管道泄漏檢測技術(shù)在安塞油田的應(yīng)用

宋志俊，馬永明，章瑋，何泓嶼

1.中國石油長慶油田分公司第一采油廠（陜西延安 716000）

2.中國石油長慶油田分公司第二輸油處（陜西西安 710021）

隨著管道技術(shù)的快速發(fā)展，管道運輸已成為世界第五大運輸工具[1]。基于原油易燃、易爆的特性，采用管道輸送是目前較為經(jīng)濟、安全的運輸方式。安塞油田位于黃土高原，處于濕陷性地質(zhì)環(huán)境，雨季容易出現(xiàn)滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，引發(fā)管道泄漏造成經(jīng)濟損失、污染環(huán)境甚至可能造成人員傷亡。管道泄漏檢測技術(shù)的作用就是實時檢測管道運行工況、及時發(fā)現(xiàn)管道事故、立即進行應(yīng)急處置并快速維修和恢復(fù)生產(chǎn)，起到減小損失、減輕環(huán)境破壞和避免人員傷亡的作用。

1 管道泄漏檢測技術(shù)原理

輸油管道的運行參數(shù)有壓力、流量、溫度等，管道泄漏后這些參數(shù)發(fā)生變化。泄漏檢測技術(shù)的原理是基于檢測輸油管道這幾個參數(shù)變化確認管道運行情況，管道泄漏后參數(shù)變化有以下幾個特點：①管道的運行壓力降低；②輸出流量和收入流量差出現(xiàn)變化；③輸出站點的流量上升，接收站點流量下降。

1.1 負壓波檢測技術(shù)

管道泄漏時，流體迅速流失，泄漏點壓力迅速下降，產(chǎn)生負壓波，負壓波以聲波的速度向管道兩端傳播，通過壓力傳感器檢測到壓力下降[2]，由于負壓波到達管道兩端的時間不同，通過時間差和管道長度，計算得到泄漏點的位置。

1.2 流量平衡法檢測技術(shù)

流量平衡法通過檢測首站、末站壓力、流量的變化來判斷管道是否泄漏。管道泄漏后管道首站和末站有流量差，首站大于末站，管道首站壓力下降、流量上升，末站流量降低，壓力降低。通過首末站壓力檢測儀器、流量檢測儀器，對管道參數(shù)進行實時監(jiān)測，上述參數(shù)出現(xiàn)“三降一升”的情況，可判斷管道泄漏，但不能確定泄漏位置，需要人工排查。

2 問題和改進方法

2.1 應(yīng)用情況

安塞油田起初使用罐車拉油，20世紀90年代初逐步施行管道輸油的模式，使用2 h 首末站核對一次輸油流量的方法監(jiān)控管道運行情況。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展、環(huán)保觀念的增強，逐步采用多種管道泄漏檢測技術(shù)，主要包括：2002 年引進負壓波實時泄漏檢測技術(shù)對管徑大、輸量大和里程長的輸油管道運行工況進行監(jiān)測；2010 年依托數(shù)字化油田的建設(shè)，對所有輸油管道采用流量平衡泄漏檢測技術(shù)，目前泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用情況如表1所示。

表1 泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用情況

2.2 存在的問題

1）泄漏檢出率低。油田地形特殊，管道翻山、跨溝的情況多，如X輸油管道海拔變化比較明顯，呈波浪狀[3]，輸油過程中會出現(xiàn)不滿流、真空，抑制負壓波的傳遞，導(dǎo)致泄漏檢出率低。X 輸油管道從2010年至今泄漏3次，其中檢測系統(tǒng)檢出泄漏1次。

2）定位精度低。輸油管道翻越多個山頂，流體在管道中流速并不穩(wěn)定，以及管道內(nèi)真空影響負壓波的傳輸速度，傳感器接收到負壓波的時間和理論時間有誤差，定位不準確，一般定位誤差在1 km，個別區(qū)域達到3 km。

3）誤報率高。泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)用初期（2015年），誤報次數(shù)多達3.35 次/d，主要有3個原因：①當管道啟輸和停輸時出現(xiàn)參數(shù)變化，檢測系統(tǒng)當成管道泄漏進行報警提示；②離心泵輸油過程中儲罐液位降低、調(diào)整輸油量時，檢測系統(tǒng)認為泄漏進行報警；③泄漏檢測系統(tǒng)的硬件和傳感器老化，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)有誤，造成誤報。

