海底長輸天然氣管道泄漏監(jiān)測定位方法應(yīng)用

劉文山，廖鴻，唐俊冰，王子佳

（中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司，廣東 深圳 518067）

目前，世界油氣管道天然氣管道網(wǎng)絡(luò)化，將出現(xiàn)更多的跨地區(qū)天然氣輸送網(wǎng)絡(luò),連接多個氣源、儲氣庫和千家萬戶，隨著中國國家管網(wǎng)公司的成立，中國海油南海萬億大氣區(qū)的建設(shè)，后續(xù)氣田將依托已建成的連通粵港澳大灣區(qū)和海南自由貿(mào)易港天然氣管網(wǎng)大動脈接入全國天然氣管網(wǎng)。崖城13-1氣田海底輸氣管道是由一條直徑28英寸、全長778公里輸送天然氣給下游用戶。海底管線在使用過程中可能受多種因素的影響而發(fā)生損壞泄漏，海底長輸管線無法通過人員目視巡檢等方式來連續(xù)監(jiān)測管線泄漏，如發(fā)生泄漏不能及時發(fā)現(xiàn)及定位，會給氣田造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，帶來巨大的環(huán)境污染問題。

1 泄漏監(jiān)測定位方法

管道泄漏檢測與定位技術(shù)從技術(shù)分類，分為基于硬件的泄漏檢測方法和基于軟件的泄漏檢測方法，明顯優(yōu)于基于硬件的泄漏檢測方法，在基于軟件的泄漏檢測方法中，動態(tài)質(zhì)量平衡原理、負(fù)壓波法監(jiān)測管道泄漏的應(yīng)用范圍較廣。

1.1 泄漏監(jiān)測定位的性能

管道泄漏自動檢測系統(tǒng)如果能夠準(zhǔn)確定位泄漏點、計算泄漏量及時準(zhǔn)確連續(xù)監(jiān)控泄漏，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染及更大危險的發(fā)生。對一種泄漏檢測方法的優(yōu)劣和性能的評價，主要從定位精度、檢測時間、泄漏檢測的范圍及誤報警率這幾個方面進(jìn)行評價。

1.2 動態(tài)體積流量平衡檢漏法

動態(tài)體積流量平衡檢漏法是輸氣管道泄漏檢測的基本方法，主要利用傳輸流體的物理性質(zhì)來計算管道出入口輸氣體積流量差，并得到管道內(nèi)部流體的體積變化。在沒有泄漏發(fā)生時，管道兩端輸入、輸出天然氣體積變化量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诠艿纼?nèi)部天然氣管存的變化量；若有泄漏發(fā)生，管道輸入、輸出變化量與管道內(nèi)天然氣管存變化量會產(chǎn)生一定的偏差。該方法具有原理簡單、操作簡便易行的優(yōu)點，但是，只能作為判斷海管泄漏的方法，計算大概的泄漏量，并且無法對泄漏點進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

1.3 負(fù)壓波法泄漏定位

當(dāng)管道破裂發(fā)生泄漏時，由于泄漏部位的物質(zhì)損失、此處流體密度減小，導(dǎo)致此處流體的壓力突然降低，產(chǎn)生一個負(fù)壓波。負(fù)壓波以一定波速向海管兩端傳播，負(fù)壓波在海管的波導(dǎo)作用下能夠傳播較遠(yuǎn)距離，安裝在管道兩端的壓力傳感器根據(jù)監(jiān)測的壓力變化情況，若在一定距離的管道兩端安裝壓力傳感器以捕捉這種包含泄漏信息的負(fù)壓波，通過對上下游站點負(fù)壓波的相關(guān)性分析，通過分析判斷是否發(fā)生油氣泄漏。而由負(fù)壓波的傳播速度和管道始末兩端壓力傳感器捕捉到的負(fù)壓波到達(dá)的時間差，根據(jù)兩端變送器收到該波的時間差及傳播速度計算出泄漏位置進(jìn)行定位。

2 泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)設(shè)計與實施

利用崖城氣田現(xiàn)有的儀器儀表及生產(chǎn)控制系統(tǒng)，根據(jù)海管工況及現(xiàn)有的海管測量參數(shù)深入分析研究，將氣田和陸地天然氣終端兩地實時測量的原始數(shù)據(jù)利用管道中流體流量體積守恒原理和負(fù)壓波法定位原理建立數(shù)學(xué)模型，在生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計一整套海底管線泄漏監(jiān)測及漏點定位系統(tǒng)。

2.1 泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用平臺及終端原有的測量裝置，裝置包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量計、超級流量計算機(jī)、DELTAV生產(chǎn)控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機(jī)、工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制解調(diào)器和衛(wèi)星通信等組成。系統(tǒng)運行時，海管現(xiàn)場信號經(jīng)過傳感器、變送器送到DELTAV系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡，集散控制系統(tǒng)對采集的信號進(jìn)行邏輯運算，分析處理。平臺與香港終端之間數(shù)據(jù)實時交換，實時計算管存量，通過體積流量守恒原理，判斷是否發(fā)生泄漏，會給出報警信息，對泄漏點進(jìn)行定位。

