管道泄漏報警定位技術(shù)應(yīng)用綜述

賈盼龍，王 蕊，谷國劍，賈春龍

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.長慶油田公司 第一采油廠，陜西 延安 716000；3.陜西省天然氣股份有限公司，西安 710000）

0 引言

管道作為五大運(yùn)輸工具之一，被廣泛應(yīng)用于油氣田原油生產(chǎn)過程中。近年來，輸油管道泄漏事故高頻次發(fā)生，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)運(yùn)行，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失及資源浪費(fèi)，僅長慶油田每年經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千萬元，同時原油泄漏容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故和重大環(huán)境污染事故。因此，從經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)保因素來看，對管道泄漏的及時發(fā)現(xiàn)和定位研究成為目前各大油田亟待解決的問題。管道泄漏自動監(jiān)測技術(shù)，能夠及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)泄漏，迅速發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，便于及時采取措施，最大程度降低泄漏損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本文介紹了現(xiàn)有國內(nèi)外管道泄漏監(jiān)測方法，重點(diǎn)介紹了安塞油田“負(fù)壓力波法”與“輸量平衡法”相結(jié)合的管道泄漏報警及定位監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合目前應(yīng)用現(xiàn)狀對管道泄漏監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測。

1 管道泄漏監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

目前，管道泄漏監(jiān)測技術(shù)主要有3類：生物方法、硬件方法、軟件方法。

1.1 生物方法

生物方法為最傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，靠人工或經(jīng)過特殊訓(xùn)練的動物沿著管線行走查看管道附件異常情況或通過聞氣味、聽聲音等手段獲得泄漏信息。這種方法直接準(zhǔn)確，但效率低下、實(shí)時性差，且耗費(fèi)人力，勞動強(qiáng)度大。

1.2 硬件方法

硬件方法主要通過硬件檢測設(shè)備或電纜、光纖等信號傳輸手段獲取管線泄漏信息，最常用的主要有電纜檢測法、示蹤劑檢漏法、分布式光纖檢測法、溫度檢測法等。

1.2.1 電纜檢測法

電纜檢測法是在管道沿線敷設(shè)一種特殊電纜，這種電纜具備與管道輸送介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或物理反應(yīng)能力。當(dāng)發(fā)生泄漏時，管道內(nèi)部流體介質(zhì)與電纜發(fā)生物理或者化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電纜的傳導(dǎo)特性發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)泄漏監(jiān)測。

該方法通過監(jiān)測電纜的傳導(dǎo)性改變進(jìn)行泄漏判斷，投入成本高，且電纜不能重復(fù)使用，因此應(yīng)用較少。

1.2.2 示蹤劑檢漏法

示蹤劑檢漏法通過放射性示蹤劑（如碘等放射性物質(zhì)）加到管線內(nèi)，當(dāng)管線發(fā)生泄漏時，放射性示蹤劑流入泥土中。管道內(nèi)部放油示蹤劑檢測儀，在輸送流體推動下前進(jìn)，經(jīng)過泄漏點(diǎn)附近時，會很快檢測到泄漏到管外示蹤劑的放射性并進(jìn)行記錄，從而確定管道泄漏位置。

示蹤劑檢漏法針對微量泄漏的靈敏度高，但由于放射性示蹤劑對人身安全和生態(tài)環(huán)境的影響，此方法有待改進(jìn)提升。

1.2.3 分布式光纖檢測法

分布式光纖檢測法利用光纖監(jiān)測管道沿線的振動信號，當(dāng)管道周圍發(fā)生異常狀況造成振動時，光纜發(fā)生應(yīng)變特性，從而導(dǎo)致光纜中相位及偏振狀態(tài)發(fā)生改變，系統(tǒng)檢測到該變化，進(jìn)行進(jìn)一步辨識和報警。

分布式光纖檢測法可以檢測到管道發(fā)生泄漏的基本情況，也可對管道沿線發(fā)生的危害事件進(jìn)行預(yù)警提示，但這種方法靈敏度過高，難以排除干擾，因此應(yīng)用較少。

1.2.4 溫度檢測法

該方法通過測量緊鄰管道環(huán)境溫度變化來進(jìn)行管道泄漏監(jiān)測和定位，已成功應(yīng)用至熱水管道的檢測中，應(yīng)用效果可嘉。

溫度檢測法的局限性表現(xiàn)在傳感器需直接安裝在管道，對管道傷害較大，且設(shè)備容易損壞，費(fèi)用高。

1.3 軟件方法

軟件方法采用由軟件系統(tǒng)提供的壓力、流量、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，通過參數(shù)變化、質(zhì)量守恒或體積平衡、流體動力學(xué)模型和壓力分析等軟件分析方法，檢測分析泄漏情況。主要方法有：壓力梯度下降法、負(fù)壓力波法、輸量平衡法、實(shí)時模型法等[1]。

