長輸管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)原理及應(yīng)用

1、長輸管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)原理及應(yīng)用摘要：文章對國內(nèi)外輸油管道泄漏檢測方法進(jìn)行了分析，對油田輸油管道防盜監(jiān)測的方法進(jìn)行了探討。針對油田輸油管道防盜監(jiān)測問題，指出了油田輸油管道防盜監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是管道泄漏檢測報警及泄漏點的精確定位，并介紹了華北油田輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：輸油 管道 泄漏 監(jiān)測 防盜北京昊科航科技有限責(zé)任公司2012-9-24近年來，受利益的驅(qū)動不法分子在輸油管線打孔盜油，加上管道腐蝕穿孔威脅，管道泄漏事件時有發(fā)生一旦引起大的火災(zāi)爆炸環(huán)保事故，后果不堪設(shè)想。為努力維護管道安全，已經(jīng)投入了大量的人力物力，但形勢仍十分嚴(yán)峻。采用合適的管道泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)，則能夠?qū)崟r細(xì)致

2、了解管線輸油工況變化，便于及時發(fā)現(xiàn)泄漏位置，以便及時發(fā)現(xiàn)泄漏，盡早采取相應(yīng)的措施，將損失危險降到最小程度；同時減少了巡線壓力，降低了職工勞動強度。因此，輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用成為油田亟待解決的問題。先進(jìn)的管道泄漏自動監(jiān)測技術(shù)，可以及時發(fā)現(xiàn)泄漏，迅速采取措施，從而大大減少盜油案件發(fā)生，減少漏油損失，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。1. 國內(nèi)外輸油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀輸油管道泄漏自動監(jiān)測技術(shù)在國外得到了廣泛的應(yīng)用，美國等發(fā)達(dá)國家立法要求管道必須采取有效的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。輸油管道檢漏方法主要有三類：生物方法、硬件方法和軟件方法。1.1 生物方法這是一種傳統(tǒng)的泄漏檢測方法，主要是用人或經(jīng)過訓(xùn)練

3、的動物（狗）沿管線行走查看管道附件的異常情況、聞管道中釋放出的氣味、聽聲音等，這種方法直接準(zhǔn)確，但實時性差，耗費大量的人力。1.2 硬件方法主要有直觀檢測器、聲學(xué)檢測器、氣體檢測器、壓力檢測器等，直觀檢測器是利用溫度傳感器測定泄漏處的溫度變化，如用沿管道鋪設(shè)的多傳感器電纜。聲學(xué)檢測器是當(dāng)泄漏發(fā)生時流體流出管道會發(fā)出聲音，聲波按照管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)決定的速度傳播，聲音檢測器檢測出這種波而發(fā)現(xiàn)泄漏。如美國休斯頓聲學(xué)系統(tǒng)公司（ASI）根據(jù)此原理研制的聲學(xué)檢漏系統(tǒng)（wavealert），由多組傳感器、譯碼器、無線發(fā)射器等組成，天線伸出地面和控制中心聯(lián)系，這種方法受檢測范圍的限制必須沿管道安裝很多聲音

4、傳感器。氣體檢測器則需使用便攜式氣體采樣器沿管道行走，對泄漏的氣體進(jìn)行檢測。1.3 軟件方法它采用由SCADA系統(tǒng)提供的流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，通過流量或壓力變化、質(zhì)量或體積平衡、動力模型和壓力點分析軟件的方法檢測泄漏。國外公司非常重視輸油管道的安全運行，管道泄漏監(jiān)測技術(shù)比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。殼牌公司經(jīng)過長期的研究開發(fā)生產(chǎn)出了一種商標(biāo)名稱為ATMOS Pine的新型管道泄漏檢測系統(tǒng)，ATMOS Pine是基于統(tǒng)計分析原理而設(shè)計出來的，利用優(yōu)化序列分析法（序列概率比試驗法）測定管道進(jìn)出口流量和壓力總體行為變化以檢測泄漏，同時兼有先進(jìn)的圖形識別功能。該系統(tǒng)能夠檢測出1.6kg/s的泄漏而不

5、發(fā)生誤報警。目前國內(nèi)油田長距離輸油管道大都沒有安裝泄漏自動檢測系統(tǒng)，主要靠人工沿管線巡視，管線運行數(shù)據(jù)靠人工讀取，這種情況對管道的安全運行十分不利。我國長距離輸油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的研究從九十年代開始已有相關(guān)報道，但只是近兩年才真正取得突破，在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。清華大學(xué)自動化系、天津大學(xué)精密儀器學(xué)院、北京大學(xué)、石油大學(xué)等都在這一方面做過研究。如：中洛線（中原洛陽）濮陽首站到滑縣段安裝了天津大學(xué)研制的管道運行狀態(tài)及泄漏監(jiān)測系統(tǒng)（壓力波法），東北管道局1993年應(yīng)用清華大學(xué)研制的檢漏系統(tǒng)（以負(fù)壓波法為主，結(jié)合壓力梯度法）進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。2.管道泄漏監(jiān)測技術(shù)難點管道泄漏監(jiān)測說到家只有一個難題：就是“狼沒

