萬青霖(中海油信息科技有限公司北京分公司北京100027)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在油氣管道監(jiān)控中的應用

萬青霖
(中海油信息科技有限公司北京分公司，北京100027)

為了確保油氣運輸管線的安全運行，全方位進行測量和監(jiān)控并保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的有效傳輸是非常重要的一種措施。隨著國內油氣運輸管道數(shù)量的增多、管齡年限的增長，以及人為破壞和自然災害等因素的發(fā)生，油氣運輸管道存在巨大的安全風險隱患?；谖覈孕醒兄崎_發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，使用北斗短報文、定位和授時等服務功能，結合現(xiàn)有的管線檢測和巡檢技術，設計提供一套更安全、可靠的管道測量監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，有效保障國內油氣管道的正常運行。

衛(wèi)星導航；管道監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

油氣運輸管道可以分為輸油管道和輸氣管道。輸油管道由油管及其附件組成，并按照工藝流程的需要，配備相應的油泵機組。輸油管道的管材一般為鋼管，使用焊接和法蘭等連接裝置連接成長距離管道，并使用閥門進行開閉控制和流量調節(jié)，如圖1所示。一套完整的輸油管道系統(tǒng)，用以完成油料接卸及輸轉任務，是原油和石油產品最主要的輸送設備。

輸氣管道是將天然氣(包括油田生產的伴生氣)從開采地或處理廠輸送到城市配氣中心或工業(yè)企業(yè)用戶的管道，是陸地上大量輸送天然氣的唯一方式，如圖2所示。輸氣管道是由單根鋼管經(jīng)電焊逐根連接組裝起來，在世界管道總長中，天然氣管道約占一半。

1 油氣管道運行現(xiàn)狀

隨著油氣運輸管道運營年限的增長，不可避免地存在自然災害(如地震、滑坡、河流沖擊等)、管道腐蝕穿孔漏油、外部機械撞擊和人為破壞管道竊取石油資源等情況發(fā)生，嚴重威脅著輸油管線的安全，致使油氣管道事故頻發(fā)，隨時有石油泄漏的可能。

據(jù)統(tǒng)計，全球50%的石油管網(wǎng)已運行30年以上，國內相當比例的原油管道老化程度十分嚴重(如東北輸油管道已運行30多年)。僅1978年～1994年我國輸油管線就發(fā)生各種泄漏事故116起，其中5次泄漏量達3550t。1995年～2013年，全國共發(fā)生各類管道安全事故1000多起，1000km泄漏事故率年均高達4次，遠高于歐美國家。

可見要想確保油氣管線的安全運行，就必須對其進行有效的監(jiān)控并及時獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)。目前油氣管線監(jiān)控多采用基于現(xiàn)代分析和控制方法的管道檢測技術，包括管道的泄漏檢測、管道參數(shù)檢測、防盜防破壞報警及管道加熱等相關技術。

2 油氣管道監(jiān)控技術

目前，國內外管道泄漏檢測方法可分為直接法和間接法兩大類，如圖3所示。直接檢測是通過泄漏到環(huán)境中的輸送介質或檢測管道狀態(tài)定位泄漏，如熱成像、漏磁檢測、中子衍射成像、以及超聲檢測等。直接檢測實時性不好，檢測成本高，僅適用于管道的維護與保養(yǎng)。間接法是通過檢測泄漏造成的管道輸送介質流量、壓力、波動、溫度等參數(shù)的變化判別泄漏，目前應用最廣泛的是負壓波法，如圖4所示。

負壓波法是目前管線監(jiān)控系統(tǒng)使用較多的檢測方法，它能實現(xiàn)在線實時監(jiān)控并可以準確定位。當管道發(fā)生泄漏時，管內外壓差使流體迅速流失，泄漏部位的物質損失使臨近部位流體密度減小，壓力降低，并且以類似于聲波向上下游擴散，在管道兩端安裝的壓力傳感器能捕捉到這種信號，就可以檢測泄漏的發(fā)生，進而根據(jù)負壓波傳到管道兩端的時間差以及負壓波速進行泄漏定位。