1.3.1 壓力梯度下降法

正常輸送情況下，管線沿程壓力分布為一條斜直線，如果發(fā)生管道泄漏，泄漏點(diǎn)附近前后的流量則分別增大和減小，相應(yīng)管道沿程壓力在泄漏點(diǎn)附近的斜率會發(fā)生改變，形成一個拐點(diǎn)。

此方法需要在管路上設(shè)置多個壓力檢測點(diǎn)，現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)；另外，地形等復(fù)雜情況使得沿程壓降具有非線性特性，影響使用效果。

1.3.2 負(fù)壓力波法

此方法原理是在管道的內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓力差，管道內(nèi)部的輸送流體會快速流出，在泄漏點(diǎn)位置造成壓力突降。泄漏點(diǎn)附近的氣體在壓力差的作用下流向泄漏點(diǎn)，產(chǎn)生一個在泄漏點(diǎn)附近的壓力波動，即負(fù)壓波[2]。負(fù)壓波以一定速度傳播至泄漏點(diǎn)的兩端，利用提前安裝在管道上下游兩端的壓力傳感器就能及時檢測到壓力波信號，通過計算機(jī)軟件精準(zhǔn)計算兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時間差，就能快速定位泄漏點(diǎn)。

1.3.3 輸量平恒法

此方法的原理是在一條不泄漏的管道內(nèi)，當(dāng)管道正常輸送時，上游端出站流量理論上和下游端進(jìn)站流量是基本相等的，如果檢測到出站流量跟進(jìn)站流量有較大的流量差，則認(rèn)為管道發(fā)生了泄漏。

該方法在管道的壓力以及流速變化不大的情況下，也可以檢測出泄漏的存在。但是實(shí)際管道輸送過程中，由于管道本身的彈性和流體性質(zhì)變化等多種因素影響，首末兩端的流量變化會有不同時性。所以，這種方法準(zhǔn)確性不高，且不能確定泄漏點(diǎn)的位置。

1.3.4 實(shí)時模型法[3]

實(shí)時模型法要建立管道的實(shí)時數(shù)學(xué)模型，其邊界條件由現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供。模型建立過程需要質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和流體狀態(tài)方程等，也需考慮流體速度、溫度、壓力、比重和粘度等變化，通過模型預(yù)測管道狀態(tài)。當(dāng)測量值與模型計算值存在差異，超過閾值時，說明存在泄漏。

此方法建模計算工作量大，精度取決于模型準(zhǔn)確性和硬件采集系統(tǒng)精度，實(shí)際運(yùn)行中誤報率高。

2 安塞油田管道泄漏檢測定位技術(shù)簡介

圖1 SCADA系統(tǒng)站間管網(wǎng)監(jiān)控曲線Fig.1 Monitoring curve of SCADA system inter station pipe network

圖2 負(fù)壓力波原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of negative pressure wave

圖3 KLDHY系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.3 Schematic diagram of KLDHY system

安塞油田近年來不斷探索管道泄漏檢測的先進(jìn)方法，目前主要通過SCADA系統(tǒng)中的輸差壓差監(jiān)控，完成對管道泄漏的報警檢測。為了進(jìn)一步提升泄漏報警準(zhǔn)確性，并完成及時準(zhǔn)確的泄漏點(diǎn)定位，近年來不斷推進(jìn)以“負(fù)壓力波法”與“輸量平衡法”相結(jié)合的KLDHY-Ⅱ管道泄漏報警及定位監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 SCADA監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)主要完成上下游站點(diǎn)流量、壓力實(shí)時數(shù)據(jù)采集，通過軟件內(nèi)部計算獲取壓力差和流量差。通過報警上下限設(shè)置，當(dāng)流量差或壓力差大于設(shè)定值時發(fā)生報警，提示管網(wǎng)發(fā)生泄漏。工作人員第一時間現(xiàn)場核實(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)確實(shí)存在異常時，第一時間采用“一鍵停泵”手段完成原油輸送，并安排巡線尋找泄漏點(diǎn)。

2.2 KLDHY-Ⅱ管道泄漏報警及定位監(jiān)測系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)的流量差、壓力差可以判斷管線是否發(fā)生泄漏，但單一的報警條件設(shè)置導(dǎo)致系統(tǒng)誤報率高，且系統(tǒng)無準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)的功能。因此，便產(chǎn)生了“負(fù)壓力波法”與“輸量平衡法”相融合的多元互補(bǔ)型管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)——KLDHY-Ⅱ管道泄漏報警及定位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)報警采用混合條件設(shè)置，通過“三降一升”（上下游站點(diǎn)壓力下降、下游站點(diǎn)流量下降、上游站點(diǎn)流量上升）判斷準(zhǔn)則，可大大降低誤報率，同時提升數(shù)據(jù)采集頻率，通過“負(fù)壓力波法”準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)。

