智能化輸油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)研究

謝成 李舒丹

摘? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對資源的需求量也日益增多，輸油管道是資源高效、安全運(yùn)輸?shù)闹饕緩?，因此我國逐漸意識(shí)到輸油管道的重要性。智能化管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)包括多維系統(tǒng)的整合及新應(yīng)用的擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和泄漏監(jiān)測，泄漏點(diǎn)定位，并且可在某些意外情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行自動(dòng)決策和操作，該系統(tǒng)目前在現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。本文研究了輸油管道泄漏監(jiān)測的綜合分析方法，詳細(xì)討論了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制、狀態(tài)判斷、異常點(diǎn)定位以及基于GIS的輸油管道管理等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：輸油管道;泄漏;監(jiān)測;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TE973.6? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-2064（2020）03-0000-00

智能化輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)是否安全運(yùn)行，讀取油品物性等參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的每個(gè)分輸站點(diǎn)的瞬時(shí)流量、壓力、密度等運(yùn)行參數(shù)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析、其次使用濾波以及A/D轉(zhuǎn)換等方法對信號(hào)進(jìn)行前期處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)測處理系統(tǒng)，經(jīng)過分析判斷動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地對輸油管道進(jìn)行泄漏監(jiān)測報(bào)警及定位。

1智能化管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在智能化輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是其必要以及重要的功能之一。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常會(huì)安裝在管道節(jié)點(diǎn)處，通過壓力、流量和溫度等傳感器采集信號(hào)，對管道及管道內(nèi)油品進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。采集系統(tǒng)[1]對收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析，信號(hào)處理更操作，然后集成數(shù)據(jù)并傳輸，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和有效性，使之滿足實(shí)際要求，提高應(yīng)用效果。

1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)首先需組建光纖局域網(wǎng)，由于各監(jiān)控分輸站通過現(xiàn)場檢測儀表不間斷地采集管道壓力、流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過組建的光纖局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)發(fā)送到位于控制中心的服務(wù)器上，中心服務(wù)器運(yùn)行管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，在接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解密分析，判斷是否為所需要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無誤則實(shí)時(shí)顯示。用以監(jiān)測實(shí)時(shí)流量、壓力等參數(shù)的變化，判斷管道當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測處理系統(tǒng)

輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對前期采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析、比對和判斷，其主要工作為實(shí)時(shí)調(diào)用異常判斷算法模塊，自動(dòng)判斷是否有異常情況發(fā)生，如有泄漏或其他異常情況，可自動(dòng)（或手動(dòng)）對泄漏點(diǎn)定位[2]，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦輸油管道出現(xiàn)異常，可在較短時(shí)間內(nèi)做出判斷并定位異常點(diǎn)，便于工作人員及時(shí)察覺，部署工作，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)輸油管道的監(jiān)控。

2管道泄漏模型

對成品油管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，以上下游壓力為約束條件，科學(xué)地建立進(jìn)行泄漏量計(jì)算的通用物理模型;依據(jù)管道初始運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前油品物性、管道屬性和管道鋪設(shè)區(qū)域地形，確定離散物理模型的方法。采集管網(wǎng)中每一輸油節(jié)點(diǎn)的管道參數(shù)，建立管道穩(wěn)定運(yùn)行的水熱力耦合模型，通過計(jì)算確定每一節(jié)點(diǎn)管道穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)范圍。對穩(wěn)態(tài)水熱力耦合模型進(jìn)行求解，確定用于非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初始條件。建立科學(xué)合理的管道非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水熱力耦合模型，模型中考慮批次界面邊界、變徑點(diǎn)邊界、閥門邊界、泄漏邊界、液柱分離邊界及上下游壓力邊界。依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及泄漏相關(guān)參數(shù)對模型進(jìn)行求解。對穩(wěn)定泄漏狀態(tài)下管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入分析，考慮因泄漏引起的管內(nèi)微小流動(dòng)，對不同泄漏狀態(tài)下的泄漏分別建立數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮成品油管網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜地形條件，確定較為通用的計(jì)算方法，本系統(tǒng)管道泄漏模型如圖1所示。

