智能化输油管道泄漏监测技术研究
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摘 要：随着我国经济发展，对资源的需求量也日益增多，输油管道是资源高效、安全运输的主要途径，因此我国逐渐意识到输油管道的重要性。智能化管线泄漏监测系统包括多维系统的整合及新应用的扩展，可实现远程控制，实时数据采集和泄漏监测，泄漏点定位，并且可在某些意外情况发生时进行自动决策和操作，该系统目前在现场应用效果良好。本文研究了输油管道泄漏监测的综合分析方法，详细讨论了系统的数据采集、自动控制、状态判断、异常点定位以及基于GIS的输油管道管理等内容。
关键词：输油管道;泄漏;监测;远程控制
中图分类号：TE973.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00
智能化输油管道泄漏监测系统实时监控管网是否安全运行，读取油品物性等参数，实时显示管网运行状态。数据采集系统采集到的每个分输站点的瞬时流量、压力、密度等运行参数，首先对数据进行有效性分析、其次使用滤波以及A/D转换等方法对信号进行前期处理，最后将数据发送至数据监测处理系统，经过分析判断动态实时地对输油管道进行泄漏监测报警及定位。
1智能化管道泄漏监测系统构成
1.1 基础数据采集系统
在智能化输油管道泄漏监测系统中，实时数据采集是其必要以及重要的功能之一。数据采集系统通常会安装在管道节点处，通过压力、流量和温度等传感器采集信号，对管道及管道内油品进行状态数据采集。采集系统[1]对收集到的基础数据进行有效性分析，信号处理更操作，然后集成数据并传输，保证数据采集的实时性和有效性，使之满足实际要求，提高应用效果。
1.2 数据通信系统
数据通信系统首先需组建光纤局域网，由于各监控分输站通过现场检测仪表不间断地采集管道压力、流量等基础数据，通过组建的光纤局域网将数据包实时发送到位于控制中心的服务器上，中心服务器运行管道泄漏监测系统，在接收数据包后进行解密分析，判断是否为所需要的数据，数据无误则实时显示。用以监测实时流量、压力等参数的变化，判断管道当前时刻运行状态是否正常。
1.3 数据监测处理系统
输油管道监控系统的数据处理系统对前期采集到的基础数据信号进行分析、比对和判断，其主要工作为实时调用异常判断算法模块，自动判断是否有异常情况发生，如有泄漏或其他异常情况，可自动（或手动）对泄漏点定位[2]，便于实时监控。一旦输油管道出现异常，可在较短时间内做出判断并定位异常点，便于工作人员及时察觉，部署工作，实现对整个输油管道的监控。
2管道泄漏模型
对成品油管网系统进行分析，以上下游压力为约束条件，科学地建立进行泄漏量计算的通用物理模型;依据管道初始运行状态、当前油品物性、管道属性和管道铺设区域地形，确定离散物理模型的方法。采集管网中每一输油节点的管道参数，建立管道稳定运行的水热力耦合模型，通过计算确定每一节点管道稳定运行的参数范围。对稳态水热力耦合模型进行求解，确定用于非稳态计算的初始条件。建立科学合理的管道非稳态运行水热力耦合模型，模型中考虑批次界面边界、变径点边界、阀门边界、泄漏边界、液柱分离边界及上下游压力边界。依据现场数据及泄漏相关参数对模型进行求解。对稳定泄漏状态下管内的流动状态进行深入分析，考虑因泄漏引起的管内微小流动，对不同泄漏状态下的泄漏分别建立数学模型，同时考虑成品油管网系统复杂地形条件，确定较为通用的计算方法，本系统管道泄漏模型如图1所示。
3系统功能设计与开发
本系统可以实现实时监控、自动控制、在线泄漏量测算、离线泄漏量测算、泄漏报警系统联动、泄漏点定位跟踪等功能。当泄漏报警系统发现管道泄漏后，将信息及时发送到智能化管线系统，并启动泄漏量测算模型，同时泄漏点位置和泄漏相关信息，例如拐点时间，泄漏量等均在GIS地图中进行标注和显示。同时系统具备停输状态下管道漏点最大漏油量计算功能和管道泄漏量测算功能，并将泄漏报警系统与泄漏量测算系统集成。可实现当发生泄漏后，支持在线和离线模拟上下游截断阀室关闭，并计算油品从泄漏点自流的最大泄漏量，系统功能框图如图2所示。
3.1 管道泄漏监测与定位
本系统采用负压波法、流量平衡法等多种判断方法进行综合分析。流量平衡法是根据管道内油品流量守恒原理，综合考虑了管道管壁、油品密度、波速等参数，根据泄漏检测灵敏度、允许误差限等性能指标，分析管道节点处所采集的压力、流量和温度数据，确定管段内是否有介质泄漏。该检测办法设备简单，安装方便，灵敏度高，造价较低，缺点是不能定位泄漏点。
