基于SPRT的海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

公彥蒙， 翁曉霞， 白　勇， 李清平， 姚海元

(1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310058； 2. 中海油研究總院， 北京 100027)

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基于SPRT的海底管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

公彥蒙1， 翁曉霞1， 白勇1， 李清平2， 姚海元2

(1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 杭州 310058； 2. 中海油研究總院， 北京 100027)

摘要：隨著海底管線的不斷增加，海底管線在油氣輸送中占有越來(lái)越重要的地位。由于海底管道易老化、易腐蝕，從而容易發(fā)生泄漏，海底管線泄漏后，對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等均造成嚴(yán)重影響。為了保證海底管線的安全運(yùn)輸和可持續(xù)發(fā)展，需要對(duì)海底管線進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)。該文試制了一套海底管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集裝置和無(wú)線通訊裝置，軟件部分包括數(shù)據(jù)處理模塊、泄漏監(jiān)測(cè)模塊、模式識(shí)別模塊及定位模塊等。根據(jù)管線有無(wú)流量，采用不同的定位模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有誤報(bào)警率低，泄漏定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)泄漏監(jiān)測(cè)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：海底管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；硬件部分；軟件部分；模塊

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，管道運(yùn)輸在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有越來(lái)越重要的地位，管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)也日益受到關(guān)注。海底管道作為海上油氣輸送的生命線，在管道運(yùn)輸中占有重要地位。由于海底環(huán)境復(fù)雜，海底管道易腐蝕、易老化，從而導(dǎo)致管道易發(fā)生泄漏。海底管道一旦發(fā)生泄漏，不僅污染海洋環(huán)境，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成人員傷亡。

就現(xiàn)有的泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有出現(xiàn)令人滿意的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前關(guān)于泄漏監(jiān)測(cè)的理論方法日趨完善，有管外監(jiān)測(cè)方法和管內(nèi)監(jiān)測(cè)方法，基于軟件的監(jiān)測(cè)方法和基于硬件的監(jiān)測(cè)方法等。國(guó)內(nèi)學(xué)者常采用負(fù)壓波法，清華大學(xué)、天津大學(xué)等均對(duì)負(fù)壓波法在陸地管道的泄漏監(jiān)測(cè)進(jìn)行了深度研究。此外，聲波法也得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研制了一系列基于聲波的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如美國(guó)休斯頓聲學(xué)系統(tǒng)公司(ASI)研制的聲學(xué)檢漏系統(tǒng)(WaveAlert VII)，應(yīng)用于美國(guó)Colorado天然氣陸地管道中。該文利用質(zhì)量守恒、序貫概率比(Statistical Probability Ratio Test-SPRT)和模式識(shí)別方法對(duì)海底管道進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)研究，利用水力坡降法和負(fù)壓波法對(duì)管道進(jìn)行泄漏定位。

1序貫概率比檢驗(yàn)(SPRT)在管道泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

根據(jù)傳統(tǒng)質(zhì)量守恒原理，管道入口和出口的質(zhì)量流量差等于零?？紤]到管存量的變化，對(duì)傳統(tǒng)的質(zhì)量守恒做修正，得到修正后的質(zhì)量平衡原理，即管道入口和出口的質(zhì)量流量差等于管存量的變化量。在此將入口質(zhì)量流量與出口質(zhì)量流量差減去管存量的變化設(shè)定為修正的質(zhì)量平衡項(xiàng)，作為統(tǒng)計(jì)分析的一個(gè)參數(shù)。工況的變化并不會(huì)引起修正的質(zhì)量平衡項(xiàng)的變化。由于噪聲及儀器漂浮的影響，修正的質(zhì)量平衡項(xiàng)并不等于零，但在某段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)平均值保持恒定。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，修正的質(zhì)量平衡項(xiàng)增大，利用SPRT計(jì)算泄漏和不泄漏的概率。如果修正的質(zhì)量平衡項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)平均值長(zhǎng)時(shí)間保持較大值，則此時(shí)泄漏的概率就會(huì)增加，當(dāng)泄漏的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不泄漏的概率時(shí)，就會(huì)發(fā)生泄漏報(bào)警。

1.1泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)路線圖

泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，其中泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

