《油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)》――油氣管線泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展_百度文

1、油氣管線泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展原油輸送管線是油田企業(yè)的生命線,是凝聚全體工作人員的智慧和汗水的結(jié)晶。由于不法份子栽閥及管線運(yùn)行過程中腐蝕所引起的管線穿孔,造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)流失、油田正常生產(chǎn)秩序遭到破壞、環(huán)境受到污染等一系列嚴(yán)重問題。以往傳統(tǒng)的原油輸送管線管理以人工巡線、首末站輸差比對(duì)監(jiān)測(cè)管線泄漏的方式逐漸顯現(xiàn)出管理上的不足。生產(chǎn)過程中不法份子可在1.5小時(shí)以內(nèi)完成栽閥過程以及面對(duì)隨時(shí)有可能發(fā)生腐蝕穿孔的管線而言,通過輸差比對(duì)發(fā)現(xiàn)大量泄漏仍需要一段時(shí)間,如組織巡線確定漏點(diǎn),不法份子已然人去樓空,且可能已泄漏大量原油造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。泄漏是輸油管道運(yùn)行的主要故障,往往也會(huì)由此造成巨大損失,因而,輸油管道

2、泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用成為石油行業(yè)亟待解決的問題。目前,國(guó)內(nèi)外管道監(jiān)測(cè)方法較多,應(yīng)用原理也不盡相同,市場(chǎng)上泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大致可分為以下幾類。聲發(fā)射技術(shù)法當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),流體通過裂紋或者腐蝕孔向外噴射形成聲源,然后通過和管道相互作用,聲源向外輻射能量形成聲波,這就是管道泄漏聲發(fā)射現(xiàn)象。對(duì)這些因泄漏引起的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集和分析處理,就可以對(duì)泄漏以及其位置進(jìn)行判斷。當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時(shí),管道中的流體被擾動(dòng),接收換能器上的電壓將發(fā)生明顯變化。通過采集若干個(gè)泄漏點(diǎn)電壓變化量,描繪出泄漏點(diǎn)與電壓變化量的關(guān)系曲線,并求出曲線對(duì)應(yīng)的方程。用這種方法,可以根據(jù)接收換能器上檢測(cè)儀表電壓的變化立即發(fā)現(xiàn)泄漏,進(jìn)而根據(jù)

3、擬合曲線或方程確定泄漏點(diǎn)的位置。根據(jù)聲速在介質(zhì)中傳播速度的公式可知,隨著液體密度的增大,其聲速也將增大。例如,聲波在水中的傳播速度大約是在空氣中的5倍。由于原油的密度比水大,因而原油中的聲速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空氣中的聲速,所以利用超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸油管道的運(yùn)行響應(yīng)速度快、靈敏度高。利用壓電陶瓷制作的換能器成本低、功耗小,通過換能器所產(chǎn)生的超聲波在液體中形成駐波,減少能量的損失,諧振信號(hào)強(qiáng),有利于觀察與記錄。在實(shí)驗(yàn)室中,通過測(cè)量得到不同泄漏點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào),描繪出泄漏點(diǎn)位置與電壓信號(hào)變化量的曲線,進(jìn)而得到其擬合曲線以及函數(shù)表達(dá)式,即可實(shí)時(shí)觀測(cè)管道的運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點(diǎn)的位置。GPS時(shí)間標(biāo)簽法采用G

4、PS同步時(shí)間脈沖信號(hào)是在負(fù)壓波的基礎(chǔ)上,強(qiáng)化各傳感器數(shù)據(jù)采集的信號(hào)同步關(guān)系,通過采樣頻率與時(shí)間標(biāo)簽的換算,分別確定管道泄漏點(diǎn)上游和下游的泄漏負(fù)壓波的速度,然后利用泄漏點(diǎn)上下游檢測(cè)到的泄漏特征信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽差,就可以確定管道泄漏的位置。采用GPS進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù),泄漏定位精度可達(dá)到總管線長(zhǎng)度的1%之內(nèi),比傳統(tǒng)方法精度提高近3倍。負(fù)壓波法當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故時(shí), 在泄漏處立即有物質(zhì)損失, 并引起局部密度減小, 進(jìn)而造成壓力降低。泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波被稱為負(fù)壓波。設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端的傳感器根據(jù)壓力信號(hào)的變化和泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差,就可以確定泄漏位置。該方法靈敏準(zhǔn)確,無需建立管線的數(shù)學(xué)模型,