2.2 泄漏定位系統(tǒng)硬件組成

泄漏定位系統(tǒng)硬件主要包括氣田使用的壓力傳感器、溫度傳感器、高級孔板流量計、超聲波流量計及DELTAV集散控制系統(tǒng)等組成。在這多傳感器系統(tǒng)中，各種信息的多樣性以及對信息處理的速度要求高，對多種信息進(jìn)行獲取及處理，取得內(nèi)在的聯(lián)系與規(guī)律，進(jìn)行信息刪選與剔除，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息優(yōu)化。

2.3 泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

安裝在崖城氣田的泄漏監(jiān)測與定位系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集及保存、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、歷史數(shù)據(jù)分析和文件服務(wù)四個模塊，可以實現(xiàn)海管數(shù)據(jù)采集與保存、接受和保存香港終端海管出口數(shù)據(jù)、綜合分析海管數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏報警和定位、報警和定位信息的自動保存、歷史數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及文件服務(wù)等功能。

2.3.1 軟件的主界面

人機(jī)主界面顯示，崖城氣田天然氣用戶流量計量匯總表及香港管線管存量計算、香港終端天然氣流量計量匯總、平臺海管入口基本參數(shù)采集和香港終端海管出口參數(shù)采集等數(shù)據(jù)信息。主界面通過泄漏值實時監(jiān)測趨勢圖、平臺與香港管線的壓力溫度歷史曲線圖等顯示相關(guān)趨勢圖，通過泄漏閾值參數(shù)設(shè)置、泄漏值顯示與報警設(shè)置，及時發(fā)出警報進(jìn)行操作提示。

2.3.2 天然氣用戶流量計量匯總

實時采集平臺天然氣每個用戶的壓力溫度流量參數(shù)，計算出當(dāng)天從零點開始的實時累加值，干氣壓縮機(jī)出口天然氣總累加值，根據(jù)這些累計值計算出當(dāng)天輸入香港海管流量體積，再減去香港終端下游用戶及鍋爐用氣，高壓吹掃排放氣用氣當(dāng)天的累加值，就得到當(dāng)天海管天然氣實時增加的流量體積。優(yōu)化海管計算管存量算法，計算結(jié)果達(dá)到了國際商業(yè)貿(mào)易計量的要求，根據(jù)海管兩端的壓力和溫度計算海管實時的標(biāo)準(zhǔn)天然氣存量。

2.3.3 泄漏報警及泄漏量實時監(jiān)測

根據(jù)流量體積守恒原理，計算泄漏量，實時監(jiān)控。正常情況下，泄漏量的理論值為零。但在測量誤差，系統(tǒng)誤差影響下實際值在0～2百萬立方英尺波動。泄漏報警根據(jù)體積流量守恒，從當(dāng)天的零點開始計算實時的累計增量加上零點是海管的管存量與實時的計算的管存量相比，超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，“LEAKAGE LOSS”值變紅色并閃爍，系統(tǒng)發(fā)出報警聲進(jìn)行提示?！癓EAKAGE SP”閾值可以點擊顯示數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。

2.3.4 泄漏點定位

泄漏報警觸發(fā)后，預(yù)設(shè)好的壓力檢測趨勢圖按鈕調(diào)取歷史曲線，查看壓力歷史趨勢圖，捕捉平臺檢測到負(fù)壓波的時間，當(dāng)泄漏時，負(fù)壓波向兩端傳播，兩端壓力歷史曲線正常應(yīng)該是比較平穩(wěn)，波動不大，泄漏時會產(chǎn)生突降曲線，把曲線光標(biāo)移動壓力拐點上，該點時間即為檢測到負(fù)壓波的時間，捕捉檢測到負(fù)壓波的時間，系統(tǒng)計算兩地檢測到的時間差，計算出泄漏點的位置，對泄漏點進(jìn)行定位。

2.4 泄漏案例驗證

海管大修時，香港海管壓力需要降低至維修壓力點5723kPa，降壓期間，平臺天然氣輸入海管的氣量減小，香港終端銷售氣量加大，在系統(tǒng)中將銷售瞬時流量保持不變，模擬海管泄漏，當(dāng)海管壓力下降，計算后的海管管存增量小于海管兩端輸入輸出海管的實際增量，當(dāng)差值大于泄漏量定值時，系統(tǒng)泄漏報警。

將2013年香港海管受外力拖拉發(fā)生泄漏時的原始參數(shù)輸入數(shù)學(xué)模型，設(shè)定值為28.317萬立方米時，當(dāng)泄漏量大于設(shè)定值時，海管的壓力下降140kPa，系統(tǒng)泄漏報警。根據(jù)海底管線壓力歷史趨勢圖，獲取負(fù)壓波的拐點時間，相關(guān)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)計算為498.88公里處發(fā)生泄漏，實際發(fā)生泄漏點為500公里處。

3 結(jié)語

體積流量守恒在海底長輸氣管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)有應(yīng)用原理簡單、誤報警率低和精準(zhǔn)檢漏等方面的優(yōu)勢。壓力傳感器準(zhǔn)確捕捉提取海管兩端接收到負(fù)壓波時間，實現(xiàn)管線泄漏點實時準(zhǔn)確定位，運行穩(wěn)定。在較小體積流量損失時，做到提前報警、定位，可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，為泄漏事故發(fā)生時應(yīng)急響應(yīng)爭取了時間，防止事故擴(kuò)大。這套泄漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝在崖城13-1氣田，并通過模擬泄漏測試及實際測試，系統(tǒng)成功地提前預(yù)警，較小體積流量泄漏報警，實現(xiàn)了海底管線泄漏檢測及泄漏點定位。