負(fù)壓波法管線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用改進(jìn)研究

張?chǎng)?艾信 任曉峰 劉元?jiǎng)?李健

1西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

2長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院

對(duì)輸油管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)的目的在于及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)泄漏事故的發(fā)生進(jìn)行報(bào)告，并判斷泄漏發(fā)生的程度，確定泄漏位置，在最大程度上減少環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，降低事故隱患[1]。管道泄漏檢測(cè)定位的方法一般可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法直接檢測(cè)泄漏物，主要方法包括：光纖檢漏法、聲波檢漏法、紅外線檢漏法等。間接檢測(cè)法則是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)溫度、壓力、流量等物理參數(shù)的變化來(lái)判斷是否有泄漏發(fā)生以及泄漏位置，主要方法包括：質(zhì)量體積平衡法、輸差分析法、壓力梯度法、負(fù)壓波法等[2]。

基于負(fù)壓波法的泄漏檢測(cè)方法是應(yīng)用較為廣泛的一種方法，其基本原理是：當(dāng)管道上某處突然發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處的瞬態(tài)壓力下降，壓力下降將以波的形式以一定速度向管道兩端傳播，這個(gè)波被稱(chēng)之為“負(fù)壓波”。在一定時(shí)間后，負(fù)壓波分別傳到上下游端，安裝在上下游端的壓力傳感器采集到瞬態(tài)壓力，對(duì)瞬態(tài)壓力進(jìn)行分析判斷即可進(jìn)行泄漏檢測(cè)[3]。這種方法具有較好的靈敏度和準(zhǔn)確度，成本相對(duì)較低，在國(guó)內(nèi)的各級(jí)輸油管道中得到了較為普遍的應(yīng)用[4]。

實(shí)踐證明，負(fù)壓波檢測(cè)法對(duì)明顯的突發(fā)性泄漏的檢測(cè)與定位具有比較好的效果，但受其原理所限，存在固有的不足，主要體現(xiàn)在以下幾方面[5]：①對(duì)壓力緩慢變化的小泄漏檢測(cè)效果較差；②工況擾動(dòng)頻繁時(shí)管道誤報(bào)較多；③基本只適用于單相流不可壓縮液體管道。

1 應(yīng)用存在的問(wèn)題

受地面工藝流程和地形地貌的影響，長(zhǎng)慶油田集輸管線在應(yīng)用傳統(tǒng)的負(fù)壓波泄漏檢測(cè)法（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“傳統(tǒng)方法”）時(shí)存在以下問(wèn)題：

（1）管線工況擾動(dòng)多。由于采用了滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的模式，長(zhǎng)慶油田大量集輸管線的上游站點(diǎn)液量小且來(lái)液不穩(wěn)定，因此多采用間歇輸油或輸油泵變頻調(diào)節(jié)輸油的方法[6]。在這種情況下，傳統(tǒng)方法存在以下兩種誤報(bào)警情況：①間歇輸油時(shí)，輸油泵需要頻繁啟停，當(dāng)輸油泵正常停機(jī)操作時(shí)，管線內(nèi)壓力驟降，此時(shí)泄漏檢測(cè)誤判為管線泄漏；②輸油泵變頻調(diào)節(jié)輸油時(shí)，輸油泵轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，泵的排量相應(yīng)變化，流量輸差隨之變化，此時(shí)泄漏檢測(cè)誤判為管線泄漏。以上兩種誤報(bào)警嚴(yán)重影響了管線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

（2）壓力緩慢變化的小泄漏多。在實(shí)際運(yùn)行中，大量管線泄漏的原因是采出液中含水率不斷升高造成的管道內(nèi)腐蝕穿孔，多體現(xiàn)為滲漏或刺漏的形式。這種緩慢泄漏泄漏量較小，短期內(nèi)瞬時(shí)壓力下降值極小，傳統(tǒng)方法通過(guò)設(shè)定壓力下降閾值去尋找壓力拐點(diǎn)的方法應(yīng)用效果不佳，存在漏報(bào)的情況。

（3）地勢(shì)起伏造成管線不滿管多。長(zhǎng)慶油田位于鄂爾多斯盆地內(nèi)，主要產(chǎn)油區(qū)地處黃土高原，屬黃土高原水土流失區(qū)，受流水、重力、風(fēng)力等作用，逐步形成了溝壑縱橫、梁峁密布、地形支離破碎的復(fù)雜地貌[7]。在這種特殊地形下，部分五、六千米長(zhǎng)的管線全線最大高程差達(dá)到三、四百米。地形起伏較大勢(shì)必造成某些位置的管段充滿程度較低，在這種情況下傳統(tǒng)方法同樣難以適用。

