淺析基于負(fù)壓波法的長(zhǎng)輸油管泄漏監(jiān)測(cè)

1、淺析基于負(fù)壓波法的長(zhǎng)輸油管泄漏監(jiān)測(cè)         摘要:本文針對(duì)我國原油具有“三高”的特性、在長(zhǎng)距離輸送時(shí)需要加熱的特點(diǎn),研究了影響負(fù)壓波傳播速度的因素,并在此基礎(chǔ)上提出了比較準(zhǔn)確的先粗分后細(xì)分的搜索算法來實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的精確定位。      關(guān)鍵詞:長(zhǎng)輸油管道泄漏負(fù)壓波法定位    管道運(yùn)輸在輸送氣體、流體、漿體等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),己成為繼鐵路、公路、水路、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸工具。由于不可避免的老化、腐蝕及打孔盜油等原因,管道泄漏時(shí)有發(fā)生

2、,嚴(yán)重干擾了正常生產(chǎn),造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。所以,加強(qiáng)管道泄漏監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)的研究與應(yīng)用,對(duì)于發(fā)現(xiàn)管道泄漏,打擊盜油行為,保護(hù)環(huán)境,減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失,提高企業(yè)的自動(dòng)化管理水平具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。    1負(fù)壓波檢側(cè)原理及定位公式    負(fù)壓力波法是一種聲學(xué)方法,所謂負(fù)壓力波實(shí)際是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波。當(dāng)管道上某處突然發(fā)生泄漏時(shí),由于管道內(nèi)外的壓差,泄漏點(diǎn)的流體迅速流失,在泄漏處產(chǎn)生瞬態(tài)壓力突降。泄漏點(diǎn)兩邊的液體由于壓差而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充。這個(gè)瞬變的壓力下降作為振動(dòng)源以聲速通過管道中的原油向上下游傳播,相當(dāng)于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了

3、以一定速度傳播的波。在水力學(xué)上稱為負(fù)壓波。負(fù)壓波的傳播速度在不同的輸送介質(zhì)中有所不同,在液體油中大約為10001200m/s。由于管道的波導(dǎo)作用,經(jīng)過若干時(shí)間后,包含有泄漏信息的負(fù)壓波分別傳播到數(shù)十公里以外的上下游,由設(shè)置在管道兩端的傳感器拾取壓力波信號(hào)。再經(jīng)過檢測(cè)系統(tǒng)的分析處理,根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差和管內(nèi)壓力波的傳播速度就可以估算出泄漏位置。    在輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,管道的首末兩端裝有兩個(gè)壓力傳感器,分別接收管道首末端傳過來的壓力值。定位原理如圖1所示,設(shè)管道長(zhǎng)為L(zhǎng),假設(shè)A、B為裝有傳感器的管道首、末端,泄漏點(diǎn)為C,C點(diǎn)是管道上任意一

4、點(diǎn)。設(shè)負(fù)壓波傳播速度為v,管道內(nèi)流體流速為v0,一般情況下v比v0大3個(gè)數(shù)量級(jí)以上,這樣可以認(rèn)為負(fù)壓波從首端傳到末端的時(shí)間同末端傳到首端的時(shí)間相等。    假設(shè)泄漏點(diǎn)C產(chǎn)生的壓力波傳到首站(A點(diǎn))的時(shí)間為tA,傳到末站(B點(diǎn))的時(shí)間為tB。    泄漏點(diǎn)C到A,B點(diǎn)的距離為L(zhǎng)    AC、LBC,則有:0ACALtv v=?(1)0 0BC ACBL L Ltv v v v?=+(2)當(dāng)輸油管道出現(xiàn)泄漏時(shí),其首末兩個(gè)端點(diǎn)的壓力會(huì)急劇下降,根據(jù)兩個(gè)端點(diǎn)壓力傳感器所檢測(cè)到的壓力劇降的時(shí)間差,即可估算泄漏位置,

5、如式(4),若tA與tB的時(shí)間差為t,則有:0 0AC ACA BL L Lt t tv v v v?=?=?+(3)2 20 01()()2ACL L v v v v tv=?+?(4)假設(shè)首端泄漏,產(chǎn)生負(fù)壓波,傳到末端,有:00,A BLt tv v=+再假設(shè)末端產(chǎn)生泄漏,負(fù)壓波傳到首端,則有:0,0A BLt tv v=?兩個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值為032 20 02,10A Bv vt t Lv v v?=>?因?yàn)橛纱艘鸬亩ㄎ徽`差在管段長(zhǎng)度的千分之一以下,因此可以忽略v0對(duì)v的影響。式(4)可以簡(jiǎn)化為式(5)12ACL =?L +V ?t(5)若測(cè)出t,即可由式(5)求得泄漏點(diǎn)C距A站

