基于虛擬儀器的原油管道泄漏檢測系統(tǒng)

1、基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)作者 李莊 王立坤 周琰 職務(wù) 博士研究生 單位 天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摘要近年來我國原油泄漏事故頻仍造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染 所以需要一個(gè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn) 并精確定位的監(jiān)測系統(tǒng) 我們使用 National Instruments公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW 和數(shù)據(jù)采 集卡 不間斷采集壓力 流量溫度等參數(shù)監(jiān)視管道運(yùn)行狀況并利用電話線路構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò) 建立了一個(gè)實(shí)時(shí)性較好的監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)于突發(fā)的原油泄漏 我們綜合運(yùn)用了包括小波分析在內(nèi)的多 種信號(hào)處理方法 能夠及時(shí)準(zhǔn)確地定位泄漏點(diǎn) 本系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于勝利油田和華東輸油管理 局等集輸管網(wǎng)和長

2、輸管線 取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益 關(guān)鍵詞 原油管道 泄漏 虛擬儀器 小波分析A Virtual Instrument-Based Oil Pipelines Leak Monitoring SystemAbstract : Raw oil leakage has been an important problem these years in China, which will cause serious consequences, such as economic loss and environmental pollution. Thus a monitoring system which c

3、an detect the leakage and locate the leak point is required. National Instruments graphical programming language, LabVIEW and DAQ board are used to acquire pressure, flow rate and temperature continuously, monitoring the condition of the pipeline. And with telephone communication net, a real-time mo

4、nitoring system is established. Several methods of signal processing, including wavelet analysis are utilized. The system has played a big role in the pipeline network in Shengli Oil Field and long pipelines of East China Oil Bureau.Key words: oil pipelines, leakage, virtual instrument, wavelet anal

5、ysis一 泄漏監(jiān)測與定位的原理 隨著管道的建設(shè) 各種監(jiān)測技術(shù)也在不斷發(fā)展 目前應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測的主要有壓力梯度法 負(fù)壓力波法 流量平衡法超聲波檢測法等物理方法和一些化學(xué)方法 這些方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場合 各不相同國外雖然有比較成熟的技術(shù)但是不能夠適應(yīng)中國原油輸送的特點(diǎn) 而且價(jià)格昂貴 在 國內(nèi) 多家大學(xué)和油田均做過一定研究 但到目前為止 只有天津大學(xué)研制的系統(tǒng)成功地應(yīng)用于現(xiàn) 場 取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益 我國近年來的原油泄漏主要是因?yàn)槿藶槠茐脑斐傻?特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短 泄漏量較大 屬于突 發(fā)性事故 我們采用負(fù)壓力波檢測法 1997年我們?yōu)槿A東石油管理局濮陽 -滑縣的管線設(shè)計(jì)了一套泄 漏監(jiān)測系統(tǒng) 是在

6、DOS 操作系統(tǒng)下用 C 語言實(shí)現(xiàn)的 其主要缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)多任務(wù) 數(shù)據(jù)采集和通 信不能同時(shí)進(jìn)行 從 2000年初至今 我們使用 LabVIEW 平臺(tái) 設(shè)計(jì)并不斷完善了基于虛擬儀器的 原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng) 已經(jīng)成功地安裝于臨盤 -濟(jì)南和滄州 -臨邑的兩條管線上 負(fù)壓力波法是一種聲學(xué)方法 所謂壓力波實(shí)際是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波 當(dāng)管道發(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 壓力下降 泄漏點(diǎn)兩邊的液體由于壓差而向泄漏點(diǎn) 處補(bǔ)充 這一過程依次向上下游傳遞 相當(dāng)于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓力波 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計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置 定

7、位 的原理如圖 1所示 L 為管道長度 X 為泄漏點(diǎn) t1t2為負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間 圖 2為采集 到的負(fù)壓波波形 縱坐標(biāo)單位為 MPa圖 1 負(fù)壓波定位原理 time 圖 2 負(fù)壓波波形常規(guī)的負(fù)壓波法定位公式為 2t a L X +=(1 其中 a 為管輸介質(zhì)中壓力波的傳播速度 t 為上 下游傳感器接收壓力波的時(shí)間差此公式的前提是壓力波速為常數(shù) 但是聲波的速度與媒質(zhì)的密度 壓力 比熱和管道的材質(zhì)都 有關(guān)由于國外大多是輕質(zhì)油常溫輸送即可原油的密度沿管線變化不大 所以波速可以看作常 數(shù) 而我國的原油具有高粘度高含蠟和高凝點(diǎn)的特點(diǎn) 必須加熱輸送由于管道傳輸距離長 散 熱明顯一般沿程的溫度變化約

8、十幾到二十幾攝氏度 所以壓力波的傳播速度并不是一個(gè)常數(shù) 受 溫度影響很大 考慮到液體的彈性 密度和管材的彈性的因素 壓力波傳播速度 a重新寫為 a t K t t K t E D e C ( ( /( ( =+112 其中 K 為液體的體積彈性系數(shù) 為液體的密度 E 為管材的彈性模量 D 為管道直徑 e 為管 壁厚度 C 1為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù) 其中體積彈性系數(shù) K 和密度 都是溫度的函數(shù) 所 以采集壓力的同時(shí)還要采集管道的溫度用來校正壓力波的傳播速度 流量在監(jiān)測中也是一個(gè)重要的參數(shù)因?yàn)槲覈芏嘣凸艿蓝疾皇敲荛]輸送 收油端直接接入大罐本身壓力就很低再加之大罐的濾波作用 壓力的變化可

