練浩云

惠州市大亞灣華德石化有限公司，廣東惠州 516081

基于SCADA的輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

練浩云

惠州市大亞灣華德石化有限公司，廣東惠州 516081

目前很多輸油管道的控制系統(tǒng)已采用SCADA 系統(tǒng)，不可避免的腐蝕、磨損等自然或人為原因?qū)е鹿艿佬孤╊l發(fā)，管道的泄漏不僅造成能源浪費和經(jīng)濟損失，而且還會造成對環(huán)境的污染。因此，應用管道泄漏監(jiān)測技術(shù)來提高輸油管道的管理水平，在有泄漏時能立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置以幫助維搶修。本文探討了在已有SCADA的基礎(chǔ)上建設(shè)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的方法、檢漏原理及提高檢漏可靠性、精度的建議。

輸油管道；SCADA；泄漏監(jiān)測；PIPELEAK 軟件

0 引言

惠州市大亞灣華德石化有限公司“馬——廣”輸油管道始于大亞灣馬鞭州首站，末站止于廣州石化末站，管道全長178.3km，管徑φ610mm ，1997年建成投產(chǎn)，投產(chǎn)最初只建有馬鞭州和廣州石化末站，為提高輸油能力，2005年、2006年先后分別增建南邊灶油庫和圓洲中間站，遠期規(guī)劃在距離南邊灶油庫40.2km處增加新圩站，調(diào)度中心設(shè)在南邊灶油庫，各站建設(shè)時同時建設(shè)有SCADA系統(tǒng)作為輸油管線的控制系統(tǒng)，各站距離如圖1所示。

圖1 各站距離圖

由于建設(shè)輸油管線只有馬鞭洲首站與南邊灶油庫隨管線敷設(shè)有通訊光纜，其余各站間未敷設(shè)通訊光纜，2009年12月前僅實現(xiàn)南邊灶油庫與馬鞭洲首站SCADA通信，其余各站間不能互相通信，各站SCADA只作為站控系統(tǒng)使用，調(diào)度中心不能實時監(jiān)控全線各站輸油狀況。隨著輸油量的增加，從1997年700萬t/年增加至2009年1 100萬t/年，隨著經(jīng)濟的發(fā)展大亞灣至廣州輸油管線沿途開發(fā)力度不斷加大，加上輸油管道材質(zhì)的老化、腐蝕等，不可避免的自然或人為原因可能會導致管道泄漏，管道的泄漏不僅造成能源浪費和經(jīng)濟損失，而且還會造成對環(huán)境的污染，因此應用先進、成熟的管道泄漏監(jiān)測技術(shù)來提高輸油管道的管理水平，在有泄漏時能立即監(jiān)測出來，并且能夠指明泄漏發(fā)生的位置以幫助維搶修顯得日趨迫切。為了能充分利用現(xiàn)有資源以節(jié)省投資和最大限度地減小對輸油生產(chǎn)的影響，在現(xiàn)有SCADA的基礎(chǔ)上建設(shè)已有成功應用案例的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是最佳方案。

1 已有SCADA簡介

圖2 馬鞭洲首站SCADA拓撲圖

各站SCADA的硬件PLC產(chǎn)品都采用AB，馬鞭洲首站1996建設(shè)的一期SCADA采用PLC為PLC5/40系列產(chǎn)品，2004年進行過擴容采用的PLC為ControlLogix系列，南邊灶油庫、園州中間站、廣州石化末站的PLC都采用ControlLogix系列產(chǎn)品，各站SCADA拓撲圖如圖2所示。

2 各站SCADA通信

可采用的無線通信方式主要包括：超短波(230MHz) 無線數(shù)傳電臺、微波、擴頻、衛(wèi)星通信、GSM 數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)等[1]，其中衛(wèi)星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領(lǐng)域下使用，未得以普及，而微波通信技術(shù)、擴頻通信技術(shù)雖然速率高，但只能在視距范圍內(nèi)傳輸，應用也受到限制。

