基于負(fù)壓波泄漏檢測的系統(tǒng)配置方式研究

金梅

(中石化管道儲運有限公司華東管道設(shè)計研究院有限公司，江蘇徐州221008)

管線輸送時出現(xiàn)的漏油事故主要是管線泄漏引起的，為了保證油品輸送的安全，需要用科學(xué)的技術(shù)方法檢測并定位泄漏點[1]。近年來，負(fù)壓波法、次聲波法、流量平衡法在泄漏檢測系統(tǒng)中均得到應(yīng)用，中國大部分的原油管線結(jié)合自身的特點通常采用負(fù)壓波法檢測和定位管線泄漏點。

1 負(fù)壓波泄漏檢測系統(tǒng)概述

1.1 負(fù)壓波法

當(dāng)管線發(fā)生泄漏時，泄漏點處壓力會突然降低，瞬時的壓力降通過流體介質(zhì)以聲速向泄漏點的上、下游傳播，以泄漏前的壓力作為參考，泄漏時由于壓力降低而產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波[2]。

長度為L的管線中，泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波以速度v向管線上、下游傳播，管線首、末端設(shè)置的傳感器檢測到負(fù)壓波到達(dá)兩點的時刻分別為T1和T2。根據(jù)該負(fù)壓波傳播到管線上、下游的時間差ΔT和負(fù)壓波的傳播速度v就可以確定泄漏點的位置[3]，負(fù)壓波泄漏檢測系統(tǒng)定位方法如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波泄漏檢測系統(tǒng)定位示意

泄漏點距管線首端的位置：

L1=[L+v(T2-T1)]/2

(1)

負(fù)壓波在輸油管線中的傳播速度為1 000～1 200 m/s，在實際應(yīng)用中，負(fù)壓波的傳播速度受到管線周圍環(huán)境等相關(guān)因素的影響[4]。由于管線傳輸距離長，散熱明顯，各輸油站場間管線油溫不一樣，因此需要采集管線的溫度用于校正負(fù)壓波的傳播速度。另外，管線內(nèi)負(fù)壓波的傳播速度還受輸送介質(zhì)的壓力、密度、比熱及管線材質(zhì)的影響，通過模型校正負(fù)壓波的傳播速度，以保證定位的準(zhǔn)確性。負(fù)壓波法檢測具有定位準(zhǔn)確、檢測速度快、成本低廉等特點[5]?；谪?fù)壓波的管線泄漏檢測與定位方法目前在輸油管線上應(yīng)用較為廣泛[6]。

1.2 定位的關(guān)鍵技術(shù)

自動分段和小波變換是泄漏檢測系統(tǒng)定位的關(guān)鍵技術(shù)，采用自動分段技術(shù)可判斷壓力信號是否為故障段。由于輸油站場內(nèi)泵和電機(jī)等設(shè)備的振動及磁場的干擾等因素，系統(tǒng)采集的負(fù)壓波信號中含有部分噪聲，噪聲會造成檢測誤報和定位的不準(zhǔn)確性，因此須對采集的壓力信號降噪處理，捕捉壓力信號波形的奇異點，在大量的噪聲中提取出有用的信號[7]。怎樣從中提取泄漏所產(chǎn)生的負(fù)壓波信號特征、剔除沒用的信號是定位的關(guān)鍵。小波變換在時、頻域中均具有表征信號局部特征的能力，利用小波變換的極值可以檢測信號的邊沿，并且可以抑制噪聲[8]。小波變換的基本原理就是利用伸縮和平移來研究小波與信號之間的某種相關(guān)性，即利用尺度來分析信號，它可通過改變時間-頻率窗口的形狀來實現(xiàn)不同頻率信號所需要的分辨率[9]。

泄漏檢測系統(tǒng)利用小波變換處理負(fù)壓波信號，變換的快速算法對泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號進(jìn)行了多分辨率分析，得到了其低頻概貌和高頻細(xì)節(jié)，準(zhǔn)確地捕捉到泄漏負(fù)壓波信號序列的對應(yīng)特征點，精確得到泄漏引發(fā)的負(fù)壓波傳播到上、下游傳感器的時間差，并利用模型校正負(fù)壓波傳播速度，從而較準(zhǔn)確地定位管線的泄漏點。

2 基于SCADA的泄漏檢測系統(tǒng)