2.3 改進方法

2.3.1 分段檢測負壓波

2019 年在管道途經(jīng)的山頂翻越點安裝PLC、壓力傳感器、溫度傳感器，通過縮短負壓波的傳輸距離，分段檢測負壓波，降低不滿管流對負壓波傳輸?shù)挠绊?，縮短負壓波傳輸時間，提高定位精度。以Z輸油管道為例，安裝4個壓力傳感器，平均間隔為3 km。

2.3.2 建立輸油管道運行參數(shù)模型

輸油管道運行過程中需要進行停輸、提輸量等操作，會引起輸油管道運行參數(shù)的變化。通過記錄各類輸油操作參數(shù)變化，總結(jié)參數(shù)曲線變化特征，并與管道泄漏參數(shù)曲線對比，2018年建立輸油操作的參數(shù)模型和泄漏的參數(shù)曲線變化模型，以此模型為依據(jù)設(shè)計預(yù)警系統(tǒng)軟件系統(tǒng)，提升檢測的精確度，降低誤報率。重點模型參數(shù)變化見表2，模型曲線變化如圖1所示。

表2 管道運行模型參數(shù)變化情況

圖1 管道運行模型曲線

2.3.3 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2017 年輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在首站安裝工作站，升級泄漏報警軟件，通過局域網(wǎng)將儀表檢測壓力、流量等數(shù)據(jù)傳輸至工作站進行處理，實現(xiàn)流量報警、壓力定位的泄漏檢測功能，在軟件設(shè)計上，通過編程自動對泄漏點進行定位，降低了泄漏后人工選點定位帶來的誤差[4]。同時在上下游更換同型號流量計，安裝精度較高的壓力、流量和溫度傳感器，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_度[5-6]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點終端采集油氣管道的運行參數(shù)以及管道泄漏彈性波的信號數(shù)據(jù),配合數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點將信號數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，工作站對服務(wù)器數(shù)據(jù)進行處理，由監(jiān)控人員實時監(jiān)控，實現(xiàn)了管道→傳感器→工作站→顯示器→人之間的相互聯(lián)系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)，也就是傳感器精度、工作站處理數(shù)據(jù)的準確度和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的完整度。

3 應(yīng)用效果

安塞油田采用負壓波+流量平衡法檢測大口徑、長距離、大輸量的輸油管道，流量平衡法檢測口徑小、距離短的集油管道。2019年現(xiàn)場模擬泄漏檢測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過相應(yīng)的技術(shù)改進，取得了較好的檢測效果。①泄漏檢出率得到提高。通過在不同位置放油，進行模擬管道泄漏試驗發(fā)現(xiàn)，模擬泄漏試驗6 次，泄漏檢測系統(tǒng)泄漏報警4 次，未報警的2次，均是泄漏量低于1 m3/h，通過模擬放油泄漏試驗發(fā)現(xiàn)，對于泄漏量大于1 m3/h的泄漏，泄漏檢測系統(tǒng)檢出率可以達到100%，具體模擬試驗數(shù)據(jù)如表3所示；②泄漏位置的定位精度提高，通過模擬泄漏試驗發(fā)現(xiàn)，放油位置和泄漏檢測系統(tǒng)顯示泄漏位置，誤差低于100 m；③輸油管道參數(shù)模型的應(yīng)用，過濾了正常操作時參數(shù)變化的報警，管道泄漏檢測系統(tǒng)實際運行1年的誤報頻次低于30次；④系統(tǒng)直接對泄漏位置定位，并彈出窗口提示地理信息，不需要人工操作。

表3 泄漏模擬試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過上述技術(shù)改進，安塞油田管道泄漏檢測的準確性和定位的精確性都得到很大的提升。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為管道的安全運行提供了可靠的技術(shù)保障：①傳感器的精確度，即測量設(shè)備對泄漏后的參數(shù)變化更加靈敏，特別是管道的泄漏量小和測量設(shè)備的精度誤差，兩者作用下，對流量小于1 m3/h的微小泄漏無法檢出的難題，隨著測量設(shè)備和傳感器精度進一步的提高，得以解決；②對管道運行仿真模型的發(fā)展逐漸細化和計算機語言的發(fā)展，工作站通過對傳感器采集的壓力、流量、溫度等各種信號進行分類識別，剔除了一些無用的數(shù)據(jù)，將管道泄漏的正確數(shù)據(jù)經(jīng)過收集和處理，避免出現(xiàn)誤報、未檢出等情況，同時更進一步地提升定位精度。