5、原理簡(jiǎn)單,適用性很強(qiáng)。但它要求泄漏的發(fā)生是快速突發(fā)性的,對(duì)微小緩慢泄漏不是很有效。基于負(fù)壓波的傳播理論, 提出了兩種定位方法:能夠快速捕捉負(fù)壓波前峰到達(dá)壓力測(cè)量點(diǎn)的波形特征點(diǎn)的微分算法, 并基于此種算法進(jìn)行漏點(diǎn)定位;將極性相關(guān)引入漏點(diǎn)定位技術(shù),通過確定相關(guān)函數(shù)峰值點(diǎn)的方法, 進(jìn)行漏點(diǎn)定位。這兩種定位方法是對(duì)泄漏時(shí)的壓力時(shí)間序列分別從微分和積分, 從瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進(jìn)行處理,提取特征值。這兩種方法配合使用,能夠提高泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。目前,負(fù)壓波法在國(guó)內(nèi)輸油管道上進(jìn)行了多次試驗(yàn),取得了令人滿意的效果,但在輸氣管道上的試驗(yàn)并不多。文獻(xiàn)指出,負(fù)壓波法完全適合于氣體管道的泄漏檢測(cè), ICI公司曾經(jīng)使用

6、負(fù)壓波法在乙烯管道上進(jìn)行過成功的試驗(yàn)。使用壓力波法時(shí),應(yīng)當(dāng)選用只對(duì)負(fù)壓波敏感的壓力傳感器(因?yàn)樾孤┎粫?huì)產(chǎn)生正壓波,傳感器應(yīng)當(dāng)盡量靠近管道,而且要設(shè)定合適的閾值,這樣可以更好地抑制噪音。壓力點(diǎn)分析法( PPA該方法是在站場(chǎng)或干線某位置上安裝一個(gè)壓力傳感器, 泄漏時(shí)漏點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓波向檢測(cè)點(diǎn)傳播, 引起該點(diǎn)壓力(或流量 變化, 分析比較檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與正常工況的數(shù)據(jù), 可檢測(cè)出泄漏。再由負(fù)壓波傳播速度和負(fù)壓波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間可進(jìn)行漏點(diǎn)定位。PPA 具有使用簡(jiǎn)便、安裝迅速等特點(diǎn)。美國(guó)謝夫隆管道公司(CPL將PPA法作為其管道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)( SCADA的一部分。試驗(yàn)結(jié)果表明: PPA 具有優(yōu)良的檢漏性

7、能,能在10 min內(nèi)確定50 gal/min (1 gal = 31785 L的漏失。但壓力點(diǎn)分析法要求捕捉初漏的瞬間信息,所以不能檢測(cè)微滲。該方法適用于檢測(cè)氣體、液體和某些多相流管道,已廣泛應(yīng)用于各種距離和口徑的管道泄漏檢測(cè)。壓力梯度法該方法原理是:當(dāng)管道正常輸送時(shí),站間管道的壓力坡降呈斜直線,當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),漏點(diǎn)前后的壓力坡降呈折線狀,折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn),據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置。壓力梯度法只需要在管道兩端安裝壓力傳感器,簡(jiǎn)單、直觀,不僅可以檢測(cè)泄漏,而且可確定泄漏點(diǎn)的位置。但因?yàn)楣艿涝趯?shí)際運(yùn)行中,沿線壓力梯度呈非線性分布,因此壓力梯度法的定位精度較差,而且儀表測(cè)量對(duì)定位結(jié)果有很大影響。所以壓力

8、梯度法定位可以作為一個(gè)輔助手段。針對(duì)線性壓力梯度法定位精度差的問題,國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了不等溫長(zhǎng)輸管道泄漏定位的方法。通過建立反映管道沿程熱力變化的水力和熱力綜合模型,找到更能反映實(shí)際情況的非線性壓力梯度分布規(guī)律,進(jìn)行泄漏定位。此方法對(duì)原油(或其他流體在黏度、密度、比熱容等特性方面隨著沿程溫度下降有較大變化的管道顯示出很大的優(yōu)越性,但該方法需要流量信號(hào),而且需要建立較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,增加了計(jì)算量。狀態(tài)估計(jì)法該方法根據(jù)質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、能量平衡方程及狀態(tài)方程等機(jī)理建模。得到一個(gè)非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)模型, 通?？刹捎貌罘址ɑ蛱卣骶€法等方法將其線性化。設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì),將估計(jì)值

9、作為泄漏檢測(cè)的依據(jù),這就是基于狀態(tài)估計(jì)的方法的基本原理。其中估計(jì)器可以是觀測(cè)器,也可以是Kalman濾波器。根據(jù)建立模型的方法,狀態(tài)估計(jì)法可分為不包含故障的模型法和包含故障的模型法。不包含故障的模型法基本思路是:建立管道模型并設(shè)計(jì)估計(jì)器,模型中不含有泄漏的信息。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí),模型估計(jì)值與實(shí)際測(cè)量值將產(chǎn)生殘差,可用殘差信號(hào)來進(jìn)行檢測(cè)定位。包含故障的模型法基本思路是:建立管道模型時(shí)預(yù)先假設(shè)管道有幾處指定的位置發(fā)生了泄漏, 通過對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)得到這幾個(gè)預(yù)先假設(shè)的泄漏點(diǎn)的泄漏量估計(jì)值, 運(yùn)用適當(dāng)?shù)呐袆e準(zhǔn)則便可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。該方法在長(zhǎng)90 km、內(nèi)徑785 mm 的氣體管道上,在80 min內(nèi)可

