油氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)技術(shù)綜述

油氣長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)技術(shù)綜述

1建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性由于管道在液體、氣體、漿體等介質(zhì)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此已成為鐵路、公路、自來(lái)水、航空和航空之后的第一個(gè)交通工具。然而,管道隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸老化,或受到各種介質(zhì)的腐蝕以及人為等破壞因素,使管道泄漏。比如鎮(zhèn)海-蕭山成品油長(zhǎng)輸管線遭人為破壞,導(dǎo)致大量成品油泄漏,不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,更為重要的是污染了環(huán)境,同時(shí)也帶來(lái)了安全問(wèn)題。因此建立管道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定發(fā)生泄漏的位置,將可以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi),盡可能地避免環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生。鑒于此,對(duì)鎮(zhèn)海-漕涇石腦油長(zhǎng)輸管道增設(shè)了管道泄漏檢測(cè)與定位自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))。2管線及管道設(shè)計(jì)鎮(zhèn)海-漕涇石腦油長(zhǎng)輸管道主要負(fù)責(zé)鎮(zhèn)海煉化向上海賽科石化公司供應(yīng)合格石腦油產(chǎn)品,管線全長(zhǎng)130km,設(shè)計(jì)的年輸量為100萬(wàn)噸/年(200m3/h),設(shè)計(jì)壓力:鎮(zhèn)海-白沙灣段管線6.4MPa、白沙灣-漕涇末站段管線2.5MPa,設(shè)計(jì)溫度為40℃,輸送介質(zhì)是石腦油,如表1。該長(zhǎng)輸線系統(tǒng)配套安裝了首、末站貿(mào)易級(jí)的質(zhì)量流量計(jì),遠(yuǎn)控長(zhǎng)輸泵及閥門,遠(yuǎn)傳的管線壓力、流量、溫度等儀控設(shè)施,基于軟件分析的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)和聯(lián)鎖控制系統(tǒng),確保長(zhǎng)輸線安全平穩(wěn)運(yùn)行。該長(zhǎng)輸管道至2005年投用至今,已經(jīng)運(yùn)行7年多時(shí)間,未出現(xiàn)重大安全事故,系統(tǒng)運(yùn)行比較平穩(wěn),每年的撿漏系統(tǒng)測(cè)試正常。3相關(guān)的泄漏檢測(cè)方法由于管道泄漏檢測(cè)的多樣性和復(fù)雜性,目前國(guó)內(nèi)外的檢測(cè)技術(shù)眾多,如:探測(cè)球法、撿漏電纜法、撿漏光纖法、GPS時(shí)間標(biāo)簽法、聲發(fā)射技術(shù)法、負(fù)壓波及應(yīng)力波檢測(cè)法、地面甸接檢測(cè)法(熱紅外成像、探地雷達(dá)、氣體成像)等等,可以說(shuō)是五花八門。但是,目前企業(yè)應(yīng)用比較多且技術(shù)成熟的管道泄漏檢測(cè)方法主要有:基于人工巡檢,超聲、磁通、攝像等技術(shù)的管內(nèi)檢漏,電纜或光纖檢漏,軟件的撿漏等等方法。鎮(zhèn)海-漕涇石腦油長(zhǎng)輸管道正是基于軟件的撿漏方法,通過(guò)SCADA控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集與處理管道的壓力、流量、溫度等運(yùn)行參數(shù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以此來(lái)檢測(cè)泄漏并定位。它能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),是目前管道泄漏檢測(cè)和定位主要方向之一。4鎮(zhèn)海曹井長(zhǎng)輸線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型SCADA的系統(tǒng)泄露檢測(cè),主要包括:負(fù)壓波、體積質(zhì)量平衡法、壓力點(diǎn)分析法(PPA)、統(tǒng)計(jì)檢漏法、壓力梯度法、小波變換法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模式識(shí)別的方法、穩(wěn)態(tài)模型法、瞬態(tài)模型法。鎮(zhèn)海-漕涇長(zhǎng)輸管線泄露檢測(cè)主要應(yīng)用了上述的負(fù)壓波、體積質(zhì)量平衡和壓力點(diǎn)分析等幾種方法相結(jié)合檢測(cè)手段。4.1.1泄漏時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓波,是一個(gè)壓力傳感器檢測(cè)法當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏時(shí),以泄漏處為界,視輸送管道為上、下游兩段管道,由于輸送管道內(nèi)外壓差的存在,使得泄漏處的液體迅速流失,壓力突降。當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí),泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。