若在已建設(shè)好的“馬——廣”輸油管道隨管道重新敷設(shè)通訊光纜，工程、投資較大且施工周期較長，敷設(shè)好通訊光纜后，日后使用中需自主維護。

另一種較經(jīng)濟且快捷的通信方式是租用中國電信的線路，目前中國電信可租用的電路有DDN、幀中繼和MSTP電路等，從傳輸帶寬、通信穩(wěn)定性、安全性、運營成本、后續(xù)業(yè)務擴展及可行性等因素綜合考慮，最終選定租用中國電信2M的MSTP電路，同時當管段距離較長時，為了達到更好的效果，需要在管線的某個點上加上一個測壓點會取得更加準確的泄漏定位精度，故在預留的新圩站增加壓力測量點，在新圩站內(nèi)建設(shè)一個閥室，裝一個RTU采集現(xiàn)場壓力數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 通信系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

為保證通信的可靠性，南邊灶油庫與每個站的通信線路都用2路2M的MSTP冗余電路。南邊灶油庫的路由器采用的是思科2821，園洲站、新圩站和廣州石化末站的路由器采用的是思科1841，每個站對應2路2M的MSTP冗余電路各有2臺，一主一備構(gòu)成冗余，當主電路或主路由器發(fā)生故障時，自動切換至備用電路或備用路由器。

各站的PLC通過以太網(wǎng)模塊1756-ENBT接到各站的交換機上，各站的PLC通過以太網(wǎng)模塊1756-ENBT互相通信[2]。

3 檢漏系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)PLC通信

檢漏軟件使用是PipeLeak3.1，PipeLeak3.1首先通過與SCADA系統(tǒng)的接口由管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得管道實時運行參數(shù)，再進行信號的預處理（包括：數(shù)據(jù)解包、數(shù)據(jù)有效性判斷、信號的整形處理等），進而送到泄漏檢測核心模塊進行仿真定位計算，計算的結(jié)果和報警信息可以在檢漏計算機上顯示。管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體性質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)文件是PIPELEAK建立和維護管道檢漏仿真模型的內(nèi)部數(shù)據(jù)文件，用于管道泄漏檢測計算及相關(guān)的輔助計算。PIPELEAK根據(jù)泄漏檢測要求建立管道仿真模型，進而進行流量平衡檢測，動態(tài)跟蹤顯示管道的運行狀態(tài)及發(fā)布泄漏報警。

PipeLeak3.1通過National Instruments的NI OPC Servers可方便地與AB PLC通信，NI OPC Servers通信原理框圖如圖4所示[3]。

圖4 NI OPC Servers與SCADA系統(tǒng)通信原理框圖

4 泄漏監(jiān)測、定位原理[4]

PIPELEAK主要采用以下3種方式進行泄漏檢測和定位。

4.1 質(zhì)量守恒泄漏報警

根據(jù)管道介質(zhì)流動質(zhì)量守恒原理，綜合考慮管壁、介質(zhì)密度、允許誤差限、泄漏檢測靈敏度和可靠性等影響因素，根據(jù)管道端點所采集的流量、壓力和溫度數(shù)據(jù)，確定管段內(nèi)是否有介質(zhì)泄漏。要正確地判斷管道的運行狀態(tài)（正?；蛐孤仨氁M行復雜的隨機分析和的大量的計算，并給出判斷的可靠性。進行下述處理：

1）泄漏量計算；

2）誤差分析；

3）最大容許管道儲量變化；

4）分類錯誤概率及狀態(tài)分類的可靠性；

5）泄漏狀態(tài)報警域及報警限。

4.2 波敏法泄漏定位

當管道中發(fā)生泄漏時，泄漏所產(chǎn)生的擾動總是沿管道向兩個端點傳播，當該過程傳播到管道端點時，即將在管道的兩個端點產(chǎn)生影響，使其運行參數(shù)發(fā)生變化。隨著泄漏發(fā)生位置的不同，管道端點的響應時間也不同。根據(jù)所測量到的管道泄漏擾動波首次傳播到兩個端點的時刻和時間差，即可由壓力波向下游和上游傳播的速度計算出管道中泄漏的位置。其數(shù)學模型可按如圖5建立。但由于各管線的工況參數(shù)的不同及輸送的介質(zhì)的不同，壓力波的傳遞速度及衰減也不盡相同，要想準確可靠的報警定位還進行必要的修正。