6、來系統(tǒng)卻老是喊狼來了，狼真的來了他又不說話了”，為什么會這樣？因為不知道什么是泄漏。HKH管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是一種量身定做的監(jiān)測系統(tǒng)。因為管道工作過程千差萬別，沒有一個固定不變的模型可以套用。這種技術(shù)不是讓所有不同工況的管道去適應(yīng)一種固定的泄漏監(jiān)測程序，而是讓監(jiān)測系統(tǒng)去學(xué)習(xí)管道的特征，讓監(jiān)測系統(tǒng)去適應(yīng)去認(rèn)識每一條具體的管道。這一特點決定了開發(fā)調(diào)試工作的難度很大，也決定了每一條管道最終都會有一套最適應(yīng)其工藝特點的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。這也是HKH系統(tǒng)適應(yīng)各種管道泄漏監(jiān)測而幾乎不誤報警的原因。3.管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)各種方法及特點因監(jiān)測方法應(yīng)用原理不同使其在實際生產(chǎn)過程中的漏點監(jiān)測、定位方法有較大差異。質(zhì)量分析

7、法和體積分析法都是針對管道內(nèi)流體的量來確定管道是否發(fā)生泄漏，其缺點是只有管道內(nèi)的流體發(fā)生一定量的泄漏后才能確認(rèn)管道出現(xiàn)泄漏工況。電磁監(jiān)測法在管道測漏應(yīng)用過程中其屬于非在線實時監(jiān)測，監(jiān)測過程需要巡線人員攜帶信號監(jiān)測器進(jìn)行監(jiān)測，其突出的特點是在管道未發(fā)生泄漏的情況下可以發(fā)現(xiàn)管道載閥位置，確定載閥或穿孔位置較為準(zhǔn)確，并進(jìn)行及時處理，其不足是：3.1 需要兩名巡線人員操作監(jiān)測器沿管線進(jìn)行檢測。3.2 電磁信號與管道的保溫層、防腐層、絕緣層的破損情況以及載閥的現(xiàn)場情況有關(guān)，保溫層、防腐層、絕緣層的破損情況越嚴(yán)重，電磁信號衰減越迅速，管道測漏的有效距離將縮短。3.3 有效檢測距離較短，一般在5km左右，如

8、增加檢測距離需要借助管線陰極保護樁或在管道上增加信號點。3.4 電磁監(jiān)測法屬于非實時監(jiān)測，其不能實現(xiàn)在線實時管道泄漏監(jiān)測。3.5而常規(guī)負(fù)壓力波法，需人工設(shè)定一個壓力差（流量差）值，利用管道壓力差（流量差）進(jìn)行判斷，每年數(shù)百次以上誤報警或漏報（小泄漏報不了警）。HKH系統(tǒng)是一套全自動實時管道監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它與同類產(chǎn)品相比具有每年無誤報警或幾次誤報警的低誤報警率，無漏報，定位精度高，監(jiān)測范圍大，靈敏度高等優(yōu)點。4. HKH管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)介紹HKH系統(tǒng)是一套基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能型管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)軟件。它克服了傳統(tǒng)方法的不足之處，能夠在多種復(fù)雜情況下對各種管道大小泄漏進(jìn)行及時報警和準(zhǔn)確定位。這

9、是學(xué)習(xí)型系統(tǒng)，它通過短期的試運行就可以對管道的情況有一個全面的了解，試運行后系統(tǒng)可以識別什么是管道正常工作（如站內(nèi)進(jìn)行啟泵，停泵，調(diào)節(jié)輸出量大小等操作），什么是泄漏。如果管道發(fā)生的是少量的滲油，只要到達(dá)瞬時流量的0.5%系統(tǒng)就會報警，以上這些都是系統(tǒng)自動完成的，不需要人工設(shè)定。HKH系統(tǒng)采用國家專利的誤差消除技術(shù)，真正實現(xiàn)了泄漏量大于瞬時流量的0.5%時準(zhǔn)確報警，不僅實現(xiàn)了同類技術(shù)做不到的自動報警、自動定位，而且比同類技術(shù)手工定位精度還要高的多。系統(tǒng)在大于3以上的泄漏時定位誤差僅幾十米，在泄漏量大于瞬時流量的0.5%時定位誤差范圍在+/-100m，而負(fù)壓力波法在這個區(qū)間連泄漏都發(fā)現(xiàn)不了，更談不

10、上定位了。負(fù)壓力波法在較大泄漏條件下手工定位精度小于管道長度×0.5% + 100m，也就是說管道越長誤差就越大。HKH系統(tǒng)監(jiān)測能力只與可檢測的信號有關(guān)，與輸油狀態(tài)無關(guān)，只要有信號就行，在管道停輸?shù)臓顟B(tài)下也可以報警，對監(jiān)測管段長度幾乎沒有限制，目前已有單段130KM案例，而負(fù)壓力波法的監(jiān)測長度為每段小于60KM。HKH系統(tǒng)泄漏靈敏度指標(biāo)為瞬時流量的0.5%，是自動實現(xiàn)的，沒有設(shè)定值；負(fù)壓力波法的指標(biāo)為0.5%-5%，是人為設(shè)定的，必須大于壓力波動值。由于管道壓力波動都比較大，所以，實際使用靈敏度都在5以上，兩者指標(biāo)十倍之差。HKH是全自動系統(tǒng)，誤報警或漏報警是系統(tǒng)問題，而負(fù)壓力波法靠