在管道兩端分別安裝流量、壓力和溫度計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置PLC，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中。軟件安裝到現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)中，通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備可以觀察現(xiàn)場(chǎng)管道情況，管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件原理圖如圖2所示。

軟件首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證。有效性驗(yàn)證完畢后，根據(jù)有無(wú)流量數(shù)據(jù)分為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和靜態(tài)監(jiān)測(cè)兩種監(jiān)測(cè)方法。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中根據(jù)管道兩端均有流量和只有一端有流量又有不同的泄漏監(jiān)測(cè)方式。將3種泄漏監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合，分別為質(zhì)量守恒、序貫概率比(SPRT)和模式識(shí)別。當(dāng)管道兩端均有流量時(shí)，采用質(zhì)量守恒、序貫概率比以及模式識(shí)別進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)；當(dāng)僅有一端有流量時(shí)，采用模式識(shí)別法進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)；當(dāng)兩端均無(wú)流量時(shí)，采用壓力點(diǎn)分析、序貫概率比和模式識(shí)別法進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)[1]。

圖2　泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件原理圖

1.2監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)管道兩端均有流量數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)修正后的質(zhì)量守恒定律，管道入口的質(zhì)量流量與出口的質(zhì)量流量的差值等于管存量的變化量。由此得到以下公

(1)

(2)

式中：τ(t)為在時(shí)間t時(shí)的質(zhì)量不平衡修正項(xiàng)；Qii(t)為t時(shí)刻第i個(gè)入口的流量；Qoj(t)為t時(shí)刻第j個(gè)出口的流量；ΔQk(t)為t時(shí)刻第k個(gè)管段管存的變化量。

由于儀表的固有誤差和流體的可壓縮性，修正的質(zhì)量不平衡項(xiàng)τ(t)總圍繞一個(gè)值上下波動(dòng)。當(dāng)發(fā)生泄漏或者儀表?yè)p壞時(shí)，τ(t)才會(huì)發(fā)生變化。

為了減少泄漏監(jiān)測(cè)的時(shí)間，采用序τ(1),τ(2),…,τ(n)貫概率比計(jì)算泄漏和不泄漏的概率。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，設(shè)序列是來(lái)自具有未知均值μ和已知方差σ2的正態(tài)總體。在原假設(shè)H0：τ(t)服從均值為μ，方差為σ2的正態(tài)分布和備擇假設(shè)H1：τ(t)服從均值為μ+Δμ，方差為σ2的正態(tài)分布分別成立的條件下，得到兩者的聯(lián)合密度函數(shù)分別為：

(3)

(4)

由此得到對(duì)數(shù)似然比的累計(jì)公式為：

(5)

式中：μ為不泄漏時(shí)τ(t)的平均值；Δμ是由泄漏量確定的參數(shù)；σ2是由管線中壓力和流量的變化決定的，代表了管線的不同操作工況。針對(duì)管線的操作狀態(tài)，有三種操作工況，分別為穩(wěn)態(tài)、小瞬變、大瞬變。通過(guò)識(shí)別管線的不同操作狀態(tài)，有效地降低了誤報(bào)警率。

當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，λ(t)會(huì)增加，否則λ(t)會(huì)降低并保持在負(fù)數(shù)范圍內(nèi)波動(dòng)。這里根據(jù)管線潛在的泄漏量設(shè)定了7個(gè)LAMBDA值，即Δμ。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到泄漏后，利用此時(shí)λ(t)的平均值減去未泄漏時(shí)在線更新的μ值，即可得到相應(yīng)的泄漏量。

當(dāng)管道兩端均無(wú)流量數(shù)據(jù)時(shí)，采用以下監(jiān)測(cè)方法。對(duì)單獨(dú)管段內(nèi)的壓力進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)。泄漏監(jiān)測(cè)的原理與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相似，監(jiān)測(cè)公式如下：

(6)

式中：Pi(t)為入口壓力；Po(t)為出口壓力。

對(duì)數(shù)似然比累計(jì)公式如下：

(7)

管線關(guān)斷后，由于冷卻，管線內(nèi)的壓力迅速下降。為了避免誤報(bào)警，此時(shí)管線的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)該立即調(diào)整為大瞬變狀態(tài)，同時(shí)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)σ2的值也是最大的。

