負壓波法管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)實踐與探索

慕喜平+武博+王立

摘 要：輸油管道發(fā)生泄漏不僅會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，而且會造成十分嚴重的環(huán)境污染，所以研究和開發(fā)一套有效的輸油管道泄漏檢測及定位系統(tǒng)具有重要的意義。本文以負壓波為原理，以LabVIEW與MATLAB為系統(tǒng)開發(fā)平臺，結(jié)合傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計研發(fā)了輸油管道泄漏實時檢測及定位系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：小波變換；管道泄漏；監(jiān)測

1 實施背景

1、油田安全生產(chǎn)的需要。

原油輸送管道是油田生產(chǎn)的生命線，如果管線發(fā)生穿孔，將會導(dǎo)致原油漏失、環(huán)境污染等一系列不良后果，如果采取先進的科技手段，對輸油管線進行實時監(jiān)測，迅速準確的判斷出泄漏位置。就能使突發(fā)事件得到及時處理，使損失降到最低限度。

2、打破泄漏監(jiān)測技術(shù)壟斷的需要。

市場上有部分公司研制管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)，其實驗環(huán)境都是理想的輸送液體管道，而我們的輸油管道多處于山峁溝壑之間。所以，他們的產(chǎn)品不一定適用于我們的輸油管道在線監(jiān)測，安裝費用較高，15萬元/套，只能對重點輸油管線加裝。所以，打破這種技術(shù)壟斷，研發(fā)適用于長慶油田輸油管道在線監(jiān)控系統(tǒng)是有重要意義的。

2 主要做法

1、成立科研項目技術(shù)攻關(guān)小組

2016年3月以來，在廠部的大力支持與領(lǐng)導(dǎo)下，由廠信息中心牽頭組織，成立管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)科研項目技術(shù)攻關(guān)小組。領(lǐng)導(dǎo)小組定期召開會議，總結(jié)階段任務(wù)進展情況，明確下階段的重點任務(wù)，分析科研項目中存在的問題，進行集中解決和處理。

2、宣傳營造氛圍，推進項目工程施工

2016年3月至2016年8月，化子坪采油作業(yè)區(qū)積極響應(yīng)廠部號召，成立項目工程實施小組。加大對該科研項目推廣宣傳，營造濃厚科研氣氛，提高員工對該項目工程的認知度，推進該項目工程建設(shè)。

3、編制管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)科研項目實施方案

2016年5月，廠信息中心牽頭，化子坪作業(yè)區(qū)積極配合，集體討論，編寫《管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)科研項目開題設(shè)計報告》以及《管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)科研項目實施方案》。

3 項目實施過程

1、搭建管道泄漏監(jiān)測實驗環(huán)境

在管線兩端加裝羅斯蒙特高精度壓力變送器，可實時監(jiān)測管線壓力，同時在途經(jīng)林79-75井組處（距離鐮一轉(zhuǎn)1500m），加裝仿真泄漏的閥門，用來模擬管線泄漏。

2、驗證負壓波的存在，對方案可行性進行評估

檢索采油四廠2015年以來所有管道泄漏事件，從SCADA系統(tǒng)工業(yè)庫調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，采用小波變換法濾波，然后進行奇異性分析，發(fā)現(xiàn)管道泄漏時，確實有負壓波傳輸至上、下游壓力變送器。所以，采用負壓波法對管道泄漏監(jiān)測定位有一定的可行性。

3、研發(fā)管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)

一是硬件系統(tǒng)設(shè)計

以數(shù)據(jù)采集卡為處理核心，研制小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來實時采集被監(jiān)測輸油管線兩端壓力傳感器壓力值。

①電源濾波器：考慮到站點電網(wǎng)不穩(wěn)定，安裝有多臺大功率變頻器等設(shè)備，電源濾波器用來濾除電網(wǎng)50Hz干擾。

②24V穩(wěn)壓電源：將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為24V直流電壓，用來給數(shù)據(jù)采集卡、IV隔離器、光纖收發(fā)器供電。

③數(shù)據(jù)采集卡：用來實時采集現(xiàn)場壓力變送器壓力值，并將數(shù)據(jù)傳回至管道泄漏檢測平臺。

④隔離配電器：考慮到部分站點地網(wǎng)鋪設(shè)不完善，無法將設(shè)備共地連接，隔離配電器主要用來消除共地環(huán)流，保障采樣精度。

⑤納米晶磁環(huán)濾波器：主要用來消除50-100MHz高頻干擾，保障采樣精度。

⑥光纖收發(fā)器：因“源場作用”，為了更準確的檢測負壓波信號，需將壓力變送器安裝至距離站點100-200m管線上，需通過光纜傳輸信號，故加裝光纖收發(fā)器設(shè)備。

二是軟件系統(tǒng)設(shè)計

通過LABVIEW平臺，自主G語言開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)上、下游壓力信號同步采集；利用MATLAB平臺，自主M語言編程，實現(xiàn)基于圖像處理的算法，精確判斷壓力變化拐點，測定泄漏位置。

