基于负压波和流量平衡醮管道泄漏监测系统研究.pdf

《基于负压波和流量平衡醮管道泄漏监测系统研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于负压波和流量平衡醮管道泄漏监测系统研究.pdf（5页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、基于负压波和流量平衡的 管道泄漏监测系统研究 李新建邓雄 ( 西南石油大学 石油工程学院四川 成都 6 1 0 5 0 0) 【 摘 要】输油管道大量应用于现代社会中， 但是由于自然因素和人为因素 管道泄漏事故时有发生， 造成严重后果，因此建立管道泄漏监测系统意义重 大 本文介绍 了管道泄漏监测的原理 ，设计 了负压波 一流量平衡 法监测 系 统 ，可以同时监 测压 力和流量，对于由泄漏所 引起 的负压波和流量 变化进 行综合判 断，解决了单独使用 负压波检测技 术时误报 率高、无法实时监测 管道和缓慢渗漏的问题 ，采用 了一些新技 术，提 高 了输油管线发 生泄漏时 报警和定位的精确性 在油

2、田的实验结果表明，该系统稳定可靠 【 关键词 】 泄漏监 测 系统 ，负压波 ，流量平衡 ，小波变换 1 泄漏监测与定位的研究意义 自 1 8 7 9年世 界上 首条输 油管 道 建 成 以来 ，经过 一 百 多 年 的发 展 ，管道运输 已经 发展成 为公路 、 铁路 、空运 、海运之外 的第五大运 输体系。管道运输具有成本低 、供 给稳定 、节能 、安全 等优点 ，广泛 应用于流体的输送。但是 ，随着管 龄的增长，由于腐蚀 、磨损等 自然 因素 ，管道泄漏事故 时有发生 ，据 统计 1 9 8 6年以前修建的输油管线 平均穿孑 L 率为 0 6 6 次 f 公里年) ，另 李新建 ( 1

3、9 8 6 一) 河南新蔡人，主要从事输油管道的泄漏检测和降 低油品蒸发损耗等油气储运方面的学习与研究。 3。I 石 油 和 化 工 设 釜 o0。 一方 面 ，近年 来 不 法分 子 在输 油 管道 上打孔 盗油行 为也 日益频 繁 。 输油管道泄漏不仅影响 了管道的 正 常运 行 ，而且 还威 胁 到 人们 的 生 命财 产 安全 ，流 失 油 品会造 成 巨大的经济损失 。还会造成环境 污 染 。如 何能 够 实 时地 监 测 管道 泄漏事故 ，并尽快定位 泄漏点 ，对 降 低油 品 损失 和环境 污 染 、预 防 重 大事 故 的发 生 ，具 有重 要 的现 实 意 义 2 泄漏检测和

4、定位的原理 2 1负压波法泄漏检测 技术和定位 原理 管 道 发生 泄 漏 时 ，泄 漏 点 因 流体介质损失而引起的局部液体 密度减小，导致瞬间压力降低，作 为压力波源通过流体介质向泄漏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m点的上 、下游传播 ，相当于在泄漏 点处 产 生 了 以一 定 波速 传播 的负 压力波 ，在水 力学j 一 成 为负压波 ， 又称 为减压 波 。 当负压波传播到管道端点时， 引 起上 游 站 出站 压 力 和下 游站 进 站 压力 降 低 ，可 以通 过设 置 在管 道两端 的动态压力传感器 p 、p ， 捕 捉到负压波。泄漏点的不同时，负

5、压 波到 达 管 道两 端 的 时 间差 也不 同。根据时间差 、管道长度 、负压 波 传播 速 度 ，可 以进 行 泄漏 点 的 定 位 。 如 图 1 所 示 ，被 监 测管 道 长 度为 L ，管内流体的流速为V，负 压 波的波 速为，泄漏点 在距上 游 泵站 x的地方 ，负压波 到达管道首 站的时间为t ，到达管道末站的时 间为 t 。设 A， = ， ， 一， 即 ： x l 。 一x A t c -V (1) c + 、 整理 可得 ： 一 ) 十 f(c )】 上式J f J 一 般在 1 2 0 0 m s 左右， V在 1 3 m l 之间 ，因此可 以忽略 v 。 因此上式