2.1 輸油管線A概況

輸油管線A把油品從首站輸送至末站，全線共設(shè)7座輸油站場、其中2座輸油站場中設(shè)有調(diào)度控制中心。調(diào)度控制中心通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)監(jiān)控全線的工藝等參數(shù)，同時沿線各輸油站場采用PLC完成對本站數(shù)據(jù)的采集和控制。

2.2 系統(tǒng)配置

輸油管線A的泄漏檢測系統(tǒng)分別在2座調(diào)度控制中心設(shè)置了中心站，各輸油站場的壓力趨勢等畫面利用沿線各站場SCADA工作站顯示。每個中心站分別設(shè)置了1臺裝有泄漏檢測軟件的工作站；安裝于各輸油站場的信號調(diào)理器用于處理進(jìn)、出站管線的壓力信號。該泄漏檢測系統(tǒng)中心站通過OPC接口與SCADA各輸油站場PLC進(jìn)行通信，以獲取泄漏檢測系統(tǒng)所需要的壓力、溫度、流量等參數(shù)，并通過模型實時監(jiān)測管線運行壓力的變化情況，從而判斷管線有無泄漏并確認(rèn)其位置。基于SCADA的泄漏檢測系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 基于SCADA的泄漏檢測系統(tǒng)配置示意

2.3 系統(tǒng)主要功能

1)當(dāng)泄漏檢測系統(tǒng)判斷有泄漏發(fā)生時，中心站的計算機(jī)可以對泄漏點定位并發(fā)出聲光報警。

2)泄漏點的上游和下游輸油站場可以接收中心站發(fā)出的泄漏報警和定位信息，并在輸油站場的SCADA工作站上顯示。

2.4 應(yīng)用案例

2018年3月21日，輸油管線A中心站操作人員發(fā)現(xiàn)漢沽-海河閥室管段壓力從20時28分開始持續(xù)下降，操作人員通過智能手動定位功能得知泄漏發(fā)生在距離漢沽出站的46.04 km處，同時現(xiàn)場巡檢人員反饋距漢沽站出站管線45.4 km處存在管線腐蝕穿孔，泄漏檢測系統(tǒng)定位與現(xiàn)場實際泄漏點位置僅有0.64 km的偏差。管段壓力監(jiān)測趨勢曲線如圖3所示。

圖3 管段壓力監(jiān)測趨勢曲線

3 設(shè)置獨立子站的泄漏檢測系統(tǒng)

3.1 輸油管線B概況

圖4 獨立子站的泄漏檢測系統(tǒng)配置示意

輸油管線B把進(jìn)口原油從首站輸送至末站，全線共設(shè)9座輸油站場、其中2座輸油站場中設(shè)有調(diào)度控制中心。目前部分輸油站場采用壓力越站流程，兼具干線截斷閥的作用。

3.2 系統(tǒng)配置

輸油管線B的泄漏檢測系統(tǒng)由中心站和子站組成，該系統(tǒng)分別在2座調(diào)度控制中心設(shè)置了中心站，各子站監(jiān)測點設(shè)立在首站、7個中間輸油站場、末站；各子站和中心站之間采用局域網(wǎng)實現(xiàn)通信。獨立子站的泄漏檢測系統(tǒng)配置如圖4所示。

3.2.1子 站

該泄漏檢測系統(tǒng)9個子站分別設(shè)置了1臺內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡的工作站、1臺信號調(diào)理器及相應(yīng)的子站泄漏檢測軟件。該泄漏檢測系統(tǒng)所需的壓力數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡采集，而溫度、流量等參數(shù)通過OPC接口從SCADA獲取。在每個輸油站場進(jìn)、出站管線上采集的壓力信號串聯(lián)接入到當(dāng)?shù)氐男盘栒{(diào)理器進(jìn)行處理，信號調(diào)理器輸出的電壓信號接至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳送至相應(yīng)子站的工作站進(jìn)行分析判斷，并用以顯示、存儲及通信等。

3.2.2中心站

在每個中心站分別配置1臺工作站及相應(yīng)的中心站泄漏檢測軟件，各子站和中心站之間通過以太網(wǎng)端口及相應(yīng)的IP地址進(jìn)行通信，中心站的計算機(jī)上可標(biāo)識泄漏點位置并發(fā)出聲光報警以提示操作人員注意。