3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)控制、在線泄漏量測算、離線泄漏量測算、泄漏報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、泄漏點(diǎn)定位跟蹤等功能。當(dāng)泄漏報(bào)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)管道泄漏后，將信息及時(shí)發(fā)送到智能化管線系統(tǒng)，并啟動(dòng)泄漏量測算模型，同時(shí)泄漏點(diǎn)位置和泄漏相關(guān)信息，例如拐點(diǎn)時(shí)間，泄漏量等均在GIS地圖中進(jìn)行標(biāo)注和顯示。同時(shí)系統(tǒng)具備停輸狀態(tài)下管道漏點(diǎn)最大漏油量計(jì)算功能和管道泄漏量測算功能，并將泄漏報(bào)警系統(tǒng)與泄漏量測算系統(tǒng)集成。可實(shí)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生泄漏后，支持在線和離線模擬上下游截?cái)嚅y室關(guān)閉，并計(jì)算油品從泄漏點(diǎn)自流的最大泄漏量，系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

3.1 管道泄漏監(jiān)測與定位

本系統(tǒng)采用負(fù)壓波法、流量平衡法等多種判斷方法進(jìn)行綜合分析。流量平衡法是根據(jù)管道內(nèi)油品流量守恒原理，綜合考慮了管道管壁、油品密度、波速等參數(shù)，根據(jù)泄漏檢測靈敏度、允許誤差限等性能指標(biāo)，分析管道節(jié)點(diǎn)處所采集的壓力、流量和溫度數(shù)據(jù)，確定管段內(nèi)是否有介質(zhì)泄漏。該檢測辦法設(shè)備簡單，安裝方便，靈敏度高，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是不能定位泄漏點(diǎn)。

采用負(fù)壓波檢測的方法，其原理是當(dāng)管道中發(fā)生泄漏時(shí)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)總是向管道兩端傳遞，當(dāng)傳播到管道端點(diǎn)時(shí)，會(huì)在管道兩端點(diǎn)產(chǎn)生壓力下降，其壓力波動(dòng)被數(shù)據(jù)采集器收集。泄漏發(fā)生位置的不同，該壓力波動(dòng)傳遞到管道兩端的時(shí)間也不同。根據(jù)所檢測到的壓力波傳播到兩個(gè)端點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算其時(shí)間差，在一致壓力波傳播速度的情況下，即可計(jì)算出管道泄漏的位置。泄漏定位公式如下：

其中，X0為管道泄漏點(diǎn)距首站的距離，α為壓力波傳遞速度，L為發(fā)生泄漏的管道長度，v為介質(zhì)的流速，為上下游壓力傳感器接收到壓力波的時(shí)間差。在管道的起始端和末端分別裝配上高精度壓力變送器、溫度變送器和流量計(jì)等儀表，對現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行采集。溫度、壓力信號(hào)通過傳感器以4- 20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送到監(jiān)控終端，流量脈沖信號(hào)通過磁電式脈沖信號(hào)發(fā)生器傳送到信號(hào)處理器。GPS為監(jiān)控系統(tǒng)提供經(jīng)過精確校正的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，以確保管道兩端時(shí)間、數(shù)據(jù)采集的同步性。

負(fù)壓波檢測法[3]響應(yīng)速度快、定位精度高，但易受到管道工況調(diào)整的影響，采用瞬態(tài)負(fù)壓波法和流量平衡法相結(jié)合的方法進(jìn)行泄漏檢測和分析，做到數(shù)據(jù)融合?？捎行z測異常情況是否發(fā)生，并降低誤報(bào)率，提高系統(tǒng)報(bào)警的靈敏度和準(zhǔn)確性。

3.2系統(tǒng)應(yīng)用安全設(shè)計(jì)