6、 又可化 简 为 ： = + c f ) ( 2 ) 式 中 x一 泄漏 点到 上游站 的 距离 ，m； L一监测管道的总长度 ，ln ； c 一 负压波在管输 流体 中的传 播速度 ，m s ； ， 一上下游压力传感器接收 到负压波的时间差 ，s ： 2 2 流量平衡法判断泄漏的原理 负压波法监测管道具有响应 速度快和定位精度高的特点 ，但 L I X 一 一_ 卜 ， 游 =l_ - 一 游 1 只 潮 B I 站 容 易对管道本身的T况的变化误 报 警 ， 比如 开关 阀 门 引起 的 负压 波 就可 能 触 发报 警 ，另 外 负压 波 只能 反映 出管道发 生泄漏 的过程 不 能持

7、续 反 映泄 漏 的状 态 ，对 于 缓慢 的微渗漏 ，用负压波法也很 难检测与定位 。为了克服这些缺 点 ，可以同时引人流量平衡法 ，辅 助 负 压波 法 对管 道 的运 行 状 况进 行 监测 ，这 样 就可 以很好 地 解 决 单 独使 用 负 压波 监 测技 术 时 误报 率 高 、无 法实 时监 测管 道 运 行情 况 的 问题 ，并 在一 定程 度 上 解 决 缓慢渗 漏无 法监测 的 问题 。 在被测管道上 、下游 站安装 流量计获得它 们的流量 ，当管道 正常运行时 ，上 、下游站流量的流 量差会维持在某一定值附近，当管 道发生泄漏时 ，上游站的流量会上 升，下游站的流量会下降

8、，流量差 会明显变大 。根据这个原理 ，可 以 设置一个阈值，超过这个阈值，即 可判断管道发生了泄漏事故。 3 监测 系统关键技术分析 3 1负压波在液相 中波 速的确 定 负压波瞬 时传播速度是管 内 流体粘度、密度、管道管径 、弹性 模量的函数。负压波波速 的求取 公 式 )= 豁 ( + 口) (3 ) 式 中k ( t ) 一 液体体积 弹性 系 数 ，P a ； p ( t ) 一液体密度，K g m ； D管径 ，m； E一 管材的弹性模 量 ，P a ； e 管壁厚度 ，m； a一修正系数； 其中，D、 E、e 、 a 均可以通过 实验或者经验数据得到 ，但 k和 p 是 流体

9、温 度 的 函数 ，必须 考 虑 温 度对 负 压 波波 速 的 影 响 ，所 以采 集压 力 的同 时还 要 采集 管 流 的温 度 ，对负压波 波速进 行温度修 正 。 下面具体讨论 k 、p和a 的求法1 1 ： ( 1 )液体的弹性系数 k表征了 液体受到外界变化而引起液体体 积改变 的特性 ，它在数值上等于 压缩 系数 F的倒 数 。压缩 系数 的计 算公式 为 ： ” =0 5 1 9 9 2 +0 0 0 2 3 6 6 2 t + + ( 4) 其中 F一 压缩 系数 ，P a 一 1 ； p 一标准密度 ，K g m ； t 一液体温度 ， ； 再得 出 k = l F (

10、2 )油 品密度 p受温度影 响较 大 ，它与温度 的关系式为： P t )=P 2 o 一a - 2 o ) 5、 其 中 P ， ， t c c 时油 品的密 度 ，K z m ； ， 一油品 在 2 0 下 的密度 ， K #m ； 2 。 o 9 川 ，石油神化工设备i 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m一油 品 的 体 积 嘭 帐 系 数 ， Kg ( m o C ) ， ( 3 )修正 系数 a 与管道 的约束 情 况 有关 ，在管 道 上 下游 都 有 站 场 的情况下 ： =l 一 ( 6) 其 中 为管材 的泊 松系数 。 3 2 负压波在气液