（4）管線數(shù)量過(guò)多成本壓力大。盡管負(fù)壓波管線泄漏檢測(cè)法相對(duì)成本較低，但在長(zhǎng)慶油田密布油區(qū)的集輸管線上全部推廣應(yīng)用仍面臨極大的投資成本壓力。此外，即使實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模推廣應(yīng)用，之后也將面臨巨大的硬件設(shè)備維護(hù)工作量。

2 改進(jìn)措施研究

為了解決傳統(tǒng)方法在長(zhǎng)慶油田原油集輸管線應(yīng)用時(shí)存在的上述問(wèn)題，本文提出了幾種針對(duì)性改進(jìn)措施（表1）。

表1 存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施Tab.1 Existing problems and improvement measures

2.1 應(yīng)用事件分類(lèi)法屏蔽泵況擾動(dòng)

傳統(tǒng)檢測(cè)方法一般只讀取首末站的壓力和瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位，無(wú)法判斷當(dāng)前的輸油狀態(tài)[8]。為了應(yīng)對(duì)頻繁的工況干擾，改進(jìn)后的檢測(cè)方法從輸油泵變頻控制柜中讀取輸油泵電動(dòng)機(jī)變頻器的具體頻率值，根據(jù)頻率變化情況判斷泵的運(yùn)行狀態(tài)。

將采集到的管線首末及中間高點(diǎn)等處的壓力、流量數(shù)據(jù)和輸油泵電動(dòng)機(jī)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況判定為不同類(lèi)型的事件，實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測(cè)。當(dāng)頻率保持穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明泵處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)會(huì)在壓力和輸差異常時(shí)發(fā)出報(bào)警；當(dāng)頻率波動(dòng)時(shí)，說(shuō)明泵處于變頻運(yùn)行過(guò)程中或啟泵停泵過(guò)程中，此時(shí)屏蔽報(bào)警，只提示泵狀態(tài)，避免誤報(bào)。根據(jù)數(shù)據(jù)的不同，可以劃分為五類(lèi)事件：?jiǎn)⒈檬录?、停泵事件、調(diào)節(jié)頻率事件、泄漏事件、泵故障事件。算法流程如圖1所示。

圖1 事件分類(lèi)法流程示意圖Fig.1 Flow diagram of event classification

2.2 應(yīng)用壓力梯度法檢測(cè)壓力變化率

為了解決緩慢泄漏的檢測(cè)問(wèn)題，改進(jìn)后的檢測(cè)方法不設(shè)定特定的壓力檢測(cè)閾值，而是尋找壓力由平穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為持續(xù)下降的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)緩慢泄漏的檢測(cè)。具體實(shí)現(xiàn)方法是：首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的管線起點(diǎn)、終點(diǎn)和中間高點(diǎn)等處的壓力信號(hào)按等時(shí)間間隔進(jìn)行分段，求取每段壓力信號(hào)的最大值、最小值以及均值；隨后，利用前一段數(shù)據(jù)的最大值與后一段數(shù)據(jù)最小值求差，得到壓力分段差序列；最后，如果管道發(fā)生泄漏，壓力會(huì)持續(xù)下降，壓力分段差序列必然存在極值，當(dāng)各壓力信號(hào)的壓力分段差同時(shí)存在極值且該極值在同一分段位置時(shí)，可判斷管道存在異常。算法流程如圖2所示。

2.3 對(duì)不滿管流管線進(jìn)行多點(diǎn)壓力檢測(cè)

傳統(tǒng)方法只在管線的首、末端各安裝一個(gè)壓力變送器，當(dāng)管道內(nèi)出現(xiàn)不滿管流時(shí)，管線內(nèi)工況復(fù)雜、噪聲干擾大，負(fù)壓波的傳播會(huì)受限，造成首、末端壓力傳感器接收不到負(fù)壓波信號(hào)[9]。

改進(jìn)后的檢測(cè)方法提出在管線的特定位置，如管線的高點(diǎn)前后，加裝無(wú)線壓力儀表。壓力信號(hào)可以通過(guò)LoRa（Low Power Long Range低功耗遠(yuǎn)距離）或LTE（Long Term Evolution長(zhǎng)期演進(jìn)）等通信方式傳輸?shù)绞啄┱镜挠布稀?shí)現(xiàn)多點(diǎn)壓力檢測(cè)后，由于管線中間壓力變送器的引入，大大降低了不滿管對(duì)負(fù)壓波傳播的限制，增加了泄漏時(shí)檢測(cè)到負(fù)壓波的可能。

