!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!油!气!储!运!!!!!!!!!!! !!!!$$%年!
原油管道泄漏检测系统研究
肖燕群$!程家铭
!胜利油田有限公司临盘采油厂"!!
贾 明 坤
!廊坊泛华中油新技术有限公司"
肖燕群!程家铭等#原油管道泄漏检测系统研究$油气储运$!$$%$!"!#"’)!($%
!!摘!要!介绍了负压波检漏的基本原理!在研制原油管道泄漏检测系统中!针对负压波泄漏点
定位法中的"项关键技术提出了解决的方法和对策!并确定出了"个反映信号波形结构变化的特
性参数以及泄漏判断阈值的方法"
!!主题词!原油管道!!泄漏!!检测系统!!负压波!!研究
一、前!言
!!临济输油管道!山东临盘至济南炼厂"担负着临
盘油田原油外输任务$管道全长/$0,%近年来$不
法分子在临济管道打孔盗油日益频繁$如何能够实
时地监测泄漏事故的发生$尽快地确定出泄漏点的
位置$减少原油损失和环境污染$是目前迫切需要解
决的问题%为此临盘油田与天津大学合作研制开发
了临济原油管道泄漏监测系统%
二、泄漏检测与定位的原理〔#〕
!!当管道0段发生泄漏时!见图#"$由于在泄漏
点;处管道内外存在着压差$因此流体迅速流失$
压力下降$泄漏点两边的液体向泄漏点处补充%这
一过程依次向上&下游传递$相当于泄漏点处产生了
以一定速度3传播的负压力波%负压波定位方法是
根据泄漏产生的瞬态压力波传播到上下游的时间差
和管内压力波的传播速度计算泄漏点的位置%
图#!负压波定位示意图
!!定位公式为#
;%073&2!
!#"
式中!;’’’泄漏点距首端测压点的距离$,(
! !!0’’’管道长度$,(
!!!3 ’’’管输介质中压力波的传播速度$
,)K(
!!!&2’’’上下游传感器接收压力波的时间差%
由此可见$只要能捕捉到传到管道两端的负压
波$就可以检测出泄漏$并可根据负压波的传播速度
和传播到两端的时间差计算泄漏点的位置%
三、负压波泄漏点定位法中
!的关键技术
!!!!!管内压力波速的确定
随着管道中流体温度的变化$液体的密度和压
缩性也会有所变化$传播速度3并不是一个定值$利
用式!#"作定位计算会带来一定的误差%管内压力
波的传播速度决定于液体的弹性&密度和管材的弹
性$即#
3% (
!2")$!2"
#7(
!2"
J
*8
,
*1/ #
!!"
式中!( ’’’液体的体积弹性系数$Y-(
!!!$ ’’’液体的密度$0N),
"(
!!!J ’’’管材的弹性$Y-(
!!!8 ’’’管道直径$,(
!$!’#’$/$山东
*)’*
!!!,!!!管壁厚度",#
!! 1#!!!与管道约束条件有关的修正系数$
其中"液体的体积弹性系数为其压缩系数的倒
数"随品种%温度%压力的不同而不同$
!!"!!负压力波传播到上下游的时间差
!#"时间基准的确定和统一!采用压力波拐点
捕捉法计算泄漏点"如果两端计算机存在时差就无
法进行精确定位$系统两端需要有一个统一的时间
基准"利用8Y]&全球定位系统’技术可以解决这一
问题"而且设备简单"精度高$
现场使用的 8Y]接收器"输出数据结构采用
73 <^X$#)"&fBM!.$’%)$$波特率"数据电平为
QQ;"输出为标准秒脉冲和含有时间信息的数据
流"采用在 fV环境下编写的校时程序可以读出
8Y]数据流并校正计算机的系统时间$为了防止
计算机时间芯片的漂移"主程序每小时调用一次时
间校正程序$采用动态调用的方式"占用内存少"工
作稳定可靠$
!!"拐点的提取#!$!计算机采集到的负压力波"
波形呈显出下降凹槽&见图!’"其拐弯点简称拐点$
由于工业现场的电磁干扰%输油泵的振动等因素"采
集到的压力波信号序列附加了大量的噪声"如何从
噪声中准确地提取出信号的特征点是定位的关键$
针对临济管道信号的特点"采用了多分辨率滤波器
组进行二抽取小波算法和多孔小波算法"不仅对原
始信号进行了有效的滤波"而且稳定地提取了压力
波的拐点$
图!!信号概貌
!!将含有负压波的信号通过两通道滤波器分为低
频概貌和高频细节输出"定位负压波的位置实际就
是确定高频细节当中最小值的位置$
对"号站的压力信号进行处理"结果表明"该信
号压力水平较低"噪声相对较大$再经过多孔小波
算法滤波"得到其信号概貌&见图!’"然后对此低频
结果进行多分辨率滤波二抽取"可清楚地得到如图
"所示的高频结果"图"中信号最低点对应的时间
值即为负压波出现的时刻$
图"!提取的高频信息
!!在输油管道的首%末站分别安装压力变送器采
集压力波"当检测到负压波后"确定其负压波拐点对
应的时刻"两值相减即得负压波传播到上下游的时
间差$
#!!数据传输与通信
由于输油站一般相距较远"所以以"号站为中