11、两相流 中波速的 确定 油 品在 管输 过程 中 ，常 夹带 有 气 体 ，体积 弹 性模 量 和密 度 均 会发 生 变 化 ，其 变 化程 度 与气 体 的含 量 和 所 受 的压 力 有 关 ，I S P e a r s a l l 推 导出了气 、液两相流 中 的波速公 式 ： V k E e ( 7) 式中 m一单位体积内气体质 量 ，K g m ； M一气体摩尔质量，K e , K m o l ； T一流体的热力学温度，K； R一摩尔常数 ，K J ( K K m o 1 ) ； P一 液体的绝 对压力 ，P a ； 32 J 石 油 和 化 工 设 置 o0。埘 3 3 负压 波

12、传 到上 下游站时间差的 确 定 泄 漏定 位 的关 键 就是 求 出时 间差 。求 相 对 时间 需 要选 择 一 个 共 同 的时 间 基准 ，但 是 上下 游 站 计算 机 存 在 不确 定 的 基准 差 ，很 难直接计算时间差，可以使用 G P S ( 全 球定位 系统) 的原子钟 时间解决 该 问题 。 为 了精 确 获 得 泄 漏 引 发 的压 力波传播到上下游传感器 的时间 差 ，需 要 准 确地 捕 捉 到 泄漏 负 压 波 信号 的拐 点 。 由于 现 场存 在 电 磁 干扰 、输 油 泵 的振 动 和加 热 炉 等因素的影响 ，实际采集到的负 压波信号附着大量的噪声 ，可以

13、 采 用小 波 变 换对 采 集 到 的信 号 进 行处理 ，获取压力波 的拐点 ，从而 得 出精 确的时 间差 6 1 。 小波 变换是 1 9 8 0 年 后发展起 来的信号处理方法 ，被誉为分析 信号的 “ 数学显微镜” ，它能分辨 出传统 的傅立叶变换不能分辨的 信号。它是将某一被称为基本小 波 的 函数 ( t ) 做移 位 后 ，然后 在 不 同尺度下 与待分析的信号 x ( t ) 作积分 ，把时间域信号变换到频 率域信号 ： ： ) ， 口d - o O d 0 ( 8) 变 换 后 ，通 过 滤 波 器 滤去 干 扰波 ，然后再进行一次反傅 氏变 换 ，把频率域信号变换到时间

14、域 信号 ： 如 ( 9) 小波 变 换 具 有 多分 辨 率 的 特 点 ，即可以由粗及精逐级分析信 号 ，也 可 以看 成 用 基本 频 率特 性 为 ( t o ) 的带通滤波 器在不 同尺度 下对信号作滤波 。在输 油管道的 上 、下游站分别安装压力变送器 采集 压力波 ，当监 测到负 压波后 ， 把信号传输到监控中心 ，确定各 自的 负压 波 拐点 对 应 的时 刻 ，两 值 相减 即得 负压 波 传播 到 上下 游 的时间差 。 4 构建管道泄漏监测系统 本 监测 系统 可 以完 成管 道 泄 漏 的检测 和定位 。 系 统 主要 由硬 件设 计 和软 件 设计两部分 ， 其结构如

15、图 2 所示 。 管 道 压 力通 过 上 、下游 站 的压 力 变 送 器将 信 号 送 入上 、下 游站 的信 号采集器 中。信号采集器利用接 收到的GP S信号为采集到的每组 信号附加上时间标志 ，远程终端 装置( R T U ) 将采集的流量 、压力 、温 度等参数传递给监控中心 ，对管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m道 的运 行状 况进行 实时监 控 。 4 1系统硬件构成 整 个监 测 系统 由放 置在 中央 控制室的一台工控机和若干个远 端输 油站点 的压力 采集 系统组成 。 具体又可分为信号采样系统( 包括 流量变送器 、压力变送器 、温度变

