管道泄漏实时监测系统的原理及其在输油管线上的应用
日期：2009-7-16 23:49:10 来源：中国工控网
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一、问题的提出及系统的引入
近些年来我国石化工业迅猛发展，输油管网四通八达、纵横交错，距离长且大都铺设于地下。这些埋地输油管线，一方面随着使用年限的增加，受其周围地理环境及管线输油工况、介质等诸多复杂因素的影响，出现了管线焊缝开裂、内外自然及介质腐蚀穿孔等现象，造成管线内油品外漏；另一方面一些不法分子为牟取暴利，采用非常手段频繁在输油管线上打眼盗油，作案时间短、盗油流量大，不仅给企业造成巨大的经济损失，同时给管线内油品外漏留下了隐患。因此引入管线泄漏自动监控系统，及时发现并精确定位管线发生泄漏的部位，成为当前石油、石化行业确保输油管线安全运行的迫切技术手段之一。国外虽然有比较成熟的技术，但是不能够适应中国油品管道输送的特点，而且价格昂贵。在国内，油田和多家大学做过一定的研究，本公司与天津大学精密仪器及光电子工程学院合作研究，采用负压波技术进行管道的泄漏检测，该方法结构合理，易于安装，可以对输油管道进行长期实时监测，测试精度较高，适合我国管道输送工业的应用。
二、泄漏检测与定位技术
当管道发生泄漏时，泄漏点处由于管道内外的压差，流体迅速流失，在泄漏点处的压力迅速下降，同时以声波在液体里的传播速度向两边传播。本系统即采用检测泄漏点瞬态负压波的方法实现管道的泄漏检测和定位。其定位公式可以简单地写为：
△t 为两个检测点接收负压波的时间差；
L 为所检测的管道长度；
图1 泄漏定位示意图
本系统为了更精确地对泄漏点进行定位，根据实际管道情况予以充分考虑计算。在我们开发的系统中，利用全球卫星定位系统（GPS）可使分布不同地点的时钟统一在几十纳秒的精度范围内。且在实际的工业现场中，存在着大量的电磁干扰、杂散电场干扰、动力电源干扰以及输油泵振动等因素的干扰，将实际的有用的压力信号埋没其中。为此，该系统中采用了小波算法，对采集到的信号进行了有效的处理，以有效地提取关键信号，可以有效地提高检测灵敏度。
三、检测系统组成
系统硬件
? 系统由放置在上游泵站和下游泵站的各一套现场监控系统以及中心调度监测系统组成。
? 每一监控系统硬件由一套传感器（一只压力变送器、一只流量变送器和温度变送器）、数据采集卡板、信号调理器、GPS接收器、通讯数据网卡（或同步调制解调器）组成，由工业现场微机进行控制；
? 为保证采样精度和排除干扰，数据采集卡板采用16位数模转换，DC/DC变换及光电耦合信号隔离；
? 系统针对不同的通讯环境采用不同的通讯设备，并根据实际情况组成监控网络，可实现多节点，多分支，带储罐复杂管网环境下的管道监测报警与定位。
系统软件
系统采用模块化设计，使系统可以根据不同的管道环境、不同的通讯环境、不同的技术要求进行不同的组合设计。
? 数据采集与数据处理模块 该模块是整个系统的“低层”工作部分；在数据采集的同时，系统对数据进行滤波处理后，利用自动分段技术和简单的模式识别技术对数据进行分析，当初步判断异常时，即向主控程序置位告警；
? 数据通讯模块（针对专线、微波通讯或者局域网）主控程序调用该模块将被监测的管段的相关数据汇集，本系统根据具体的管道环境提供专线、微波通讯或者局域网等不同模块；并进一步开发基于GSM的通讯模块；
? 时间校对模块 实现不同采集点的时间一致性。系统根据不同的组网方式提供不同的时间校对方法；
? 数据分析监测与报警模块 系统根据两端的压力、流量、温度等参数对工况已发生的变化进行数据处理分析并根据形成的判据判断泄漏的发生并报警，同时用户根据显示出的工况开始曲线处理；
? 泄漏点定位模块 系统根据用户选定的范围，并结合压力、油温、管径、壁厚、分支、管长等参数，对泄漏点进行定位判断；
? 用户界面模块 系统采用虚拟仪器技术（LABVIEW），具有友好的用户界面，用户可得到数据波形显示，温度指示等，同时可以查看历史趋势；
? 文件服务模块和电子地图模块 系统在不断的工作中，采集到的数据以文件的形式存在磁盘上，用户可对数据进行处理（打印合并删除等）和分析；电子地图是可选项，以直观显示泄漏点；
四、应用实例
东轮输油管道全长93.84公里，管道设计压力为6.4MPa，东一联、轮西阀室、轮南输油站的三套采集装置不断采集管道的压力、温度等工况信息，通过局域网将数据实时传输到中心调度室进行处理和分析，以判断管道的输油工况是否正常。当发生窃油等泄漏事故时，将发出声光报警信号，并自动（或手动）对泄漏点定位。各监控子站（东一联、轮西阀室、轮南输油站）的采集监控装置由传感器组（压力变送器等）、信号调理器、工控机、网络通讯设备以及相应的数据采集、记录、传输软件模块组成，主要完成压力等数据的采集、记录、存储、通讯、查询等功能；轮南输油站的采集监控装置同时作为管道泄漏监测系统的中心处理站，主要完成接收并记录存储各子站数据，实时分析处理各子站数据以判断和定位管道泄漏的发生。东轮线管道泄漏监测系统示意图如图2所示。
图2 东轮线管道泄漏监测系统组成示意图其中： a 是负压波在管道中的传播速度；
五、结束语
我公司与天津大学精密仪器及光电子工程学院合作研究的管道泄漏实时监测定位系统的实际运行结果表明，该系统对大于总流量1.5%的泄漏可报警，定位精度为管道长度的2%。系统可长期存储管道的运行数据，可根据需要同时检测其它运行数据对管道进行实时监控，以确保输油管道安全运行。到目前为止，天津大学精密仪器及光电子工程学院研制的管道泄漏监测系统已在全国近8000公里的输油管道上应用。
参考文献
[1] 李庄，原油输送SCADA系统若干关键技术的研究，天津大学硕士研究生论文 [D]，2001.
[2] 王立宁，原油输送管道泄漏检测理论及其监测系统的研究，天津大学博士研究生论文 [D]，1998.