心"建立了从临盘首站至济南末站的微波无线网"无
线网桥选用以色列VMBBhIE, 公司的产品"带宽为
##3"实现了数据的高带宽%远距离的实时传输$
四、泄漏判断技术
!!输油管道泄漏监测系统需要根据采集到的压力
信号序列"实时分析压力信号的变化趋势"从而判断
管道的故障类型$在管道泄漏监测的过程中采用了
信号自动分段技术$
信号自动分段方法的基本原理是"选取一段平
稳运行的信号&阈值’作为参考段"不断地与当前信
号进行比较$以几种反映各段特性差异的波形作为
判据"当判据大于一定的阈值时"就可认为信号进入
了另一段&故障段’$非平稳性&故障引起的信号特
性的变化’可以由段之间的过程统计特性和频谱特
性的变化显示出来$
对压力%流量等参数的自动分段"可以选用以下
几种反映信号波形结构变化的统计特性参数$
!!! 平均幅值距离
平均幅值距离为(
8# %FI&FC
FI
FI % #O3
O
L%#
;IL &"’
FC % #O3
O
L%#
;CL
式中!FI!!!稳态信号的均值&信号窗宽度为O’#
!!!FC!!!当前段信号的均值 $
)&’)第!"卷第#期!!!!!!!!!!!!肖燕群等%原油管道泄漏检测系统研究!!!!!!
????? ????
"!!均方根距离
均方根距离为!
8! %(C&(I(I
(C % #O3
O
L%#
;CL&;" #C$ %!
#
!
"%#
(I % #O3
O
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;IL&;" #I$ %!
#
!
式中!(I&&&稳态信号的均方根’
!!!(C&&&当前段信号的均方根(
#!!斜率均值距离
斜率均值距离为!
8" %(I&(C
(I
(I % #O&P3
O
L%#
(IL!")%O&P# "’#
(C % #O&P3
O
L%#
(CL!")%O&P#
式中!(IL&&&;IL!;I"LmP#段的最小二乘拟合斜率)P
为拟合数据段长度’
!!!(CL&&&;CL!;C"LmP#段的最小二乘拟合斜率)P
为拟合数据段长度(
定义波形结构统计判据为上述三个距离的线性
组合)即!
8%38#7B8!7C8" "(#
其中)权值3*B*C根据检测要求和"个距离的
重要度通过试验确定)改变它们可以改变阈值的大
小(通过计算出每段的8值与阈值相比较)来确定
信号是否进入新段(
泵的特性曲线和管路的特性曲线的交点是管道
输送系统的工作点(如果泵的特性或者管路特性发
生改变)"如在启*停泵或者管道发生泄漏的情况
下#)泵站管路系统就会自动向新的工作点过渡)在
新的流量下达到泵压头与管道阻力的平衡(
通过分析可以得出)当管道发生泄漏时)进管端
压力下降)流量升高)出管端的压力*流量降低’调泵
时)泵转速升高)压力上升)流量增大’泵转速降低
时)压力下降)流量减小(管道泄漏时)管道两端的
压力*流量变化情况不同于调泵*调阀的情况)这一
特性可以作为判断压力下降是由调泵*调阀还是由
泄漏引起的依据(在临济输油管道监测系统中就采
用了压力*流量联合判断泄漏法(
五、系统的软硬件设计
!!临济原油管道泄漏监测系统由%个子系统构
成(每个子系统又由信号采集器"包括流量变送器*
压力变送器*温度变送器等#*8Y]系统*微波通信
系统*工业控制计算机等组成(
监测系统的软件主要包括以下几个功能模块!
数据采集及泄漏判断模块*8Y]校时模块*泄漏点
定位模块*历史数据分析模块等(系统软件使用基
于虚拟仪器的;-\fHBL图形编程语言)操作系统为
常用的 4HA1ELK)具有良好的人机界面)操作简单
方便(
六、系统的性能及优点
!!原油管道泄漏监测系统的性能指标如下!
"##泄漏检测灵敏度(原油管道泄漏监测系统
对大于’,"+K的泄漏可报警)准确度为&’*(
"!#报警反应时间小于#$$K(
""#泄漏点最大定位误差小于被测管长的!*(
"%#可以长期存储管道的运行数据)自动生成报
表)并可以查询和打印(
该系统首次采用了多种先进的监测技术和信号
处理方法)从理论和结构上克服了常规管道泄漏检
测方法和装置的缺陷(其检测方法同样适用于输送
其它液体介质管道的泄漏监测)该系统具有很大的
推广价值和广阔的应用前景(
参!考!文!献
#)!杨福生!小波变换的工程分析与应用)科学出版社"北京#)#&&&(
!)!严大凡!输油管道设计与管理)石油工业出版社"北京#)#&)((
"收稿日期!!$$!9##9$##
编辑"陈桂明
222222222222222222222222222222222222222222222222
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