測到較小流量的泄漏。該方法的缺點是對小流量的泄漏和緩慢泄漏仍存在檢測靈敏度和定位精度不高的問題。

3 兩套不同系統(tǒng)的整合改進

由負壓波法和低頻聲波法各自的優(yōu)缺點可以看出，兩者有較強的互補性。以此為依據(jù)，將已經(jīng)安裝在孤島原油庫和永安輸油站段的負壓波傳感器的信號和低頻聲波傳感器的信號重新整合集成到能夠同時處理這兩種信號的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中，通過基于多種傳感器信號融合的方法，對這兩種傳感器信號發(fā)生泄漏可能性的評價結(jié)果進行一致性和互補性分析和判斷，來提高泄漏點報警的準(zhǔn)確度和定位的精確度。當(dāng)工況干擾導(dǎo)致負壓波和低頻聲波這兩種不同傳感器的泄漏監(jiān)測結(jié)果不一致時，該整合方法可以克服單一傳感器的影響，正確識別出泄漏，從而提高泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的報警和定位性能。

4 系統(tǒng)的組成

4.1 硬件部分

基于低頻聲波和負壓波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分，包括安裝于管道首端和末端的低頻聲波和負壓波的組合式傳感器、專用數(shù)據(jù)采集器、中心監(jiān)測定位主機、GPS授時器、通信網(wǎng)絡(luò)。其中低頻聲波和負壓波的組合式傳感器包括低頻聲波傳感器、負壓波傳感器、信號放大轉(zhuǎn)換器及組合式安裝器件。低頻聲波傳感器用于測量管道頻率范圍低于20 Hz的聲波；負壓波傳感器用于測量管道靜態(tài)壓力；信號放大轉(zhuǎn)換器將低頻聲波和負壓波信號放大后轉(zhuǎn)變成4～20 mA DC信號輸出；組合式安裝器件將低頻聲波和負壓波傳感器進行聯(lián)接，并通過鍍鋅鋼管與管道開孔聯(lián)通后安裝于管道首、末端，便于測量管道實時運行狀態(tài)。

系統(tǒng)中所包含的專用數(shù)據(jù)采集器是由中央處理器、存儲器、輸入模塊、通信模塊、電源模塊等組成的內(nèi)部裝有專用數(shù)據(jù)采集處理程序的一體化可編程邏輯控制器。其中中央處理器，作為專用數(shù)據(jù)采集器的核心采用16位微處理器，對程序和數(shù)據(jù)進行高速處理；存儲器用于存儲專用數(shù)據(jù)采集處理程序和采集處理后的數(shù)據(jù)；輸入模塊將模擬低頻聲波信號、負壓波信號分別進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；通信模塊將轉(zhuǎn)換為可以處理的數(shù)字信號的低頻聲波、負壓波、流量、溫度等數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給中心監(jiān)測定位主機；電源模塊用于給專用數(shù)據(jù)采集器提供24 V直流穩(wěn)壓電源。

系統(tǒng)中組合式安裝器件里所包含的低頻聲波傳感器和負壓波傳感器通過管路聯(lián)通至原油長輸管道，3個閥門分別用于開啟和關(guān)閉通往低頻聲波傳感器、負壓波傳感器和總匯管的通道。

GPS授時器從GPS地球同步衛(wèi)星上獲取微秒級的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號信息，為各個數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間標(biāo)簽，使得分布于管道首、末端的數(shù)據(jù)采集節(jié)點間的系統(tǒng)時鐘保持同步，從而確保了定位的高精確性。

通信網(wǎng)絡(luò)采用專用光纖網(wǎng)絡(luò)、專用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、專用無線微波網(wǎng)絡(luò)。

4.2 軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分包括作為上位機程序的基于低頻聲波和負壓波管道泄漏監(jiān)測與定位軟件，以及作為下位機程序的專用數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置的采集程序。上位機程序安裝于中心監(jiān)測定位主機內(nèi)，通過通信網(wǎng)絡(luò)接收來自管道首、末端的專用數(shù)據(jù)采集器傳來的數(shù)據(jù)，自動進行實時監(jiān)測、分析、報警及定位。

5 應(yīng)用效果

基于低頻聲波和負壓波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在孤永東長輸管道孤島原油庫到永安輸油站段的現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地自動識別出大于管道瞬時流量0.5%的泄漏；大于管道瞬時流量1%的泄漏能夠定位在距離實際泄漏點200 m以內(nèi)；能夠準(zhǔn)確區(qū)分泄漏信號和站內(nèi)操作等外部干擾信號以及正常信號，解決了負壓波法在擾動復(fù)雜頻繁的情況下誤報率高的問題；系統(tǒng)的定位精度有所提高，小流量泄漏自動報警的漏報率有所降低，達到了預(yù)期的應(yīng)用效果。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.060