圖2 壓力梯度檢測(cè)法流程示意圖Fig.2 Flow diagram of pressure gradient detection method

2.4 簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)降低成本

傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。上下游的壓力變送器、流量計(jì)、站內(nèi)PLC等設(shè)備均屬于管線和站點(diǎn)配套建設(shè)內(nèi)容，信號(hào)采集裝置是泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的專(zhuān)用設(shè)備。信號(hào)采集裝置多采用獨(dú)立RTU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通信和GPS對(duì)時(shí)等功能。信號(hào)采集裝置負(fù)責(zé)將壓力（或流量）變送器的電流信號(hào)（4～20 mA）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)以太網(wǎng)或串口等通信方式傳送到監(jiān)控系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)，還接收GPS時(shí)鐘的同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)上下游數(shù)據(jù)包的嚴(yán)格時(shí)間同步。

圖3 傳統(tǒng)方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure diagram of traditional method

本文提出一種改進(jìn)措施，即檢測(cè)系統(tǒng)的軟件直接通過(guò)Modbus for TCP/IP協(xié)議從PLC的相應(yīng)寄存器中讀取壓力、流量、外輸泵變頻器頻率等信號(hào)，不設(shè)單獨(dú)的信號(hào)采集裝置。

使用數(shù)據(jù)采集裝置的好處是可以提供高達(dá)100 Hz的采樣頻率，但在長(zhǎng)慶油田實(shí)際應(yīng)用中，由于泄漏量通常較小，壓力變化緩慢，過(guò)高的采樣頻率并無(wú)意義。直接從PLC讀取數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)的采集頻率等同于PLC的數(shù)據(jù)采集頻率，視PLC型號(hào)而定，一般為10 Hz，完全可以滿足泄漏檢測(cè)的需要。上下游PLC通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步，統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)打時(shí)標(biāo)。改進(jìn)后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System structure diagram of improved method

簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)前后對(duì)比見(jiàn)表2。

改進(jìn)后，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)僅需要在主計(jì)算機(jī)上安裝一套軟件便可實(shí)現(xiàn)部署，幾乎沒(méi)有額外的硬件維護(hù)工作量，為泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了可能。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果

為了驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，在某管線進(jìn)行了5組共10次放油測(cè)試，以驗(yàn)收各項(xiàng)改進(jìn)措施的有效性。該管線長(zhǎng)度為6.15 km，測(cè)試時(shí)管道瞬時(shí)輸量Q為11 m3/h。放油點(diǎn)1位于相對(duì)低點(diǎn)，距離上游1.7 km，放油點(diǎn)2位于相對(duì)高點(diǎn)，距離上游3.5 km。在高點(diǎn)附近加裝了無(wú)線壓力變送器。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

測(cè)試結(jié)果顯示：

表2 簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)前后對(duì)比Tab.2 Comparison before and after hardware design simplified

表3 不同試驗(yàn)條件下的方法改進(jìn)前后報(bào)警結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of alarm results before and after improvement with different test conditions

（1）改進(jìn)后的事件分類(lèi)識(shí)別方法可以有效屏蔽啟停泵和泵變頻運(yùn)行造成的誤報(bào)警。

（2）改進(jìn)后的壓力梯度檢測(cè)法可以檢測(cè)到1.0%Q泄漏量的泄漏，原有檢測(cè)法只能檢測(cè)到大于2.0%Q泄漏量的泄漏。

（3）多點(diǎn)壓力檢測(cè)可以改善檢測(cè)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)長(zhǎng)慶油田應(yīng)用的負(fù)壓波法管線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)提出了四項(xiàng)改進(jìn)措施：①應(yīng)用事件分類(lèi)法屏蔽泵況擾動(dòng)；②應(yīng)用壓力梯度檢測(cè)法檢測(cè)壓力變化率；③對(duì)不滿管流管線進(jìn)行多點(diǎn)壓力檢測(cè)；④簡(jiǎn)化泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明改進(jìn)措施有效可行，提高了負(fù)壓波泄漏檢測(cè)法在長(zhǎng)慶油田集輸管線的應(yīng)用效果。簡(jiǎn)化了信號(hào)采集裝置后，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的硬件成本和后期維護(hù)工作量大幅度減少，為進(jìn)一步大規(guī)模推廣創(chuàng)造了便利條件。