基于负压波和流量平衡的管道泄漏监测系统研究

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故障诊断
ＧＵ ＺＨＡＮＧ Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｄ Ｕ Ａ Ｎ
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 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 ＲＴＵ 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］。
３．２ 负压波在气液两相流中波速的 确定［４］
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 ． Ｐｅａｒｓａｌｌ 推导出了气、液两相流中 的波速公式：
（ ７）
式中 ｍ —单位体积内气体质 量，Ｋｇ／ｍ３；
Ｍ —气体摩尔质量，Ｋｇ／Ｋｍｏｌ； Ｔ —流体的热力学温度，Ｋ； Ｒ —摩尔常数，ＫＪ／（Ｋ．Ｋｍｏｌ）； Ｐ —液体的绝对压力，Ｐａ；
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，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
工况名称 关阀门 开阀门 停泵 启泵
实验序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
图３ 数据处理模块图
表 １ 现场泄漏检测结果
实验次数 5 5 5 5
报警次数 0 0 0 0
表 ２ 现场泄漏定位结果
误报率% 0 0 0 0
定 位 点 Km 绝 对 误 差 /Km 相 对 误 差 /%
20.32 20.12 21.05 20.35 20.98 20.25 20.88 20.86 20.94 21.08
故 障 诊 断
故障 诊断
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 ６１０５００）
【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 － 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
作者简介
李新建（１９８６－） 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。
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。
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φ（ω）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［７］。
４ 构建管道泄漏监测系统
３．３ 负压波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 ＧＰＳ （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 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］。
２０
其中 ρ（ｔ）— ｔ℃时油品的密 度，Ｋｇ／ｍ３；
ρ —油品在 ２ ０ ℃下的密度， ２０
Ｋｇ／ｍ３；
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作积分，把时间域信号变换到频 率域信号：
，α＞０
（ ８） 变换后，通过滤波器滤去干
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ＳＣＡＤＡ （Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）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 ＲＴＵ 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
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［２］：
（ ３）
式中 ｋ（ｔ）—液体体积弹性系 数，Ｐａ；
ρ（ｔ）—液体密度，Ｋｇ／ｍ３； Ｄ —管径，ｍ； Ｅ —管材的弹性模量，Ｐａ； ｅ —管壁厚度，ｍ； ａ —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ρ 是流体温度的函数，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、ρ和ａ的求法［３，４］ ： （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：
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 Ｇ Ｐ 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（ＲＴＵ）将采集的流量、压力、温 度等参数传递给监控中心，对管
-0.28 -0.48 0.45 -0.25 0.38 -0.35 0.28 0.26 0.34 0.48
-0.63 -1.07
1 -0.56 0.85 -0.78 0.63 0.58 0.76 1.07
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拟仪器的 Ｌａｂ Ｖｉｅｗ 图形编程语言。 模块化的设计简化了系统组态工 作，在现场调试阶段，可以很快做 出调整［８］。
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￣４ｍｉｎ。表 １ 列出 了工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。
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域 信号：
图 ２ 系统结构图
ξ—油品的体积膨胀系数， Ｋｇ／（ｍ３．℃），
（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［５］ ：
α＝１－μ２ （ ６） 其中μ为管材的泊松系数。
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 １
间为 ｔ２。设Δｔ＝ｔ１－ ｔ２，即：
（ １）
整理可得
上式中， 一般在１２００ｍ／ｓ左右， Ｖ 在 １￣３ｍ／ｓ 之间，因此可以忽略 Ｖ， 因此上式又可化简为：
图 １ 管道泄漏示意图
容易对管道本身的工况的变化误 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，可以同时引入流量平衡法，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。
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，在水力学上成为负压波，
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
１
２
捉到负压波。泄漏点的不同时，负
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
１ 泄Hale Waihona Puke Baidu监测与定位的研究意义
自 １８７９ 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 １９８６ 年以前修建的输油管线 平均穿孔率为０．６６次／（公里．年），另
小波变换是 １９８０ 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φ（ｔ）做移位后，然后在 不同尺度下与待分析的信号 ｘ（ｔ）
（ ９） 小波变换具有多分辨率的特
（ ４） 其中 Ｆ —压缩系数，Ｐａ－１；
ρ０ —标准密度，Ｋｇ／ｍ３； ｔ —液体温度，℃； 再得出 ｋ＝１／Ｆ （２） 油品密度ρ受温度影响较 大，它与温度的关系式为： ρ（ｔ）＝ρ－ξ（ｔ－２０） （ ５）
２ 泄漏检测和定位的原理
２．１ 负压波法泄漏检测技术和定位 原理［１］
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
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故障诊断
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（ ２）
式中 Ｘ —泄漏点到上游站的 距离，ｍ ；
Ｌ —监测管道的总长度，ｍ； ｃ —负压波在管输流体中的传 播速度，ｍ／ｓ； Δｔ —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
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 ４１．６Ｋｍ，管道内径 ５５９ｍｍ， 出站温度 ７０℃，进站约为 ４０℃，输 油量 ２７８ｍ３／ｈ。为了检验系统的可靠 性，在管道工况变化的情况下分 别做正常操作实验和模拟泄漏实 验。