圖5 泄漏壓力波數(shù)學模型

通過記錄到泄漏壓力波的各種首達時，可根據(jù)該首達時的時間差

?T，計算出泄漏的位置x0和發(fā)生的時間：

由此誤差產(chǎn)生的管道泄漏定位誤差為：

其中：v是管中流體流速，a是管中波動速度，L 是管道長度。

經(jīng)實際測算，馬鞭洲首站至南邊灶油庫的a=1 258.6m/s，南邊灶油庫至新圩閥室的a=1 094.6m/s，新圩閥室至園州中間站的a=1 088.3m/s，園州中間站至廣州石化末站的a=1 099.4m/s。

檢漏數(shù)據(jù)的刷新頻率為每秒鐘10次，這樣在理論上可達到定位精度小于±50m。

該管道泄漏檢測方法需進行下述處理：

1）判斷和識別管道泄漏擾動波首次傳播到兩個端點的時刻和時間差；

2）計算管道中壓力波的傳播速度；

3）計算流體的流速；

4）計算管道中泄漏的位置。

波敏法泄漏定位采用壓力降、小波濾波、αβγ濾波的方式確定壓力變化的準確時間，消除外界撓動產(chǎn)生的干擾。

綜上所述，當首末兩站間某一點發(fā)生泄漏時必將引起上下游兩站壓力的下降，其幅度與泄漏速度有關(guān)，泄漏越快壓力下降越大，反之相同，通過監(jiān)視記錄兩站的壓力變化情況就可實現(xiàn)報警。但是，當首末站出現(xiàn)人工操作調(diào)節(jié)泵及閥門等操作，也會出現(xiàn)報警，但有壓力報警不一定表示有泄漏（即泄漏不是壓力下降的充分必要條件）。而管線泄漏必然會引起輸差增大，并具有突然性即泄漏是突然輸差增大的充分必要條件，運用此方法時，必須基于SCADA系統(tǒng)和綜合運用其它的檢漏方法，檢漏系統(tǒng)才能正確做出判斷。

4.3 動態(tài)方程定位

實際管線的運行往往是一動態(tài)變化過程，可以用一個動態(tài)系統(tǒng)來描述。隨著泄漏位置、大小的不同，泄漏對這一動態(tài)變化過程的影響各異，該動態(tài)系統(tǒng)在邊界點（即管道端點）運行參數(shù)的響應也不一樣。本方法從管道實際運行動態(tài)規(guī)律出發(fā)，考慮泄漏的影響，根據(jù)管道端點運行參數(shù)的動態(tài)響應，建立管道泄漏檢測系統(tǒng)模型及方法，判定管道中是否存在泄漏及其位置和大小，原理圖如圖6 所示。

圖6 檢漏系統(tǒng)原理圖

該泄漏檢測器具有下列特點：

1）該泄漏檢測器基于管道動態(tài)觀測器和狀態(tài)偏離的相關(guān)性，檢測器的計算簡單；

2）由于是根據(jù)狀態(tài)偏離相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計性質(zhì)確定泄漏的位置，能夠有效的濾除噪聲的影響，對小泄漏量的反應靈敏度高；

3）由于引入管道流體穩(wěn)定流動時的泄漏位置計算公式，應用適用性降低。但實際應用表明，該檢測器對變化劇烈的瞬變流同樣具有良好的檢測效果；

4）儀表測量誤差、零點漂移等外部干擾可通過設(shè)置報警限來消除。

5 各站增裝的儀表設(shè)備

1）在馬鞭洲首站出站、南邊灶油庫進出站、園州中間站進出站、廣州石化末站進站管道上各安裝一個外貼式超聲波流量計GE XMT868i用于測量管道的瞬時流量，測量范圍3.0m3/h～5 000m3/h，精度等級為0.2級；