2.2.1 系統(tǒng)原理

該方法的理論依據(jù)是：當(dāng)上下游兩站間輸送管段內(nèi)某點(diǎn)發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)壓力突然降低，所形成的負(fù)壓力波將沿管線向上下游傳播，瞬時傳播速度與介質(zhì)的粘度、密度、管線管徑、彈性模量等有密切關(guān)系，隨泄漏位置的不同，上下游站點(diǎn)的響應(yīng)時間也有所不同，通過時間差準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)，為了防止誤判，同時設(shè)置“三降一升”（上下游站點(diǎn)壓力下降、下游站點(diǎn)流量下降、上游站點(diǎn)流量上升）判斷準(zhǔn)則，提升系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性和實(shí)時性。

2.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)、計算機(jī)報警監(jiān)測系統(tǒng)組成。在典型的點(diǎn)對點(diǎn)管線（即站對站的管線，基本由主監(jiān)控計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置、前端儀表構(gòu)成）上，安裝KLDHY-Ⅱ系列管道泄漏報警定位系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如圖3所示。

2.2.3 技術(shù)指標(biāo)

1）監(jiān)測精度大于瞬時流量（流速）的1%。

2）單段最大監(jiān)測管道距離≦60km。

3）定位精度小于管線長度的0.5%±100m。

4）報警響應(yīng)時間＜60s。

5）壓力報警閾值：0.002Mpa～0.02Mpa（根據(jù)工況條件設(shè)定）。

6）漏報率為≦1%。

2.2.4 系統(tǒng)應(yīng)用

圖4 壓力運(yùn)行曲線Fig.4 Pressure operation curve

該系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)相比，能夠更加靈活地設(shè)置報警條件，通過上游站點(diǎn)流量上升和下游站點(diǎn)流量、壓力，上游站點(diǎn)壓力下降的“三降一升”判斷準(zhǔn)則，使得系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確性提升，有效地降低誤報率。

SCADA系統(tǒng)采樣周期為2s，KLDHY-Ⅱ系統(tǒng)采樣周期為0.2s，系統(tǒng)可通過定位上下游站點(diǎn)壓力、流量拐點(diǎn)，通過壓力波的傳輸速度及時間差精確計算獲得泄漏點(diǎn)位置，特別對于長輸管線能夠迅速縮小泄漏范圍，及時發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，距離實(shí)際泄漏點(diǎn)100m以內(nèi)。

3 管道泄漏監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著管道工業(yè)的快速發(fā)展，研制開發(fā)精確實(shí)時的管道泄漏檢測系統(tǒng)，可提升泄漏檢測及定位的精確度和可靠性，大幅減小管道泄漏造成的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。管道泄漏檢測技術(shù)有如下發(fā)展趨勢[5]：

1）以軟件分析為主、硬件檢測為輔的軟硬件結(jié)合方法。近年來，計算機(jī)技術(shù)、控制理論、信號處理、模式識別、人工智能等多種學(xué)科的發(fā)展，促進(jìn)了以軟件分析為主的管道泄漏檢測分析方法。該方法依賴于硬件傳感器布設(shè)，能實(shí)時監(jiān)測，及時報警，依然是研究的熱點(diǎn)和趨勢，且作為非線性時變參數(shù)的管道輸送系統(tǒng)，自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等人工智能方法在檢測和定位算法中也將發(fā)揮重要作用。基于硬件的方法定位精度且誤報率低，因此硬件方法和軟件方法相結(jié)合，將是未來研究熱點(diǎn)。

2）泄漏檢測系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的結(jié)合

圖5 KLDHY系統(tǒng)定位結(jié)果Fig.5 Positioning results of KLDHY system

SCADA系統(tǒng)能對管道運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，為泄漏檢測提供數(shù)據(jù)源，是管道自動化發(fā)展方向。單一的管道泄漏檢測系統(tǒng)投入較高，因此將它集成到SCADA系統(tǒng)中，充分融合運(yùn)用SCADA系統(tǒng)的各項功能，與SCADA系統(tǒng)結(jié)合提升管道泄漏檢測準(zhǔn)確性的同時，降低成本。

3）負(fù)壓力波法是現(xiàn)有主流的管道定位方法，但壓力傳輸過程中含有大量噪聲。高幅值噪聲和干擾信號甚至?xí)⑿孤┊a(chǎn)生的有用信號淹沒，因此信號去噪也是管道泄漏檢測和定位方法研究中要突破的重要內(nèi)容。

4）光纖傳感器是近年來研究的熱點(diǎn)，在測量物理量的同時，可以進(jìn)行信號傳輸，能夠有效解決信號衰減，提升抗干擾能力。此外，隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，未來分布式光纖傳感器在管道泄漏檢測定位技術(shù)中將有良好應(yīng)用前景。