為了統(tǒng)一各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)字身份管理邏輯和安全處理機(jī)制，提供標(biāo)準(zhǔn)化安全協(xié)議支持，建立應(yīng)用安全支撐平臺(tái)，為應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一認(rèn)證、單點(diǎn)登錄、簽名/驗(yàn)簽、時(shí)間戳等基礎(chǔ)服務(wù)，需要該平臺(tái)封裝身份認(rèn)證策略、簽名/驗(yàn)簽策略、目錄服務(wù)，通過安全策略配置適應(yīng)安全需求的變化，為各種應(yīng)用系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化、高強(qiáng)度的應(yīng)用安全管理服務(wù)、應(yīng)用安全支撐服務(wù)等基礎(chǔ)安全服務(wù)。

3.3 管道泄漏測算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于泄漏點(diǎn)上下游壓力、溫度或流量、壓力管道泄漏模型、泄漏前后研究管段水熱力耦合模擬，對泄漏尺寸進(jìn)行初步測算。系統(tǒng)在線泄漏量測算是根據(jù)從ASPEN數(shù)據(jù)庫中獲取的管段運(yùn)行參數(shù)和泄漏點(diǎn)信息與模擬時(shí)間窗，可自動(dòng)計(jì)算測算時(shí)長內(nèi)的泄漏累積量;離線泄漏測算功能是用戶將計(jì)算所需參數(shù)輸入到EXCEL表格中，系統(tǒng)根據(jù)離線參數(shù)自動(dòng)計(jì)算，在地圖中顯示泄漏位置，并以趨勢圖的形式顯示泄漏點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。泄漏量測算程序和孔徑預(yù)測程序拆分為兩個(gè)獨(dú)立模塊。在泄漏孔徑預(yù)測計(jì)算結(jié)束之后將孔徑預(yù)測結(jié)果予以顯示，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對泄漏孔徑的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，由操作人員決定采用泄漏孔徑預(yù)測值或是手動(dòng)輸入泄漏孔徑，繼而進(jìn)行下一步的泄漏量估算，管道泄漏測算系統(tǒng)如圖3所示。

4管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化

以成品油管網(wǎng)為基礎(chǔ)，智能化輸油管道泄漏監(jiān)測可連接OPC服務(wù)器，在異常情況發(fā)生時(shí)，讀取設(shè)備操作信息，排除工況調(diào)整的影響。系統(tǒng)綜合現(xiàn)場管網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃，優(yōu)化一系列適用于管網(wǎng)的判斷算法和運(yùn)行機(jī)制。管理者通過手動(dòng)輸入管網(wǎng)初始運(yùn)行狀態(tài)、輸油計(jì)劃及各分輸站需求信息，系統(tǒng)就可以自動(dòng)計(jì)算，生成合適的批次調(diào)度計(jì)劃[4]，優(yōu)化了生產(chǎn)運(yùn)行。軟件通過C#計(jì)算機(jī)語言編制，界面友好，操作簡單，易于使用。

5結(jié)論

（1）智能化輸油管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)行集中管理、分散控制。數(shù)據(jù)監(jiān)測處理中心，可實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)管理由分散、單一向集中、數(shù)字化轉(zhuǎn)變。同時(shí)建立和集成管網(wǎng)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行管理由各自獨(dú)立向共享協(xié)同轉(zhuǎn)變。建成統(tǒng)一集成、可視化的智能化管線管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息系統(tǒng)由分散向集成轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)輸油管網(wǎng)“安全、綠色、低碳、科學(xué)”運(yùn)營。

（2）智能化輸油管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的合理調(diào)度、自動(dòng)控制、泄漏監(jiān)測、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能，將輸油管網(wǎng)、油庫分輸站有效的集成為一個(gè)系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)管道泄漏監(jiān)測與分析技術(shù)，可快速發(fā)現(xiàn)泄漏等異常情況并定位異常點(diǎn)，便于工作人員技術(shù)采取措施，迅速部署減少漏油損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-01-06

作者簡介：謝成（1980—），男，遼寧撫順人，本科，高級工程師，研究方向：完整性管理。