超臨界乙烯輸送管線泄漏故障檢測(cè)的研究和應(yīng)用

黃穎

(宇墨企業(yè)管理咨詢(上海)有限公司，上海 200433)

乙烯超臨界輸送與氣相輸送相比具有容量大、傳輸速度快、效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，該類輸送工藝在國外已被廣泛應(yīng)用，而在國內(nèi)，人們對(duì)超臨界乙烯輸送的安全性尚存疑慮。乙烯超臨界狀態(tài)是指在高于某一溫度時(shí)，無論處于多高壓力下，乙烯均不能被液化的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，乙烯保持了幾乎和液體一樣密相狀態(tài)，乙烯的臨界溫度為9.2 ℃，臨界壓力即氣相乙烯臨界溫度時(shí)發(fā)生液化所需的最小壓力為5.04 MPa。某石化公司乙烯輸送管線總長為33.835 km，采用超臨界輸送后，流量提高至37.5 t/h(原氣相輸送流量為15 t/h)，大幅提高了輸送效率。為了確保輸送安全，管線泄漏檢測(cè)采用序貫概率比檢驗(yàn)SPRT(sequential probability ratio test)技術(shù)。

1 超臨界乙烯輸送危險(xiǎn)與可操作分析

超臨界乙烯輸送危險(xiǎn)與可操作分析(HAZOP)結(jié)果見表1所列。

表1 超臨界乙烯輸送HAZOP分析

續(xù)表1

結(jié)合表1可知，超臨界乙烯輸送的風(fēng)險(xiǎn)分析如下：

1)焦耳-湯姆遜效應(yīng)的危險(xiǎn)。低壓源(即接受一側(cè))對(duì)超臨界乙烯輸送進(jìn)行節(jié)流操作，產(chǎn)生的焦耳-湯姆遜效應(yīng)會(huì)引起超壓，從而侵蝕管道和系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

2)超臨界乙烯的分解危險(xiǎn)。超臨界乙烯輸送若發(fā)生泄漏，最危險(xiǎn)并最有可能發(fā)生的是乙烯的分解。假如來自上游裝置的超臨界乙烯流量突然增大，導(dǎo)致泵與管道連接處螺栓斷裂或長期使用的管道破裂，乙烯泄漏，密相壓降伴隨著較大的溫降，當(dāng)溫度低于-160 ℃時(shí)，乙烯與管壁上的鎳、鉻、鐵等金屬反應(yīng)聚合形成催化作用，分解出甲烷和碳，并呈現(xiàn)稠密的氣體狀態(tài)，從而發(fā)生爆炸火災(zāi)。

所以，只有實(shí)時(shí)檢測(cè)輸送管線是否發(fā)生小泄漏，并及時(shí)采取應(yīng)急措施，才能防止管線大泄漏造成的危害。

2 SPRT泄漏檢測(cè)技術(shù)工作原理

2.1 特點(diǎn)

SPRT泄漏檢測(cè)技術(shù)是一種基于序貫分析和概率比檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)推斷方法，作為一種參數(shù)估計(jì)判斷分析技術(shù)，能在保證序貫檢驗(yàn)強(qiáng)度的情況下判斷參數(shù)較小的動(dòng)態(tài)變化，而且觀測(cè)樣本的數(shù)目是根據(jù)檢測(cè)過程中樣本的具體情況而定，需要的樣本比固定抽樣少。該技術(shù)在確保檢測(cè)敏感性和精確性的同時(shí)，可以降低誤報(bào)警率。

乙烯超臨界輸送過程中,若不存在泄漏，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，如式(1)所示，進(jìn)口流量與出口流量之差等于管道中乙烯總量的變化。

qm(ti)=qmI(ti)-qmo(ti)-Δqmp(ti)

(1)

式中：qm(ti)——ti時(shí)刻，修正壓力變化后的流量差；qmI(ti)——ti時(shí)刻，管道進(jìn)口處的流量測(cè)量值；qmo(ti)——ti時(shí)刻，管道出口處的流量測(cè)量值；Δqmp(ti)-ti-1時(shí)刻至ti時(shí)刻的采樣周期中，管道總量變化的修正值，由管道進(jìn)出口處的壓力測(cè)量值計(jì)算得出。