9、能會(huì)淹沒在一片噪聲之中 若同時(shí) 監(jiān)測流量的變化也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏 彌補(bǔ)壓力靈敏度低的缺點(diǎn)另外除了泄漏 泵站內(nèi)部的 操作 如調(diào)泵 調(diào)閥 也會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波 我國的現(xiàn)狀要求只能在站內(nèi)安裝一臺(tái)壓力變送器 所以僅 靠壓力就不能判斷負(fù)壓波是站內(nèi)產(chǎn)生的還是站外產(chǎn)生的 而流量變化對(duì)于泄漏和站內(nèi)操作具有不同 性質(zhì) 通過分析流量變化就可以甄別負(fù)壓波的來源基于以上考慮我們采取壓力流量聯(lián)合判斷的方法 分別在管道的出口和進(jìn)口加裝合適量程的 壓力變送器 溫度變送器和流量變送器 不間斷采集原油的壓力 溫度和流量 監(jiān)視管道的運(yùn)行狀 況 壓力變送器和溫度變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)的 420mA電流模擬信號(hào) 流量變送器輸出的是脈沖 由于 模擬

10、量的采集速率不是很高 大約為幾百 Hz 脈沖的頻率約為 700多 Hz 我們選用低價(jià)的多功能卡 PCI-6023E 利用其兩路模擬量單端輸入和一個(gè)通用 24位計(jì)數(shù)器 從功能 價(jià)格和開發(fā)周期等因素來考慮 這款采集卡都非常適合我們的要求對(duì)于微弱信號(hào)的提取效果明顯 可以觀察到萬分之幾 MPa 的微小變化 在臨 -濟(jì)線和滄 -臨線上共使用了 10塊 PCI-6023E 連續(xù)工作的穩(wěn)定性很好 為了節(jié)約存儲(chǔ)空間 我們采用二進(jìn)制格式保存文件壓力和溫度每一小時(shí)一個(gè)文件 流量因?yàn)?是累積量 每一天一個(gè)文件 供泄漏定位和查閱歷史數(shù)據(jù)之用 二 精確捕捉壓力波傳播到上下游的時(shí)間差 精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波傳播到上下游

11、傳感器的時(shí)間差 需要準(zhǔn)確地捕捉到泄漏負(fù)壓力波信 號(hào)序列的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn) 由于不可避免的工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾 輸油泵的振動(dòng)等 采集到的壓力波信 號(hào)序列附加了大量噪聲 如何從噪聲當(dāng)中準(zhǔn)確地提取出信號(hào)的特征點(diǎn)是定位的關(guān)鍵 首先 因?yàn)椴煌瑮l件 管徑 溫度 壓力 輸送工藝 環(huán)境噪聲等 下的信號(hào)具有不同的特征 我們利用 LabVIEW 中豐富的信號(hào)處理函數(shù)對(duì)信號(hào)的特征作了深入的研究分析和預(yù)處理 使得系統(tǒng)能 夠針對(duì)不同的信號(hào)做出相應(yīng)的處理例如 在滄州首站 啟泵的時(shí)候信號(hào)中含有比較有規(guī)律的尖銳 噪聲 雖然幅度并不大 只有約千分之一兆帕 卻因?yàn)閴毫Ρ容^低而非常明顯 如圖 3針對(duì)這樣 的情況 我們使用了中值濾波器中值濾

12、波器能夠平滑尖銳噪聲又能保持信號(hào)的邊沿 而且計(jì)算 速度非?？?可以用于在線處理 對(duì)比下面兩圖 可以看到濾波的效果 圖 3 含有脈沖噪聲的負(fù)壓波信號(hào) 圖 4 上圖的信號(hào)經(jīng)過中值濾波器之后的波形對(duì)信號(hào)作了一定預(yù)處理之后 我們采用 Signal Processing軟件包里提供的小波分析的動(dòng)態(tài)庫來捕 捉壓力波變化的特征點(diǎn)將含有負(fù)壓波信號(hào)的數(shù)據(jù)通過兩通道濾波器 分為低頻概貌和高頻細(xì)節(jié)兩 路輸出 負(fù)壓波的位置就是高頻細(xì)節(jié)當(dāng)中最小值對(duì)應(yīng)的索引值 圖 5為圖 2所示信號(hào)的高頻結(jié)果 因?yàn)槲覀儍H分析信號(hào) 不作重構(gòu)所選擇參數(shù)設(shè)計(jì)更為靈活的雙正交的濾波器組 而不必考慮對(duì)偶 濾波器組是否收斂 利用 Wavelet a