6、之間的距離。長(zhǎng)輸管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,各種監(jiān)控、測(cè)量裝置都是通過對(duì)采樣得到的數(shù)字量進(jìn)行處理而實(shí)現(xiàn)各自功能的。一般來說,采樣是在各裝置內(nèi)部時(shí)鐘的控制下獨(dú)立完成的。對(duì)于異地需要同步采樣的設(shè)備來說,因?yàn)槠溲b置內(nèi)部的晶振頻率有誤差,所以管線各端裝置的采樣難以同步。而且后期對(duì)泄漏信號(hào)的識(shí)別、負(fù)壓波到達(dá)端點(diǎn)的初波時(shí)刻、以及判斷信號(hào)是意外泄漏還是正常生產(chǎn)時(shí)站內(nèi)壓力調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)的識(shí)別,這些都要求首末端壓力波形采樣的時(shí)間基準(zhǔn)同步。在實(shí)際應(yīng)用中,在管道首末兩端的計(jì)算機(jī)的工作需要在大范圍保持時(shí)間同步,依賴的是各自計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘,但計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的守時(shí)性不理想,其性能較低。    本

7、文所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用GPS授時(shí)得到的。GPS自動(dòng)校時(shí)的信號(hào)源直接采用來自于GPS定位衛(wèi)星上以原子鐘為基準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào),原子鐘的時(shí)間與世界協(xié)調(diào)時(shí)的誤差在1s內(nèi),GPS定位衛(wèi)星發(fā)出的時(shí)間信號(hào)經(jīng)過接受后再加上計(jì)算的延遲,仍可以保持在毫秒的精度內(nèi),同步性很強(qiáng)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)接收到的只是壓力傳感器傳過來的壓力值,沒有數(shù)據(jù)的傳到時(shí)間,故本文在檢測(cè)負(fù)壓波時(shí)只能檢測(cè)到負(fù)壓波的下降段是從第幾個(gè)數(shù)據(jù)開始的以及該波段的跨度、陡度等信息。故在檢測(cè)到負(fù)壓波傳到管道首末兩端的數(shù)據(jù)序號(hào)時(shí),根據(jù)數(shù)據(jù)的采樣頻率也可計(jì)算出t。設(shè)數(shù)據(jù)的采樣頻率為pHZ,管道首端檢測(cè)到的負(fù)壓波下降的序號(hào)為S1,管道末端檢測(cè)到的負(fù)壓波下降的序號(hào)

8、為S2,則1 2?t =(S ?S )/P(6)2管線沿程溫度變化時(shí)對(duì)定位的影響分析我國的原油不同于世界主流原油,大部分屬于高凝點(diǎn)、高含蠟、高粘度的“三高”原油,原有物性隨溫度變化很大。對(duì)于“三高”原油,需加熱后輸入管道,提高輸送溫度以降低其粘度,減少摩擦阻力損失,同時(shí)保證油流的溫度高于原油的凝固點(diǎn)以防止凍結(jié)。熱油輸送不同于等溫輸送的特點(diǎn)在于:輸送過程中存在著熱能損失和摩阻損失兩方面的能量損失,隨著散熱損失的進(jìn)行摩阻損失的情況也是變化的。在這種情況下,較小的溫度變化就能引起原油粘度很大的變化,從而引起管道水利特性發(fā)生較大的變化,所以必須研究不等溫原油輸送管道的熱能損失過程。 

9、0;  3管線沿程速度變化時(shí)負(fù)壓波定位分析負(fù)壓波法是一種聲學(xué)方法,所謂負(fù)壓波實(shí)際上是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波。常規(guī)的負(fù)壓波法泄露定位公式如式(5)所示。    該式的前提是壓力波波速是一常數(shù),但聲波的傳播速度與傳播介質(zhì)的密度、壓力、比熱和管道的材質(zhì)都有關(guān)。考慮到管內(nèi)油體的彈性、密度和管材的彈性等因素,壓力波傳播速度v可以寫為:()1()()()gv ttk t E=+(6)其中:g重力加速度(9.8耐)sz；    E管道(鋼材)的彈性系數(shù)(kgf/m2)；    管道內(nèi)徑(mm) &#

10、160;  管子壁厚(mm)(t)溫度為t時(shí)油體的密度(kg/m3)；    (t)溫度為t時(shí)油體的體積彈性系數(shù)。    據(jù)式(4),泄露定位主要是根據(jù)壓力劇降的時(shí)間差t和壓力波傳播速度v得出的?，F(xiàn)在考慮v不是一個(gè)常數(shù),從泄漏點(diǎn)x0產(chǎn)生的負(fù)壓波傳到首、末兩端的時(shí)間分別為:0001 1,()()x LA Bxt x t xv x v x=(7)對(duì)于變限積分(12),由于負(fù)壓波傳播速度隨管道距離變化的函數(shù)表達(dá)式v(x)比較復(fù)雜,難以得到其解析解。且在方程(12)中,t=TA-TB已知,積分上下限x0是所求的未知量,不是單純的定積分問題,因此采用數(shù)值分析上的龍貝格算法計(jì)算數(shù)值積分,用搜索方法確定泄漏點(diǎn)x0的位置,文中不做過多論述。    4結(jié)語    本章先給出了負(fù)壓波波