2.2 技術(shù)路線

泄漏檢測(cè)技術(shù)路線的選擇，應(yīng)在保證下列兩種檢驗(yàn)錯(cuò)誤足夠小的前提下，判斷是否有泄漏。

1)第一種錯(cuò)誤。拒真(誤報(bào))，即在非泄漏狀態(tài)下，認(rèn)為有泄漏。

2)第二種錯(cuò)誤。受偽(漏報(bào))，即在泄漏狀態(tài)下，認(rèn)為沒有泄漏。

在管線泄漏檢測(cè)過程中，總是希望發(fā)生這兩種錯(cuò)誤的概率足夠小，但是只有樣本容量足夠大，才能使誤報(bào)和漏報(bào)的概率足夠小，所以，在樣本容量有限的情況下，基于不漏報(bào)比不誤報(bào)重要這一前提，提出了在確保漏報(bào)概率(β)的同時(shí)，降低誤報(bào)警率(α)，并且漏報(bào)概率小于誤報(bào)概率，這2個(gè)概率稱為序貫檢驗(yàn)強(qiáng)度。超臨界乙烯輸送管線選用SPRT泄漏檢測(cè)技術(shù)，在保證序貫檢驗(yàn)強(qiáng)度的情況下，能判斷修正壓力變化后的進(jìn)出口流量差qm(ti)是否發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，從而對(duì)泄漏進(jìn)行報(bào)警。

2.3 泄漏檢測(cè)工作原理

1)提出假設(shè)。

2)構(gòu)造序貫概率似然比作為統(tǒng)計(jì)量來判斷假設(shè)是否成立。

泄漏檢測(cè)軟件運(yùn)行過程中，首先對(duì)t=1, 2, 3,……ti時(shí)刻,逐次采樣計(jì)算qm(ti)，各次計(jì)算得到的樣本qm(1),qm(2),qm(3), …,qm(ti),依次代入式(2)計(jì)算概率似然比：λ1,λ2,λ3, …，λti：

(2)

式中：

(3)

序貫概率比檢驗(yàn)閾值A(chǔ),B為瓦爾德門限β/(1-α)和(1-β)/α的指數(shù)對(duì)數(shù)，且A

2.4 和其他泄漏檢測(cè)技術(shù)相比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

綜上所述： SPRT泄漏檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是不預(yù)先規(guī)定觀察樣本的數(shù)量，而是采用序貫抽樣方法，在檢測(cè)過程中不斷增加觀察數(shù)據(jù)，直到從抽樣個(gè)數(shù)中得出是否存在泄漏的結(jié)論；其次先對(duì)非泄漏狀態(tài)(H0)和泄漏狀態(tài)(H1)提出假設(shè)，然后根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和測(cè)量樣本構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量(序貫概率似然比)作為判決函數(shù)，來判斷假設(shè)是否成立。與其他泄漏檢測(cè)技術(shù)相比，由于觀測(cè)樣本的數(shù)目是根據(jù)檢測(cè)過程中觀測(cè)樣本的具體情況而定，具有需要的樣本數(shù)比固定抽樣樣本數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)。

3 工程應(yīng)用

為了確保SPRT泄漏檢測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用，歸納出超臨界乙烯輸送管線泄漏檢測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用要點(diǎn)如下：

2)輸送工況的影響。在輸送過程中，工況變化引起的壓力變化會(huì)對(duì)管線進(jìn)出口流量不平衡產(chǎn)生影響，易產(chǎn)生誤報(bào)警；引入模式識(shí)別，需考慮如何選擇流量不平衡統(tǒng)計(jì)分布的方差值，以降低誤報(bào)率。

3)儀表測(cè)量精度的影響和數(shù)據(jù)采集保持同步。泄漏檢測(cè)是在一段時(shí)間內(nèi)的壓力和流量采樣數(shù)據(jù)中尋找壓力變化和流量平衡的規(guī)律。儀表重復(fù)精度和數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)簽是壓力和流量比對(duì)的保證，否則將影響檢測(cè)的精確性。

3.1 泄漏檢測(cè)警示門檻值的設(shè)定

表2 λti值對(duì)應(yīng)可檢測(cè)的泄漏量 t/h

在無泄漏狀態(tài)下，λti值始終為負(fù)值。當(dāng)開始發(fā)生泄漏時(shí)，隨著時(shí)間的推移，假設(shè)多個(gè)λti值會(huì)以不同的速率上升，超過警示門檻值。若輸送量的1.6%最接近實(shí)際泄漏量，則λ2以最快的速率越過門檻值，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警示，啟動(dòng)工況模式識(shí)別，排除工況變化形成過渡流的情況后，產(chǎn)生第一次報(bào)警。若實(shí)際泄漏量大于輸送量的25%，所有λti都將上升超過警示門檻值，只是反應(yīng)時(shí)間會(huì)有快慢。