13、nd Filter Bank Design Tookit提供的 Design Panel 和 1D Test Panel我們?cè)诂F(xiàn)場對(duì)于不同的信號(hào)可以方便地調(diào)整濾波器參數(shù) 觀察濾波效果 大大提高了應(yīng)用的效率 圖 5 圖 2的信號(hào)通過兩通道濾波器后的高頻結(jié)果三 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以滄州 -臨邑長輸管線的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)為例介紹一下整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成如圖 6由安裝于滄州 東光 德州和臨邑的四套裝置和滄州處調(diào)度室的中心計(jì)算機(jī) 組成 各站的裝置包括各種傳感器 計(jì)算機(jī) 信號(hào)調(diào)理裝置 信號(hào)采集卡和調(diào)制解調(diào)器等因?yàn)楣艿廊€長 180公里 兩座泵站之間的距離一般是 60公里左右 所以只能通過電話網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)通信

14、 LabVIEW 的函數(shù)庫里沒有現(xiàn)成的函數(shù)可供調(diào)用 我們綜合運(yùn)用 Serial Port VIsIn Port Out Port 和 Call Library Function調(diào)用自己編寫的動(dòng)態(tài)鏈接庫 控制調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)通信 各個(gè)子站的數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)傳到中心站 線路中斷能夠自動(dòng)重新連接 主程序每一分鐘調(diào)用一次泄漏判斷子程序 該子程序綜合運(yùn)用負(fù)壓波法 壓力梯度法和流量差法分析采集到的工況數(shù)據(jù) 判斷 是否有泄漏發(fā)生 滄州站和滄州處調(diào)度室僅有幾百米的距離 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間建立了以太網(wǎng) 使用 TCP/IP實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)傳輸 現(xiàn)場還有其他 PLC 系統(tǒng) 我們用 DDE 實(shí)現(xiàn) LabVIEW 和 Ex

15、cel 之間的數(shù)據(jù)交換 作為與其 他系統(tǒng)的接口 用戶對(duì)系統(tǒng)的操作都設(shè)計(jì)為菜單操作 包括參數(shù)設(shè)置 文件處理 歷史數(shù)據(jù) 泄漏定位和退出 系統(tǒng)等幾項(xiàng) 每一項(xiàng)菜單還有報(bào)警 都通過 VI Server的方法動(dòng)態(tài)調(diào)用 這樣既節(jié)省內(nèi)存 又使程序 結(jié)構(gòu)清晰 模塊化好 圖 9 用動(dòng)態(tài)調(diào)用實(shí)現(xiàn)菜單操作圖 7和圖 8為中心計(jì)算機(jī)的主界面和定位程序的操作界面總結(jié) 作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) 和其他同類產(chǎn)品相比 LabVIEW 在數(shù)據(jù)采集 存儲(chǔ) 顯示 信號(hào)處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫骘@示了強(qiáng)大的功能 尤其是其數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)提高了我們的工作效率 我們綜合運(yùn)用了數(shù)字濾波 中值濾波頻譜分析等等各種信號(hào)處理函數(shù) 使用起來只需連連線

16、小 波分析軟件包也為現(xiàn)場應(yīng)用提供了很大的方便 另外我們選用的 PCI-6023E 數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格并不比 其他同類產(chǎn)品高而且性能非常出色 在 LabVIEW 當(dāng)中有多種方法可供調(diào)用同時(shí) Advanced Functions 和其他通信函數(shù)擴(kuò)展了 LabVIEW 的性能 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活 模塊化的設(shè)計(jì)使編程簡單 明了我們僅用了兩個(gè)多月的時(shí)間就在實(shí)驗(yàn)室完成了全部程序的編制 在現(xiàn)場調(diào)試階段 也可以很 快作出調(diào)整 實(shí)現(xiàn)用戶的要求 系統(tǒng)反映靈敏 報(bào)警時(shí)間小于 200秒 定位精度比原來用 C 語言設(shè) 計(jì)的系統(tǒng)大大提高 最大定位誤差小于被測管長的 2%還能夠估算泄漏量 具有和其他程序的接口 方便擴(kuò)展 據(jù)統(tǒng)計(jì)

17、 在勝利油田臨盤 -濟(jì)南管線 2001年 3月 5日至 4月 12日 共監(jiān)測到泄漏 39次 抓獲盜油車輛 8輛 在滄州 -臨邑管線 2001年 4月 9日至 5月 13日 抓獲盜油車輛 17輛 發(fā)現(xiàn)閥門 40多處 為國家挽回經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十萬元天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年的探索 對(duì)我國各地的原油 成品油管 道作了深入的理論研究和豐富的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn) 研制的泄漏檢測系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種不同的工況特點(diǎn) 除 了前文提到的應(yīng)用之外 本系統(tǒng)還將應(yīng)用于中 原 -洛 陽 的全線改造 遼河油田曙光 -錦西等管 線 在我國的石油生產(chǎn)和運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣闊的前景 本實(shí)驗(yàn)室對(duì)天然氣管道泄漏也作了一定研究 隨著我國天然氣管道的發(fā)展 美國國家儀器公司的產(chǎn)品在天然氣管道泄漏系統(tǒng)上也將獲得成功應(yīng)用參考文獻(xiàn)1 李莊 原油輸送 S