16、送器等) 、信号处理系统、报警装置 和 定位 系统 。 安 装 在 管道 的上 、下游 站 的 高 精 度压 力 变送 器 、温 度 变送 器 和流 量信 号 发 生器 等 仪 表 ，对 现 场信号进行采集 ，信号通过传感 器传送到高速采集设备 ，转换成 数字信号，通过 R T U传输到控制中 心，中心的工控机接收到信号后 ， 对信 号 进行 调 理 、滤 波 和 降噪 等 处理 ，对接 受 到 的数 据 进行 实 时 分 析处 理后 ，实 时监 测 管 道 的运 行状况 ，给出报警或提示 6 1 。 4 2 系统软件的设计与构成 该 系统 是 具 有 动态 泄 漏 监测 能力的 S C A

17、D A f S u p e r v i s o r y C o n t r o l a n d D a t a A c q u i s i t i o n ) 系统 。通 过实 时的数据采集、传输和处理 ，实现 在线的泄漏检测和定位 ，其算法 模块结构 和流程如 图 3 。 监测 系统 的软件 主要 包 括 以 下几个功能模块 ：数据 采集与变换 模块，可以采集负压波信号，并将 信号转换成二进制格式保存 ；G P S 校时模块 ；数据传输模块 ，使用 R T U解决远传问题；数据处理及诊 断 模块 ，在监 控 中心进 行 小 波变 换、滤波等处理，确保能准确找到 压力拐点对应的时刻 ；泄漏点

18、定位 程序 ；数 据保存模块 ；历史数据 分 析程序等。系统软件使用基于虚 工 况 名 称 实 验 次 数 报 警 次 数 误 报 率 关 阀 门 5 0 0 开 阀 门 5 0 0 停 泵 5 O 0 启 泵 5 0 O 实验 序 号 定 位 点K m 绝对 误 差 K m 相 对 误 差 l 2O 3 2 一 O 28 一 O 63 2 20 1 2 0 48 1 07 3 21 0 5 0 45 l 4 20 3 5 一 O 25 0 56 5 2 0 98 O 3 8 O 8 5 6 2 0 2 5 0 35 0 78 7 2 O 88 0 2 8 0 6 3 8 2 0 86 0 2

19、 6 0 5 8 9 2 0 9 4 0 3 4 0 7 6 1 0 21 O8 0 48 1 0 7 0 0 。 川 石油和化工设苗l 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m拟仪器 的 L a b V i e w图形 编程语言 。 模块化的设计简化了系统组态丁 作，在现场调试阶段 ，可以很快做 出调整 。 5 现场实验结果 按 照上 文设 计方 案 ，用 C语 言 开 发 出输 油管 道 泄漏 在 线 监测 系统 ，并 在油 田进 行 了现 场实验 。 实验管道 是新疆 油 田某输 油管线 ， 管线全长4 1 6 K in， 管道内径 5 5 9 m m， 出站

20、温度 7 0 q C ，进站约为 4 0 ，输 油量 2 7 8 m h 。为了检验系统的可靠 性 ，在 管道 _T况 变化 的 情况 下 分 别做正常操作实验和模拟泄漏实 验 。 正常操作实验 。停启泵 、开关 阀 门试 验 ，可 以检验 系 统 对正 常 工 况变 化是 否 具 有识 别 能 力 、是 否会误 报 。在 正常输送 的情 况下 ， 进 行几 次 开关 阀门 的操 作 ，对 中 心 站 的一 台外 输 泵进 行 停 启 泵实 验 ，每次停泵为 3 - 4 m i n 。表 1 列出 了T况 切 换下 检 测 的结 果 。结 果 表 明监 测 系统 能够 识别 正 常 的操 作