該負(fù)壓波將以一定的速度向管道兩端傳播,經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后分別被上、下游的壓力傳感器檢測(cè)到,根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)壓力波的波形特征,就可以判斷是否發(fā)生了泄漏。再根據(jù)負(fù)壓力波傳到上、下游傳感器的時(shí)間差和負(fù)壓力波的傳播速度就可以進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位。(1)微膠凝劑的性能式中,α為負(fù)壓波波速,m/s;K為液體體積彈性系數(shù),Pa;ρ為液體密度,Kg/m3;E為管材彈性模量,Pa;D為管徑,m;e為管壁壁厚,m;Ci為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。(2)負(fù)壓波時(shí)間差式中,α為負(fù)壓波波速,m/s;L為管道長(zhǎng)度,m;Δt為上下游傳感器接受到負(fù)壓波時(shí)間差,s;X為泄露點(diǎn)具上游傳感器距離,m。(注:若管道中流體速度v較大,則波在上下游傳播過(guò)程中,要考慮流體流速v)4.1.2泄漏的判定當(dāng)輸送管道發(fā)生泄漏時(shí),漏點(diǎn)前面流量變大,漏點(diǎn)后面流量減小。則可根據(jù)質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的流量變化趨勢(shì)來(lái)判斷是否有發(fā)生泄漏的可能。正常工況下,首末站流量差值的絕對(duì)值的最大值稱為流量閥值。ε=max|△Q(t)|,△Q(t)為為首末站流量差值。當(dāng)實(shí)測(cè)管道的首末站流量差值大于流量閥值時(shí),管道即有可能發(fā)生泄漏。但流量差值確定過(guò)程中受雜波、工況參數(shù)變化等因素影響較多,故在實(shí)測(cè)過(guò)程中盡可能的要濾除這些干擾因素。4.1.3泄漏原因分析當(dāng)管道在正常運(yùn)行時(shí),其狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài),壓力、流速、密度變化也是連續(xù)的;一旦發(fā)生泄漏,流體原有穩(wěn)態(tài)破壞,同時(shí)上下游各點(diǎn)流體流態(tài)建立新的穩(wěn)態(tài)。此時(shí),管道上下游各壓力檢測(cè)點(diǎn)提取壓力變化曲線,通過(guò)分析比較,可以判斷是否泄漏。泄漏引起的壓力降ΔP計(jì)算公式為:式中,ΔP為泄漏引起壓力變化;ρ為液體密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;α為負(fù)壓波波速,m/s;V為正常輸油時(shí)液體的流速,m/s;V1為泄漏突然改變后的液體流速,m/s。4.2壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已具備的功能基鎮(zhèn)海-漕涇石腦油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如圖1,是CITECT公司研發(fā)的“CITECT”工控軟件,基于WINDOWS操作系統(tǒng),該軟件操作簡(jiǎn)易、功能完善,主要通過(guò)管道全線四個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)(采用GPS進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù))的參數(shù)(壓力、流量、溫度)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并且進(jìn)行參數(shù)趨勢(shì)分析、報(bào)警管理、報(bào)表打印。系統(tǒng)有鎮(zhèn)海首站(壓力、流量、溫度)、杭州灣南岸閥室(壓力)、白沙灣閥室(壓力)、賽科末站(壓力、流量、溫度)等參數(shù)。調(diào)度中心設(shè)在鎮(zhèn)海首站,各站IP地址如圖1所示。4.2.1泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的類型(1)壓力異常報(bào)警(2)流量輸差異常報(bào)警(3)泄漏報(bào)警4.2.2滿足壓力異常報(bào)警的條件系統(tǒng)通過(guò)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷,當(dāng)壓力下降值滿足設(shè)定條件時(shí),產(chǎn)生壓力異常報(bào)警。對(duì)于鎮(zhèn)海首站的壓力異常報(bào)警,不僅需要滿足壓力下降的條件,而且還要滿足鎮(zhèn)海首站流量上升的條件;對(duì)于賽科末站的壓力異常報(bào)警,需要在滿足壓力下降的同時(shí)滿足流量下降的條件;對(duì)于杭州灣南岸閥室壓力異常報(bào)警和白沙灣閥室壓力異常報(bào)警只需要滿足壓力下降的條件。4.2.3首站和賽科末站的流量差異即系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集到的流量變化趨勢(shì),通過(guò)鎮(zhèn)海首站和賽科末站的流量變化情況,用首站流量與末站流量的瞬時(shí)流量差與設(shè)定值進(jìn)行比較,當(dāng)瞬時(shí)流量差超過(guò)設(shè)定參數(shù)時(shí),即產(chǎn)生流量輸差異常報(bào)警。4.2.4壓力波速及壓力報(bào)警當(dāng)首末站的瞬時(shí)流量差達(dá)到一定的設(shè)定值(即產(chǎn)生流量輸差異常報(bào)警,上游流量升高,下游流量下降),同時(shí)首末站或分段管段的壓力發(fā)生下降值達(dá)到一定設(shè)定值,并報(bào)警持續(xù)一定時(shí)間,則產(chǎn)生泄漏報(bào)警。圖2為系統(tǒng)的默認(rèn)報(bào)警參數(shù)設(shè)定。