10、檢測(cè)出2%的泄漏量,并在100 min內(nèi)可完成定位,定位精度比較高。但當(dāng)實(shí)際泄漏點(diǎn)不處于指定泄漏點(diǎn)之間時(shí),定位公式將無法使用。對(duì)于氣體管道,檢測(cè)速度相對(duì)較慢,仍需設(shè)置流量計(jì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法由于有關(guān)管道泄漏的未知因素很多,采用常規(guī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述存在較大困難,用于泄漏檢測(cè)時(shí),常因誤差很大或易漏報(bào)誤報(bào)而不能用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管道泄漏的方法,不同于已有的基于管道準(zhǔn)確流動(dòng)模型描述的泄漏檢測(cè)法,能夠運(yùn)用自適應(yīng)能力學(xué)習(xí)管道的各種工況,對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行分類識(shí)別,是一種基于經(jīng)驗(yàn)的類似人類的認(rèn)知過程的方法。試驗(yàn)證明:這種方法是十分靈敏和有效的。理論分析和實(shí)踐表明:這種檢漏方法能夠迅速準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出管道

11、運(yùn)行情況,檢測(cè)出管道運(yùn)行故障并且有較強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗噪聲干擾的能力。泄漏引發(fā)應(yīng)力波適當(dāng)?shù)奶卣魈崛≈笜?biāo)能顯著提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算速度。統(tǒng)計(jì)檢漏法該方法采用一種“順序概率測(cè)試”( SequentialProbabilityRatio Test 假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法,從實(shí)際測(cè)量到的流量和壓力信號(hào)中實(shí)時(shí)計(jì)算泄漏發(fā)生的置信概率。在實(shí)際統(tǒng)計(jì)上,輸入和輸出的質(zhì)量流通過流量變化( InventoryVariation 來平衡。在輸入的流量和壓力均值與輸出的流量和壓力均值之間會(huì)有一定的偏差,但大多數(shù)偏差在可以接受的范圍之內(nèi),只有一小部分偏差是真正的異常。通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和檢驗(yàn)零假設(shè),對(duì)偏差的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),來

12、判斷是否出現(xiàn)故障。泄漏發(fā)生后,采用一種最小二乘算法進(jìn)行定位。一個(gè)高效可靠的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng),必須在發(fā)生微小的泄漏時(shí),能在最短的時(shí)間內(nèi),正確地報(bào)警,準(zhǔn)確地指出泄漏位置,并較好地估計(jì)出泄漏量,而且對(duì)工況的變化適應(yīng)性要強(qiáng),即泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)誤報(bào)率、漏報(bào)率低,魯棒性強(qiáng),還應(yīng)便于維護(hù)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,首先要正確分析工況條件及最終性能要求,明確各性能要求的主次關(guān)系,然后從眾多的泄漏檢測(cè)方法中進(jìn)行分析,經(jīng)過適當(dāng)權(quán)衡和取舍,最后選定最優(yōu)解決方案。長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)與定位在工程實(shí)踐中已取得了很大進(jìn)步,同時(shí)也暴露了許多問題。例如,長(zhǎng)輸管道的小泄漏檢測(cè)和定位仍是重點(diǎn)問題;增強(qiáng)泄漏檢測(cè)和定位系統(tǒng)的自適應(yīng)能力

13、和自學(xué)習(xí)能力;將多種方法有機(jī)的結(jié)合起來進(jìn)行綜合診斷,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合診斷性能;有效解決長(zhǎng)輸管道的非線性分布參數(shù)的時(shí)間滯后問題等。目前的泄漏檢測(cè)和定位手段是多學(xué)科多技術(shù)的集成,特別是傳感器技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)等的發(fā)展,促進(jìn)了泄漏檢測(cè)定位方法的實(shí)現(xiàn)。可對(duì)流量、壓力、溫度、密度、黏度等信息進(jìn)行采集和處理,通過建立數(shù)學(xué)模型、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式分類,或通過模糊理論對(duì)檢測(cè)區(qū)域或信號(hào)進(jìn)行模糊劃分,利用粗糙集理論簡(jiǎn)約模糊規(guī)則,從而提取故障特征等基于知識(shí)的方法進(jìn)行檢測(cè)和定位。綜上所述,泄漏檢測(cè)方法很多,一條管道要選用哪種泄漏監(jiān)測(cè)或檢測(cè)方法則需要根據(jù)管道的 設(shè)計(jì)參數(shù)、傳輸介質(zhì)的參數(shù)、設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和數(shù)據(jù)通訊能力來綜合選擇,沒有一種單一的泄 漏監(jiān)測(cè)或檢測(cè)方法可適用任何管道。目前,對(duì)于液體長(zhǎng)輸管道的泄漏監(jiān)