①數(shù)據(jù)采集卡初始化子程序

上位機監(jiān)控平臺向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送采集命令時，首先需要對數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率、通道、量程變換等參數(shù)進行設(shè)置。

②數(shù)據(jù)采集卡采集子程序

上位機觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采樣后，數(shù)據(jù)采集卡依據(jù)內(nèi)部硬件時鐘進行實時采樣，利用LABVIEW并行處理技術(shù)，實現(xiàn)上下游數(shù)據(jù)采集卡同步采集。

③壓力數(shù)據(jù)濾波子程序

采用MATLAB自帶的DB6小波，實現(xiàn)小波變換濾波，濾除噪聲信號，保障壓力數(shù)據(jù)準確可靠，為后期泄漏監(jiān)測算法提供可用數(shù)據(jù)。

④泄漏監(jiān)測定位算法子程序

為快速檢測和準確定位壓力曲線上的負壓波，提出一種基于圖像處理的算法。該方法將壓力數(shù)值轉(zhuǎn)化為圖像灰度值，將壓力曲線上的負壓波起始點定位等價為圖像的邊緣檢測。

⑤報警子程序

當(dāng)發(fā)生泄漏事故時，LABVIEW通過驅(qū)動電腦聲卡，發(fā)出報警聲音，提醒值班員工，以便在第一時間將問題解決。

⑥截屏子程序

當(dāng)壓力曲線出現(xiàn)抖動時，LABVIEW觸發(fā)截屏子程序，截屏保存，方便員工查看歷史曲線。

4、靜止承壓管線上測試

封堵實驗管線兩端，將管線用清水打壓至2.6MPa，然后將研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝至管線兩端，實時采集現(xiàn)場壓力信號。然后通過放空閘門放水，開展多次泄漏測試，兩端均能監(jiān)測到負壓波，并能判定泄漏位置，得出負壓波的傳輸速度約1000m/s。

5、真實輸油管線上開展測試

將鐮二增外輸原油導(dǎo)入實驗管線，鐮一轉(zhuǎn)處未測到負壓波。可以實時報警，但無法定位。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因，就是管線末端，存在較大的高程差，流體重力效應(yīng)，導(dǎo)致管線未充滿管道。

測試后期：將鐮一轉(zhuǎn)進站閘門進行適度關(guān)閉，提升壓力。鐮二增外輸壓力1.85MPa，鐮三增處測到的壓力1.42MPa，鐮一轉(zhuǎn)處壓力0.85MPa，通過20多次的放油測試，發(fā)現(xiàn)鐮一轉(zhuǎn)、鐮三增處均能監(jiān)測到負壓波，可以實時報警，并能準確定位。

6、真實輸油管線上安裝試運行

經(jīng)過大量實驗探索，管線泄漏監(jiān)測定位要領(lǐng)全部得到掌握，對化五轉(zhuǎn)、化七增外輸管線加裝管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)，主要對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行評估，其次，針對員工要求，進一步完善系統(tǒng)功能。

4 取得效果

1、初步探索出管道泄漏監(jiān)測的機理

應(yīng)力波法是一種很有效的方法，但我們的輸油管線屬于地埋，應(yīng)力波衰減較大，最大監(jiān)測長度1公里，不適用于站點外輸管線。負壓波法，主要依靠管線泄漏引起物質(zhì)損失，兩端流體不斷向泄漏點處補充，形成了由泄漏點向兩端發(fā)送的負壓波，該方法簡單可靠，在長慶油田比較適用。

2、研發(fā)了一套管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)

通過堅持不懈的鉆研，研制了一套基于數(shù)據(jù)采集卡為處理核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并用LABVIEW與MATLAB混合編程的方式，設(shè)計開發(fā)了一套泄漏監(jiān)測算法軟件平臺，界面友好，操作簡單，采樣頻率500Hz，采樣精度0.01%，泄漏報警響應(yīng)僅需數(shù)秒，定位誤差小于管線全長的5%，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)。

3、建立了一支創(chuàng)新團隊

通過細化崗位、組織推動、創(chuàng)新載體等做法，成立了化子坪作業(yè)區(qū)艾信創(chuàng)新工作小組，小組成員共計5人，主要由技能帶頭人以及技術(shù)標(biāo)兵等組成。小組成員主要完成了管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)、SCADA短信層級報警推送系統(tǒng)、可燃氣體信號GPRS無線傳輸系統(tǒng)、井組及站點計量裝置研發(fā)等任務(wù)。

4、確立了一套解決問題的新方法——焦點輻射法

本著“有條件要上，沒有條件創(chuàng)造條件也要上”的信念，以存在的復(fù)雜問題為焦點，對其進行分層次孤立，逐步放大孤立范圍，向外輻射狀排查，尋找問題根源，然后對癥下藥。

參考文獻

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