1.3定位原理

該文采用兩種定位方法：水力坡降法和負(fù)壓波法。水力坡降線的原理圖如圖3所示。

圖3　水力坡降線計(jì)算原理圖

圖4　負(fù)壓波法原理圖

管線輸送正常時(shí)，進(jìn)出口流量在某一恒定值上下波動(dòng)，壓力坡降線呈斜直線。發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)前的流量變大，壓力坡降變陡，泄漏點(diǎn)后流量變小，壓力坡降變平，即泄漏會(huì)導(dǎo)致沿線的壓力梯度分布呈折線變化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)。

對(duì)管道進(jìn)行分段計(jì)算，求解傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞以及質(zhì)量守恒方程[4]。負(fù)壓波定位的原理如圖4所示。

負(fù)壓波以一定的速度向管道兩端傳播，而管壁則像一個(gè)波導(dǎo)管，負(fù)壓波傳播時(shí)衰減很小，可以傳播很遠(yuǎn)。經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后，設(shè)置在管道首末兩端的壓力傳感器P1、P4將捕捉到特定的瞬態(tài)壓力波形，根據(jù)負(fù)壓波傳播到管道首末兩端的時(shí)間差，就可以確定管道的泄漏孔位置。

由于波在管道中的傳播速度不斷減小，在此對(duì)負(fù)壓波速度進(jìn)行修正。假設(shè)管道內(nèi)負(fù)壓波從泄漏孔傳播到管道首末兩端的時(shí)間分別為t1、t2，則有：

(8)

(9)

(10)

泄漏點(diǎn)位置的計(jì)算公式為：

(11)

式中：X為泄漏點(diǎn)距上游站測(cè)壓點(diǎn)的距離，m；L為上下游站間距，m；a為負(fù)壓波的傳播速度，m/s；u為管道內(nèi)流體的速度，m/s；Δt為上游站壓力突變時(shí)間與下游站壓力突變時(shí)間差，s。

2泄漏監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果

該文從泄漏和工況變化兩方面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　泄漏測(cè)試結(jié)果表

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的泄漏量進(jìn)行泄漏測(cè)試，最大泄漏量約為42%，最小泄漏量接近4%。最高的泄漏量精度達(dá)到0.35%，最低的泄漏量精度達(dá)到18.9%。軟件對(duì)于大泄漏的泄漏量測(cè)試精度較高，但是隨著泄漏量的減小，泄漏量精度并非呈規(guī)律性的減小，主要原因是現(xiàn)場(chǎng)中的一些外界因素，如管道的震動(dòng)等造成壓力的變化，導(dǎo)致泄漏量精度的測(cè)量并非呈規(guī)律性變化。對(duì)于泄漏量為42%時(shí)，軟件的反應(yīng)時(shí)間為14 min；對(duì)于泄漏量為4%時(shí)，軟件的反應(yīng)時(shí)間為39 min。通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果，說(shuō)明該文所研制的軟件系統(tǒng)具有敏感性高的特點(diǎn)。

對(duì)于管道泄漏定位，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)泄漏位置(距離入口的位置，管道總長(zhǎng)為94 m)進(jìn)行測(cè)量。最大的泄漏定位誤差為1.38%，最小的泄漏定位誤差為0.1%。為了驗(yàn)證所采用水力坡降線模型的準(zhǔn)確性，該文與OLGA進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5　入口壓力為100 bar時(shí)，軟件LDS與OLGA的壓降曲線對(duì)比圖

圖6　入口壓力為120 bar時(shí)，軟件LDS與OLGA的壓降曲線對(duì)比圖　　　　　　　　圖7　入口壓力為150 bar時(shí)，軟件LDS與OLGA的壓降曲線對(duì)比圖

圖5～圖7顯示了該文所研制的軟件LDS與商用軟件OLGA的壓降對(duì)比結(jié)果，誤差分別為0.6%, 0.2%, 1.5%，說(shuō)明研制的軟件具有較高的定位精度。

以泄漏量99.72 kg/h為例，軟件LDS測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　泄漏量為99.72 kg/h時(shí)的軟件泄漏報(bào)警示意圖