采用负压波检测的方法，其原理是当管道中发生泄漏时所产生的压力波动总是向管道两端传递，当传播到管道端点时，会在管道两端点产生压力下降，其压力波动被数据采集器收集。泄漏发生位置的不同，该压力波动传递到管道兩端的时间也不同。根据所检测到的压力波传播到两个端点的时刻，计算其时间差，在一致压力波传播速度的情况下，即可计算出管道泄漏的位置。泄漏定位公式如下：
其中，X0为管道泄漏点距首站的距离，α为压力波传递速度，L为发生泄漏的管道长度，v为介质的流速，为上下游压力传感器接收到压力波的时间差。在管道的起始端和末端分别装配上高精度压力变送器、温度变送器和流量计等仪表，对现场信号进行采集。温度、压力信号通过传感器以4- 20mA的标准信号传送到监控终端，流量脉冲信号通过磁电式脉冲信号发生器传送到信号处理器。GPS为监控系统提供经过精确校正的标准时间，以确保管道两端时间、数据采集的同步性。
负压波检测法[3]响应速度快、定位精度高，但易受到管道工况调整的影响，采用瞬态负压波法和流量平衡法相结合的方法进行泄漏检测和分析，做到数据融合。可有效检测异常情况是否发生，并降低误报率，提高系统报警的灵敏度和准确性。 3.2系统应用安全设计
为了统一各应用系统的数字身份管理逻辑和安全处理机制，提供标准化安全协议支持，建立应用安全支撑平台，为应用系统提供统一认证、单点登录、签名/验签、时间戳等基础服务，需要该平台封装身份认证策略、签名/验签策略、目录服务，通过安全策略配置适应安全需求的变化，为各种应用系统提供标准化、高强度的应用安全管理服务、应用安全支撑服务等基础安全服务。
3.3 管道泄漏测算系统设计
基于泄漏点上下游压力、温度或流量、压力管道泄漏模型、泄漏前后研究管段水热力耦合模拟，对泄漏尺寸进行初步测算。系统在线泄漏量测算是根据从ASPEN数据库中获取的管段运行参数和泄漏点信息与模拟时间窗，可自动计算测算时长内的泄漏累积量;离线泄漏测算功能是用户将计算所需参数输入到EXCEL表格中，系统根据离线参数自动计算，在地图中显示泄漏位置，并以趋势图的形式显示泄漏点的计算结果。泄漏量测算程序和孔径预测程序拆分为两个独立模块。在泄漏孔径预测计算结束之后将孔径预测结果予以显示，可根据历史数据对泄漏孔径的预测结果进行修正，由操作人员决定采用泄漏孔径预测值或是手动输入泄漏孔径，继而进行下一步的泄漏量估算，管道泄漏测算系统如图3所示。
4管网调度优化
以成品油管网为基础，智能化输油管道泄漏监测可连接OPC服务器，在异常情况发生时，读取设备操作信息，排除工况调整的影响。系统综合现场管网调度计划，优化一系列适用于管网的判断算法和运行机制。管理者通过手动输入管网初始运行状态、输油计划及各分输站需求信息，系统就可以自动计算，生成合适的批次调度计划[4]，优化了生产运行。软件通过C#计算机语言编制，界面友好，操作简单，易于使用。
5结论
（1）智能化输油管道泄漏监控系统实行集中管理、分散控制。数据监测处理中心，可实现管线数据管理由分散、单一向集中、数字化转变。同时建立和集成管网信息系统，实现了管网生产运行管理由各自独立向共享协同转变。建成统一集成、可视化的智能化管线管理系统，实现管网信息系统由分散向集成转变，实现输油管网“安全、綠色、低碳、科学”运营。
（2）智能化输油管道泄漏监控系统可实现整个生产过程的合理调度、自动控制、泄漏监测、实时报警等功能，将输油管网、油库分输站有效的集成为一个系统。通过实时管道泄漏监测与分析技术，可快速发现泄漏等异常情况并定位异常点，便于工作人员技术采取措施，迅速部署减少漏油损失，具有明显的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 张永健，方来华，关磊.输油管道监控系统设计与开发[J].中国安全生产科学技术，2009（06）：15.
[2] 邹润，张勇，贾宗贤，等.输油管道泄漏实时检测定位系统的研制与应用[J].油气田地面工程，2003（07）：30.
[3] 赵名师，李艳，陆新星，等.输油管道如何应用泄漏定位监控系统[J].科技与企业，2013（09）：17.
[4] 雷超.输油管道泄漏检测系统的设计与优化[J].天然气与石油，2010（10）：25.
收稿日期：2020-01-06
作者简介：谢成（1980—），男，辽宁抚顺人，本科，高级工程师，研究方向：完整性管理。
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