3.3 系統(tǒng)功能

子站的工作站通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備實時、獨立地采集相應(yīng)輸油站場進(jìn)、出站管線的壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)現(xiàn)狀初步判斷發(fā)生泄漏的可能性；同時各子站的工作站將所采集的壓力數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)街行恼镜挠嬎銠C(jī)上進(jìn)行處理和分析，中心站則通過OPC接口從SCADA讀取相應(yīng)輸油站場的溫度、流量等參數(shù)；最終，該泄漏檢測系統(tǒng)中心站對獲取的壓力、溫度、流量等參數(shù)與模擬工況進(jìn)行對比分析，判斷管線上是否有泄漏。

當(dāng)管線中的油品泄漏時，該泄漏檢測系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信號，并在中心站的計算機(jī)上顯示泄漏點的定位，相應(yīng)子站的計算機(jī)可以發(fā)出泄漏報警信號并定位泄漏點。

3.4 應(yīng)用案例

2015年2月14日，輸油管線B中心站操作人員發(fā)現(xiàn)長清-寧陽管段壓力02時整分開始持續(xù)下降，根據(jù)站場實際情況和工作經(jīng)驗初步判定壓力異常可能是泄漏所致。通過智能手動定位功能得知泄漏發(fā)生在距離長清站出站管線42.09 km處，同時現(xiàn)場巡檢人員反饋距離長清站出站管線41.8 km處存在打孔盜油閥，泄漏檢測系統(tǒng)定位與現(xiàn)場泄漏點位置基本一致，02時40分壓力開始回升說明已無泄漏。管段壓力監(jiān)測趨勢曲線效果與圖3所示相近，在此不再贅述。

通過該系統(tǒng)的有效定位并結(jié)合現(xiàn)場巡線工的巡線情況，采取相應(yīng)措施終止泄漏以恢復(fù)管線運輸?shù)钠椒€(wěn)運行。該系統(tǒng)可靠性好，誤報率低，對管線上可能存在的泄漏定位準(zhǔn)確[10]。

4 泄漏檢測系統(tǒng)兩種配置方式的對比

4.1 共性特點

1)中心站的計算機(jī)畫面可實時監(jiān)測泄漏情況，操作人員通過分析泄漏參數(shù)定位泄漏點位置，并可保存確認(rèn)后的泄漏點位置。

2)報警反應(yīng)快，管線運行數(shù)據(jù)可長期保存。

3)具有故障自診斷功能，誤報率低。

4)具有清晰的人機(jī)界面，簡單易學(xué)。

5)檢測中依托SCADA的部分參數(shù)，提高了判斷泄漏的準(zhǔn)確性。

4.2 對比分析

1)輸油管線A采用的泄漏檢測系統(tǒng)完全依托SCADA獲取壓力、流量等參數(shù)，其采集速率及采樣時間間隔都受SCADA的限制；而輸油管線B采用的泄漏檢測系統(tǒng)通過高精度的數(shù)據(jù)采集卡獨立采集輸油站場的壓力數(shù)據(jù)，壓力信號的采樣頻率可達(dá)100 Hz以上，采樣速率更高、更平穩(wěn)，降低了泄漏點定位的誤差，提高了泄漏定位的準(zhǔn)確性。

2)泄漏檢測系統(tǒng)從SCADA讀取大量的數(shù)據(jù)會造成SCADA的CPU負(fù)荷增大，從而對SCADA的穩(wěn)定性和可靠性都帶來了影響。

3)直接利用SCADA采集全部數(shù)據(jù)的方法只能在SCADA的工作站上被動地顯示相應(yīng)輸油管線的泄漏報警信息，而設(shè)置獨立子站的泄漏檢測系統(tǒng)中每個工作站均具有泄漏定位和報警功能，且某個泄漏點在相鄰的2個工作站上都能報警和定位，更方便輸油站場工作人員及時發(fā)現(xiàn)泄漏。

4)設(shè)置獨立子站的泄漏檢測系統(tǒng)與SCADA完全獨立，在某種程度上提高了兩個系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)束語

實際運行中，輸油管線B的泄漏檢測系統(tǒng)可有效地發(fā)現(xiàn)泄漏點并能較準(zhǔn)確地定位，而輸油管線A的泄漏檢測系統(tǒng)仍存在著定位誤差大及輸油站場工作人員不方便實時監(jiān)測泄漏等問題。通過對比，設(shè)置獨立子站的泄漏檢測系統(tǒng)在實際運行過程中應(yīng)用較好，其可靠性更高、準(zhǔn)確性更強(qiáng)、誤報率更低，達(dá)到了預(yù)期的效果。