3.2 各種工況的識(shí)別

當(dāng)超臨界乙烯穩(wěn)態(tài)輸送時(shí)，流量和壓力的平均值保持不變或變化很小，當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡時(shí)，壓力會(huì)發(fā)生很大波動(dòng)，形成過渡流或者瞬變流狀態(tài)。超臨界乙烯輸送過程中發(fā)生過渡流的情況大致有： 開泵、通過機(jī)組轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)輸送量、兩相流、泵發(fā)生氣蝕、正常停泵、停電造成的突然停泵，這6種工況變化可以歸結(jié)為小瞬態(tài)、大瞬態(tài)。在監(jiān)視乙烯超臨界輸送過程中流量和壓力的變化波動(dòng)時(shí)，逐步積累了穩(wěn)態(tài)、小瞬態(tài)、大瞬態(tài)三種工況模式數(shù)據(jù)。一旦泄漏警示產(chǎn)生后，啟動(dòng)三種工況模式識(shí)別，根據(jù)穩(wěn)態(tài)、小瞬態(tài)和大瞬態(tài)，選擇不同的σ2值代入公式(3)計(jì)算λ(ti)，重新進(jìn)行是否“接受H0”的判斷，降低了誤報(bào)警率，不同工況下σ2值調(diào)整見表3所列：

表3 不同工況下σ2值調(diào)整

3.3 儀表性能指標(biāo)和數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步

現(xiàn)場(chǎng)的流量計(jì)、壓力儀表和溫度儀表的性能質(zhì)量對(duì)泄漏檢測(cè)非常重要，包括精確度、重復(fù)精度、分辨率等。安裝在超臨界乙烯輸送管線的儀表性能見表4所列：

表4 超臨界乙烯輸送管線儀表性能指標(biāo)

超臨界乙烯輸送過程中，正常工作的儀表對(duì)各種非平穩(wěn)流動(dòng)具有高敏感性，使qm(ti)在非零值上下波動(dòng)，因其統(tǒng)計(jì)平均值保持不變，觀察非泄漏狀態(tài)下連續(xù)監(jiān)測(cè)的流量、壓力和溫度的測(cè)量值，可實(shí)時(shí)修正qm(ti)平均值，該平均值若發(fā)生突變，改變了正態(tài)分布的位置，只要排除了儀表故障，就可以認(rèn)為檢測(cè)到了泄漏。

輸送管線兩端儀表檢測(cè)的數(shù)據(jù)(附時(shí)間標(biāo)簽)通過RTU以100 ms的精度同步上傳到SCADA。GPS衛(wèi)星校時(shí)系統(tǒng)確保了兩端RTU數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔相同[3]，泄漏檢測(cè)軟件每秒從SCADA獲得一次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以此計(jì)算在同一時(shí)刻，進(jìn)口流量與出口流量之差是否等于管道中超臨界乙烯總量變化的修正值。

3.4 注意事項(xiàng)

1)因?yàn)橐蚁毫υ?.5～5.5 MPa內(nèi)時(shí)，其密度和溫度變化較大，為了便于數(shù)據(jù)測(cè)量采集，系統(tǒng)壓力必須在5.5 MPa以上。

2)乙烯切換到超臨界狀態(tài)輸送后，將泄漏檢測(cè)軟件的警示門檻值調(diào)整為輸送量的1.6%，降低漏報(bào)警率；隨著管線使用年限的增加，管線阻力會(huì)升高，相應(yīng)的警示門檻值應(yīng)降低設(shè)定。

3)當(dāng)超臨界乙烯輸送過程中發(fā)生小瞬態(tài)和大瞬態(tài)工況變化時(shí)，以穩(wěn)態(tài)輸送流量σ2值為基數(shù)，在其2～5倍范圍內(nèi)調(diào)節(jié)方差值，降低誤報(bào)警率。

4)啟動(dòng)超臨界乙烯輸送前，檢查SCADA掃描速率是否為1 s/次，管線兩端RTU時(shí)間是否同步，檢查儀表重復(fù)精度，檢查SIS和UPS，檢查閥門反饋信號(hào)，確保SPRT泄漏檢測(cè)軟件正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

在SPRT技術(shù)應(yīng)用于超臨界乙烯輸送管線的泄漏故障檢測(cè)過程中，對(duì)多序貫概率比同時(shí)檢驗(yàn)、輸送工況模式識(shí)別、儀表性能和數(shù)據(jù)采集同步狀態(tài)進(jìn)行了研究，提出了SPRT泄漏檢測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用注意事項(xiàng)，實(shí)踐證明該技術(shù)應(yīng)用于超臨界乙烯輸送過程中的泄漏檢測(cè)，在確保檢測(cè)敏感性和精確性的同時(shí)，降低了誤報(bào)警率，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。