21、。 模拟泄漏实验 。为了监测系统 定位的可靠性，在管道中间某阀室 进行放油实验，来模拟实际泄漏过 程。放油阀室距上游站 2 0 6 k in， 距下 游站 2 l k m。现场进行 了 1 0次放油 实验 ，1 0 次实验系统均在管道发生 泄漏后 1 4 s 左右报警 。表 2列 出了 模 拟泄漏 的定位结 果 。 实 验结 果 表 明 ，泄漏 监 测 系 统 能够 在 短 时 间 内判 断 出泄 漏事 故的发生 ，并能对泄漏 点定位 ，定 位精度基本在 1 以 内，完全 能够 满足 实 际应 用 的要 求 。现 场 进行 3 4 石 油 和 化 工 设 裔 00。川 的缓 慢 泄漏 实 验

22、表 明 ，流 量平 衡 法可 以判断 出缓慢泄漏 ，但无法 定位 。基于负压波和流量平衡的 管道 泄漏监测 系统误 判率很低 ， 运 行 稳 定可 靠 ，能 够依 据 管 道运 行 的实际工况改变系统参数 ，最 大限度的降低漏判和误判的发生 ， 是 一 种 比较 理 想 的 管道 泄 漏 监测 方 法 6 结束语 随 着管 道 工 业 的 发展 ，对 管 道泄漏检测与定位的要求也越来 越 高 ，单 一 的 检测 与 定位 方 法 已 不能满足生产需要 。本系统采用 基 于 负压 波 和 流 量平 衡 的泄 漏 监 测方 法 ，结 合 了小波变换 、GP S 、 R T U传输等先进技术，编写可

23、视化 监 控 软件 ，克 服 了常 规管 道 泄 漏 监 测 方 法误 报 率高 和 不能 动 态 监 测 的缺点 ，具有 广阔 的应用前 景 。 该 系统有 以下一些 特点 ： f 1 )输油管道泄漏检测与定位 系统能可靠 地监 控输油 管道运行 、 显示管道实时运行数据和波形图， 并能及时准确定位泄漏点。对历 史数据的保存 ，可方便操作人员 查询和综合分析诊断事故。 ( 2 ) 在输油管道泄漏检测与定 位 系统 的 基础 上 ，可 为城 市 供 水 、供气等主干管道改进出管道 泄漏 检 测 与 定位 系 统 ，拓 宽 应 用 领域。田 1 1潘霞 管道泄漏检测综合实验系统开发 武汉理工大学

24、硕士学位论 文， 2 0 0 6 2 1张东领 海底管道损伤检测及泄漏定位监测技术的研究 中国海洋 大 学硕士学位论文， 2 0 0 6 3 1 张国忠 输油管道设计与管理 M1 东营， 石油大学出版社。 1 9 9 6 4 1刘恩斌输油管道泄漏检测技术研究 西南石油大学硕士学位论 文， 2 0 0 5 5 1 X u e i u n Z h a n q S t a t i s t i c a l L e a k D e t e c t i o n i n Ga s a n d L i q u id P i p e l i n e s Pi p es & Pi p el i n e s i n t er n a t ion al 。 p2 6 29， Ju l v Au qu s t ，1 99 3 6 1谭东 杰， 付 松广 液体管道 泄漏检测技 术研究f J 1 石油 规划 设计 2 0 0 4 。 3 1 5 ( 2 ) ： 1 4 7 1张红兵， 李长俊等 管道泄漏实时检测和定位系统 J 1 石油与天然 气化工 2 0 0 4 ， 3 3 ( 3 ) ： 2 1 5 8 1肖燕群 。 程家铭， 贾明坤 原油管道泄漏检 测系统研 究 J 1 油气储 运 2 0 0 4， 2 3( 1 ) ： 6 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m