[3] LabVIEW User Manual, National Instruments [M]. National Instruments Corporation，1998.
[4] Signal processing Toolset Reference Manual [M]. National Instruments Corporation，1999.
[5]李健, 王立坤, 金翠云, 靳世久.输油管道泄漏监测及定位系统的研制, 电子测量与仪器学报,2002增刊
[6] 孙洁娣, 温江涛, 靳世久.管道安全监测系统的数据融合研究, 第五届全国信息获取与处理学术会议,2007
[7] 王立坤,周琰,李健.输油管道新型泄漏检测及定位系统的研制.计算机测量与控制,2002,l0(3)
一、问题的提出及系统的引入
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
近些年来我国石化工业迅猛发展，输油管网四通八达、纵横交错，距离长且大都铺设于地下。这些埋地输油管线，一方面随着使用年限的增加，受其周围地理环境及管线输油工况、介质等诸多复杂因素的影响，出现了管线焊缝开裂、内外自然及介质腐蚀穿孔等现象，造成管线内油品外漏；另一方面一些不法分子为牟取暴利，采用非常手段频繁在输油管线上打眼盗油，作案时间短、盗油流量大，不仅给企业造成巨大的经济损失，同时给管线内油品外漏留下了隐患。因此引入管线泄漏自动监控系统，及时发现并精确定位管线发生泄漏的部位，成为当前石油、石化行业确保输油管线安全运行的迫切技术手段之一。国外虽然有比较成熟的技术，但是不能够适应中国油品管道输送的特点，而且价格昂贵。在国内，油田和多家大学做过一定的研究，本公司与天津大学精密仪器及光电子工程学院合作研究，采用负压波技术进行管道的泄漏检测，该方法结构合理，易于安装，可以对输油管道进行长期实时监测，测试精度较高，适合我国管道输送工业的应用。
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二、泄漏检测与定位技术
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当管道发生泄漏时，泄漏点处由于管道内外的压差，流体迅速流失，在泄漏点处的压力迅速下降，同时以声波在液体里的传播速度向两边传播。本系统即采用检测泄漏点瞬态负压波的方法实现管道的泄漏检测和定位。其定位公式可以简单地写为：
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WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
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△t 为两个检测点接收负压波的时间差；
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L 为所检测的管道长度；
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图1 泄漏定位示意图
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本系统为了更精确地对泄漏点进行定位，根据实际管道情况予以充分考虑计算。在我们开发的系统中，利用全球卫星定位系统（GPS）可使分布不同地点的时钟统一在几十纳秒的精度范围内。且在实际的工业现场中，存在着大量的电磁干扰、杂散电场干扰、动力电源干扰以及输油泵振动等因素的干扰，将实际的有用的压力信号埋没其中。为此，该系统中采用了小波算法，对采集到的信号进行了有效的处理，以有效地提取关键信号，可以有效地提高检测灵敏度。
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三、检测系统组成
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系统硬件
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? 系统由放置在上游泵站和下游泵站的各一套现场监控系统以及中心调度监测系统组成。
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? 每一监控系统硬件由一套传感器（一只压力变送器、一只流量变送器和温度变送器）、数据采集卡板、信号调理器、GPS接收器、通讯数据网卡（或同步调制解调器）组成，由工业现场微机进行控制；
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? 为保证采样精度和排除干扰，数据采集卡板采用16位数模转换，DC/DC变换及光电耦合信号隔离；
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? 系统针对不同的通讯环境采用不同的通讯设备，并根据实际情况组成监控网络，可实现多节点，多分支，带储罐复杂管网环境下的管道监测报警与定位。
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系统软件
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系统采用模块化设计，使系统可以根据不同的管道环境、不同的通讯环境、不同的技术要求进行不同的组合设计。
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? 数据采集与数据处理模块 该模块是整个系统的“低层”工作部分；在数据采集的同时，系统对数据进行滤波处理后，利用自动分段技术和简单的模式识别技术对数据进行分析，当初步判断异常时，即向主控程序置位告警；