壓力波速為負(fù)壓波在石腦油管道中的傳播速度,結(jié)合實(shí)時(shí)模型校正壓力傳播速度;流量差報(bào)警值即為產(chǎn)生流量輸差異常的報(bào)警條件,該差值取首末站的流量計(jì)差值;壓力報(bào)警(選中則當(dāng)有壓力報(bào)警時(shí)產(chǎn)生壓力報(bào)警信息,如果不選中則屏蔽壓力報(bào)警信息);流量報(bào)警(選中則當(dāng)流量變化情況下,流量輸差異常報(bào)警、泄漏報(bào)警有效,反之,則無(wú)效)。4.2.5實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)該長(zhǎng)輸線在2005年投入正常使用后,我們按照實(shí)施方案建立了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信,并通過(guò)搜集實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整;同時(shí),我們?cè)?006年年初進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)模擬泄漏實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的實(shí)際數(shù)據(jù),進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化檢漏系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)、泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性和精度,以及實(shí)際管道距離與現(xiàn)場(chǎng)里程樁的校正,使系統(tǒng)能夠運(yùn)行至最佳工況。實(shí)驗(yàn)主要安排在杭州灣下海點(diǎn)閥室,通過(guò)管道中間某點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放油,模擬管道泄漏情況。通過(guò)模擬不同流量2m3/h、4m3/h、6m3/h下的放油泄漏實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證明該泄漏檢測(cè)系統(tǒng)能滿足技術(shù)協(xié)議要求的檢漏定位誤差1km(但需要修正管道參數(shù),使系統(tǒng)運(yùn)行符合實(shí)際工況),最小檢測(cè)泄漏量1%管道流量。同時(shí),我們對(duì)系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)置進(jìn)行重新設(shè)置,流量差報(bào)警值設(shè)置為2m3/h,使之運(yùn)行在最佳工況下。4.2.6不同工藝變化系統(tǒng)的觸發(fā)點(diǎn)影響(1)啟泵之前,啟泵初始開閥導(dǎo)致啟泵前當(dāng)首站啟泵的情況下,由于首站的壓力和流量都是上升的,壓力波傳到下游各點(diǎn)的變化趨勢(shì)也是上升的趨勢(shì),所以理論上沒(méi)有報(bào)警信息,但是由于啟泵之前末站首先要開閥,末站的開閥導(dǎo)致整條管線的壓力下降,此時(shí)應(yīng)該有中間兩個(gè)閥室的壓力異常報(bào)警。如果在啟泵的過(guò)程中有調(diào)整排量(降低排量),也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息。(2)壓力異常報(bào)警當(dāng)首站停泵的情況下,首站壓力流量同時(shí)都是下降的,所以沒(méi)有壓力異常報(bào)警信息,而對(duì)于中間兩個(gè)閥室的壓力都是下降的,所以產(chǎn)生壓力異常報(bào)警信息,對(duì)于漕涇末站壓力、流量都是下降的,所以也產(chǎn)生漕涇壓力異常報(bào)警。(3)壓力異常報(bào)警在末站倒罐的情況下,有高罐位倒到低罐位,末站壓力下降,流量增大,導(dǎo)致整條管線壓力趨勢(shì)下降,所以產(chǎn)生中間兩個(gè)閥室的壓力異常報(bào)警,同時(shí)首站的壓力下降、首站的流量升高,所以可能產(chǎn)生鎮(zhèn)海首站壓力異常報(bào)警。(4)第一個(gè)是倒罐在首站倒罐的情況下,可能由于油品密度的的不同影響流量變化的大小,從而引起管線運(yùn)行的不穩(wěn)定。(5)提高第一次流量在首站提高排量的情況下,首站的壓力、流量都是升高的,所以整條管線的壓力趨勢(shì)、流量趨勢(shì)都是上升的,不產(chǎn)生報(bào)警信息。(6)壓力異常報(bào)警在首站降低排量的情況下,首站的壓力、流量都是降低的,所以首站沒(méi)有報(bào)警信息,而兩個(gè)閥室的壓力也是下降的,產(chǎn)生壓力異常報(bào)警,對(duì)于漕涇末站,由于首站的壓力、流量下降,引起末站的壓力、流量都是下降的,如果下降幅度大于設(shè)定值,則應(yīng)該產(chǎn)生壓力異常報(bào)警。(7)檢測(cè)中心壓力異常報(bào)警以在鎮(zhèn)海-杭州灣段管道發(fā)生泄漏為例,如果該點(diǎn)靠近杭州灣閥室,則首先產(chǎn)生杭州灣壓力異常報(bào)警,然后負(fù)壓波沿管線向兩端傳輸,到達(dá)金山閥室后產(chǎn)生金山閥室壓力異常報(bào)警,到達(dá)首站后首站壓力下降、流量上升,產(chǎn)生鎮(zhèn)海壓力異常報(bào)警;到達(dá)漕涇末站后,壓力、流量都是下降的,產(chǎn)生漕涇壓力異常報(bào)警。當(dāng)負(fù)壓波傳輸?shù)氖啄┱竞?引起首末站流量的變化(首站流量升、末站流量降),此時(shí)流量輸差較大(產(chǎn)生流量輸差異常報(bào)警)且首站壓力降,故產(chǎn)生泄漏報(bào)警信息。5泄漏檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行分析鎮(zhèn)海-漕涇石腦油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是存在一些問(wèn)題,比如容易產(chǎn)生誤報(bào)警且較難分辨是介質(zhì)工藝變化還是泄漏引起的報(bào)警、通訊故障較多、系統(tǒng)維護(hù)成本較高等;同時(shí),該