11、人工識別泄漏排除誤報警和定位，誤報警或漏報警或者定位不準(zhǔn)都是要由值班人員承擔(dān)責(zé)任的。HKH系統(tǒng)安裝方便，快捷，只需把所要監(jiān)測管道兩端的壓力與流量信號通過很短的電纜線傳到各自值班室即可，系統(tǒng)可以選擇任何通訊方式自動進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。還可以對系統(tǒng)進(jìn)行即時遠(yuǎn)程維護。5. HKH管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)工作原理HKH管道泄漏監(jiān)測報警定位系統(tǒng)是一種新穎的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是以模仿人類大腦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開發(fā)的軟件，將網(wǎng)絡(luò)思想與模糊邏輯推理思想相結(jié)合，形成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，在采集的流量壓力數(shù)據(jù)中篩選出次聲波的數(shù)據(jù)，將抽取的次聲波數(shù)據(jù)樣板分成若干個單元，各單元表示管道不同的工作狀態(tài)，單元之間的連接權(quán)表示相應(yīng)模糊概念之

12、間的因果關(guān)系。這種網(wǎng)絡(luò)可以表達(dá)人們積累的知識，同時，它在工作中通過自學(xué)習(xí)又不斷的積累和更新已有的知識。因為管道絕大多數(shù)時間是不會泄漏的，這就給網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)提供了充分的條件，所以知道了什么是正常工作不該報警，也就識別出了什么是泄漏，因此，這種方法不需建立泄漏模型庫，不必進(jìn)行復(fù)雜費時的規(guī)則搜索、推理，而只須通過高速并行分布計算就可產(chǎn)生正確的輸出結(jié)果。毫無疑問，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型是核心技術(shù)。目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計全靠設(shè)計者的經(jīng)驗，由人事先確定，還沒有一種系統(tǒng)的方法來確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，采用遺傳算法可以優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使管道泄漏的識別能力得以極大的提高。下圖中的藍(lán)色線就是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出曲線，從圖可以

13、看出，盡管流量、壓力變化很大，在不發(fā)生泄漏時藍(lán)色曲線幾乎是一條直線，它只在極小的范圍波動，一旦發(fā)生泄漏，它就立刻變大，其大小隨著泄漏量波動，而與當(dāng)時的管道壓力、流量沒有關(guān)系。若沒有網(wǎng)絡(luò)輸出曲線作為判別依據(jù)，識別出這樣的泄漏幾乎是不可能的。HKH3.0版軟件在各條管道應(yīng)用中的突出表現(xiàn)，已經(jīng)充分地證明了它的優(yōu)越特性。6. HKH管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案方案一：為了不影響原有的SCADA系統(tǒng)、提供系統(tǒng)的可靠性，計劃采用在PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端加裝信號分配器的方式將已存在的信號一分為二，一路供站內(nèi)SCADA系統(tǒng)使用，另一路供管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)分析使用。信號分配器本方案計劃在中控室安裝管道泄漏監(jiān)控專用

14、服務(wù)器1臺，Web服務(wù)器一臺。在各沿線相關(guān)站分別安裝HKH-GT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號隔離設(shè)備。使現(xiàn)場一次儀表的信號通過隔離后進(jìn)入HKH-GT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件通過現(xiàn)有局域網(wǎng)與各站采集系統(tǒng)通信，讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)分析。方案二：泄漏監(jiān)測系統(tǒng)也可以和SCADA系統(tǒng)的PLC進(jìn)行直接通信，可采用OPC或MODBUS等協(xié)議通過只讀的方式訪問PLC內(nèi)部寄存器地址，具體通信協(xié)議可根據(jù)現(xiàn)場PLC配備情況進(jìn)行協(xié)商，這種方式較信號隔離的方式更為簡潔、易于實現(xiàn)，且工期短，可靠性和安全性也不會受到任何影響。下面是通信原理圖，供參考： 7.HKH管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在華北油田的應(yīng)用華北油田采油五廠辛集采油作業(yè)區(qū)所屬“晉95采油站荊二聯(lián)”原油管道長度約4.2公里，管徑114毫米，埋深1米。此管道日常輸油時，儀表數(shù)據(jù)顯示不穩(wěn)定，輸差時大時小，疑有安全隱患卻找不到泄漏點。2011年初廠領(lǐng)導(dǎo)決定安裝HKH泄漏檢測系統(tǒng)，2011年9月，系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢，在試運行的兩周內(nèi)，便發(fā)生泄漏兩次，由于報警及時、定位準(zhǔn)確，成功抓獲