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? 数据通讯模块（针对专线、微波通讯或者局域网）主控程序调用该模块将被监测的管段的相关数据汇集，本系统根据具体的管道环境提供专线、微波通讯或者局域网等不同模块；并进一步开发基于GSM的通讯模块；
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? 时间校对模块 实现不同采集点的时间一致性。系统根据不同的组网方式提供不同的时间校对方法；
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? 数据分析监测与报警模块 系统根据两端的压力、流量、温度等参数对工况已发生的变化进行数据处理分析并根据形成的判据判断泄漏的发生并报警，同时用户根据显示出的工况开始曲线处理；
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? 泄漏点定位模块 系统根据用户选定的范围，并结合压力、油温、管径、壁厚、分支、管长等参数，对泄漏点进行定位判断；
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? 用户界面模块 系统采用虚拟仪器技术（LABVIEW），具有友好的用户界面，用户可得到数据波形显示，温度指示等，同时可以查看历史趋势；
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? 文件服务模块和电子地图模块 系统在不断的工作中，采集到的数据以文件的形式存在磁盘上，用户可对数据进行处理（打印合并删除等）和分析；电子地图是可选项，以直观显示泄漏点；
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四、应用实例
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东轮输油管道全长93.84公里，管道设计压力为6.4MPa，东一联、轮西阀室、轮南输油站的三套采集装置不断采集管道的压力、温度等工况信息，通过局域网将数据实时传输到中心调度室进行处理和分析，以判断管道的输油工况是否正常。当发生窃油等泄漏事故时，将发出声光报警信号，并自动（或手动）对泄漏点定位。各监控子站（东一联、轮西阀室、轮南输油站）的采集监控装置由传感器组（压力变送器等）、信号调理器、工控机、网络通讯设备以及相应的数据采集、记录、传输软件模块组成，主要完成压力等数据的采集、记录、存储、通讯、查询等功能；轮南输油站的采集监控装置同时作为管道泄漏监测系统的中心处理站，主要完成接收并记录存储各子站数据，实时分析处理各子站数据以判断和定位管道泄漏的发生。东轮线管道泄漏监测系统示意图如图2所示。
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图2 东轮线管道泄漏监测系统组成示意图其中： a 是负压波在管道中的传播速度；
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五、结束语
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我公司与天津大学精密仪器及光电子工程学院合作研究的管道泄漏实时监测定位系统的实际运行结果表明，该系统对大于总流量1.5%的泄漏可报警，定位精度为管道长度的2%。系统可长期存储管道的运行数据，可根据需要同时检测其它运行数据对管道进行实时监控，以确保输油管道安全运行。到目前为止，天津大学精密仪器及光电子工程学院研制的管道泄漏监测系统已在全国近8000公里的输油管道上应用。
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参考文献
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
[1] 李庄，原油输送SCADA系统若干关键技术的研究，天津大学硕士研究生论文 [D]，2001.
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
[2] 王立宁，原油输送管道泄漏检测理论及其监测系统的研究，天津大学博士研究生论文 [D]，1998.
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
[3] LabVIEW User Manual, National Instruments [M]. National Instruments Corporation，1998.
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
[4] Signal processing Toolset Reference Manual [M]. National Instruments Corporation，1999.
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
[5]李健, 王立坤, 金翠云, 靳世久.输油管道泄漏监测及定位系统的研制, 电子测量与仪器学报,2002增刊
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
[6] 孙洁娣, 温江涛, 靳世久.管道安全监测系统的数据融合研究, 第五届全国信息获取与处理学术会议,2007
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[7] 王立坤,周琰,李健.输油管道新型泄漏检测及定位系统的研制.计算机测量与控制,2002,l0(3)
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