2）為保證壓力的可靠性和精度，在馬鞭洲首站出站、南邊灶油庫進出站、新圩閥室、園州中間站進出站、廣州石化末站進站每點各安裝3個壓力表，對3個壓力表進行邏輯判斷，3表之間的讀數(shù)將通過各表間讀數(shù)差（5%）、各表狀態(tài)等信號進行3選2篩選得出有效信號，篩選結(jié)果求平均后得出壓力值提供給檢漏軟件；

3）在南邊灶油庫加裝一個GPS時鐘，各站的PLC與GPS時鐘同步以精確計算壓力波的時間差。

6 試驗應用

表1 “馬-廣”輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)試驗記錄表

為獲取實際的試驗數(shù)據(jù)，校驗各參數(shù)，驗證定位方法的可行性及準確度，驗證各項技術(shù)指標（技術(shù)指標見表1），通過在園洲站內(nèi)主管段上的泄壓閥往泄壓罐內(nèi)放油，模擬管線泄漏情況。通過園洲中間進站流量和廣州石化末站進站流量來檢測這一管段泄漏的發(fā)生，通過園洲中間站進站壓力和廣州石化末站進站壓力來進行泄漏定位，進行了4次模擬試驗，數(shù)據(jù)如表1。

從以上4次試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，泄漏量從1 580m3/h～80m3/h，泄漏百分比從1%～5.6%，系統(tǒng)都能檢測到泄漏并發(fā)出報警，報警時間最長111s，最短67s，每次試驗定位誤差精度均小于500m，精度較好，誤差范圍滿足技術(shù)指標，從定位的結(jié)果來看，每次的定位值一致性較好，其它指標達到或優(yōu)于技術(shù)指標。

通過對采集到的現(xiàn)場儀表信號分析，壓力信號正常穩(wěn)定，園洲中間站出站流量計信號波動較大，需要對流量計進一步調(diào)整完善。

7 提高泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可靠性、精度的建議

1）由于2路2M的MSTP冗余電路都是租用中國電信的，有時中國電信設(shè)備故障或者同一路由的線路故障會造成通信中斷，建議2路2M的MSTP冗余電路可選擇租用不同的電信運營商的，這樣可最大限度地降低通信同時中斷的可能性，從而可保證泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和精確度；

2）由于此輸油管道輸送的是原油，原油的物性相差很大，輸送不同的原油時各站的流量計的誤差不一樣，需要在PIPELEAK軟件中設(shè)置不同報警限來消除流量計誤差以提高檢漏精度。

8 結(jié)論

2009 年6 月1 日至10 月23 日對“馬——廣”輸油管道實施了清管、變形及漏磁腐蝕檢測，檢測發(fā)現(xiàn)此輸油管道共存在金屬損失10 099 處，最嚴重的金屬損失深度達到管道正常壁厚的53%，因此建設(shè)此泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是非常有必要的，此泄漏監(jiān)測系統(tǒng)通過一段時間的運行證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為輸油管道的安全運行提供有力工具。

[1]馬虹.現(xiàn)代通信交換技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：192-240.

[2]伍錦榮.可編程控制器系統(tǒng)應用與維護技術(shù)[M].廣州：華南理工大學出版社，2004.

[3]NI OPC Servers manual.

[4]葛德成.華德原油管道泄漏檢測技術(shù)建議書.北京中加誠信管道技術(shù)公司，2009：3-11.

TE973

A

1674-6708（2011）48-0216-03

練浩云，畢業(yè)院校：廣東工業(yè)大學，專業(yè)：自動化，現(xiàn)主要從事儀表自動化技術(shù)維護、管理工作