圖9　泄漏量為99.72 kg/h時(shí)的壓降曲線圖

由圖8可以看出，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，軟件能夠進(jìn)行正確的泄漏報(bào)警，并能給出泄漏量和泄漏位置以及泄漏量百分比。通過(guò)25次實(shí)驗(yàn)，軟件并未發(fā)生漏報(bào)警情況，即漏報(bào)警率為零。從圖9中可以看出，壓力曲線的折點(diǎn)位置69.2 m。

管道運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)有增大流量、減小流量、關(guān)泵等操作，工況的改變可能會(huì)造成軟件進(jìn)行泄漏報(bào)警，即誤報(bào)警。為此，該文對(duì)所研制的軟件進(jìn)行了誤報(bào)警測(cè)試，測(cè)試次數(shù)為20次，有增大流量、減小流量、開(kāi)泵、關(guān)泵、開(kāi)閥、關(guān)閥等6個(gè)操作，工況分為小瞬變和大瞬變，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　誤報(bào)警測(cè)試結(jié)果表

續(xù)表2　誤報(bào)警測(cè)試結(jié)果表

表2顯示了增大流量、減小流量、開(kāi)閥、關(guān)閥、開(kāi)泵等各進(jìn)行3次操作測(cè)試，關(guān)泵進(jìn)行5次操作測(cè)試，20次操作測(cè)試中均未發(fā)生誤報(bào)警，即誤報(bào)警率為零，說(shuō)明軟件系統(tǒng)具有低誤報(bào)警、可靠性高的特點(diǎn)。誤報(bào)警軟件測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10　增大流量操作測(cè)試結(jié)果圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖11　開(kāi)泵操作測(cè)試結(jié)果圖

當(dāng)增大流量時(shí)，圖10顯示操作狀態(tài)為小瞬變狀態(tài)，泄漏狀態(tài)為無(wú)泄漏，即未發(fā)生誤報(bào)警。表明軟件對(duì)工況改變比較敏感。當(dāng)開(kāi)泵時(shí)，圖11顯示操作狀態(tài)為大瞬變，泄漏狀態(tài)為無(wú)泄漏，即未發(fā)生誤報(bào)警。表明軟件對(duì)工況改變比較敏感。

3結(jié)論

該文介紹了基于SPRT(序貫概率比)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用質(zhì)量守恒、SPRT、模式識(shí)別三種方法進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)，降低了系統(tǒng)的誤報(bào)警率。同時(shí)考慮管道有無(wú)入口流量的情況，選用不同的泄漏監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)管道有無(wú)入口流量選用不同的泄漏定位方法。泄漏測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠檢測(cè)到小泄漏，并能進(jìn)行泄漏報(bào)警，給出泄漏量和泄漏位置。在泄漏測(cè)試中，并未發(fā)生漏報(bào)警且定位準(zhǔn)確，說(shuō)明軟件的可靠性高。工況改變測(cè)試表明，該系統(tǒng)未發(fā)生誤報(bào)警，表明系統(tǒng)具有較高的靈敏性。

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收稿日期：2015-06-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“深水流動(dòng)安全保障與水合物風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)”(2011ZX05026-004)。

作者簡(jiǎn)介：公彥蒙(1988-)，女，工程師。

文章編號(hào)：1001-4500(2016)03-0042-08

中圖分類號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

SPRT-based Subsea Pipeline Leak Detection System Study

GONG Yan-meng1， WENG Xiao-xia1， BAI Yong1， LI Qing-ping2， YAO Hai-yuan2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058， China; 2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Abstract：With the increasing subsea pipelines, subsea pipelines play more and more important role in the transport of oil and gas. Submarine pipelines are easy to aging, corrosive, thus they are prone to leak，which can cause serious impact on the environment, economy etc. In order to ensure safe transport and sustainable development of subsea pipelines, it is necessary to detect subsea pipelines. In this paper, a submarine pipeline leak detection system was designed, including hardware and software components. The hardware components include data acquisition devices and wireless communication devices. Software components include data processing module, leak detection module, pattern recognition module and positioning module. According to presence or absence of flow, different positioning modules were taken. Verified by laboratory and field experiments, leak detection system has a false alarm rate, and accurate leak location. A reference for leak detection was provided.

Keywords：subsea pipeline leak detection system; hardware part; software part; modules