同時，為了克服管道噪聲等因素的干擾，采用小波變換和相關分析負壓波的傳播規(guī)律、管道內的噪聲和水擊波等變換特點，并結合管道管壁的彈性和液體的物理參數(shù)、物理特性進行分析、處理和計算。對于一般輸送原油的鋼質管道而言，負壓波傳播速度約為1.0km／s～1.2km／s。

3 油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在管道監(jiān)控中的應用設計方案

目前在油氣運輸管道監(jiān)控系統(tǒng)中，采用的數(shù)據(jù)傳輸方式主要分有線和無線兩種。有線傳輸方式主要有公用電話網(wǎng)、電力載波、直達線、同軸電纜和光纖通信等，無線傳輸方式主要有數(shù)據(jù)電臺、微波通信、衛(wèi)星通信和移動蜂窩網(wǎng)絡等。如今很多油氣管線位于遠離城市的郊區(qū)及偏遠地帶，有線數(shù)據(jù)傳輸方式在這些地區(qū)施工難度大、成本高，推廣應用難度大。而在無線數(shù)據(jù)傳輸方式中，因移動蜂窩網(wǎng)絡在偏遠地區(qū)覆蓋較差、數(shù)傳電臺等建設成本較高且通信距離有限，都不是最優(yōu)的傳輸方式。使用北斗系統(tǒng)的短報文、定位和授時服務功能為油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸相關服務，可以有效解決上述問題。

北斗數(shù)傳系統(tǒng)由北斗輸出終端單元、傳感器單元、指揮機單元以及指揮監(jiān)控系統(tǒng)單元組成。不更改現(xiàn)存油氣管線監(jiān)控的傳感單元，只對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行替換和升級，通過相應的數(shù)據(jù)傳輸接口將傳感單元監(jiān)控到的數(shù)據(jù)經(jīng)北斗數(shù)傳終端發(fā)回到油氣管道監(jiān)控中心，實時對油氣管線進行有效的監(jiān)控，如圖5所示。相比其他集中數(shù)傳方式，北斗數(shù)傳系統(tǒng)具備成本低、傳輸距離遠、安裝使用方便、功耗低、數(shù)據(jù)安全性高等特點。

1)成本低：北斗數(shù)傳系統(tǒng)與數(shù)據(jù)電臺和微波通信相比，不再需要外接授時設備進行時間同步，系統(tǒng)自身具備數(shù)傳、授時和定位功能，如圖5所示，省去了外接設備的費用，并且對供電要求也比較低。此外，相比于傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信(如海事衛(wèi)星、美國休斯公司等提供的衛(wèi)星通信系統(tǒng))，北斗數(shù)傳系統(tǒng)的硬件成本和通信費用都要遠遠低于前者。

2)傳輸距離遠：數(shù)傳電臺及微波擴頻通信等傳輸距離有限，接收站需在數(shù)據(jù)發(fā)送點附近數(shù)十千米內，而北斗數(shù)傳系統(tǒng)的傳輸距離則能夠覆蓋全國，因此在部署數(shù)據(jù)接收站時能夠更加靈活地選擇位置。

3)安裝使用方便：北斗數(shù)傳終端采用一體化設計，天線和內部控制單元結合在一起，體積小，安裝方便，大大降低了安裝和施工難度。北斗數(shù)傳終端的供電選擇范圍大，9V～36V的直流輸入電壓都可以正常工作，可用蓄電池、太陽能方式供電。

4)功耗低：北斗數(shù)傳終端平均功耗在 3W～4W，而采用數(shù)傳電臺、微波通信等則需要達到10W以上功耗，在采用同樣蓄電池方案時，北斗系統(tǒng)的工作時間要遠遠大于二者。

5)數(shù)據(jù)安全：油氣管道運行數(shù)據(jù)屬于石油公司的重要機密數(shù)據(jù)，甚至關乎國家安全，北斗系統(tǒng)是我國自行研制開發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，具有極高的數(shù)據(jù)安全性，可以有效保障一些敏感數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用設計方案的合理性分析

推廣利用北斗數(shù)傳系統(tǒng)需要從兩個方面分析合理性，一是傳輸數(shù)據(jù)量，二是系統(tǒng)響應時間。

(1)傳輸數(shù)據(jù)量估算

目前，實時檢測系統(tǒng)多采用負壓波法及物質平衡法等多種方法融合進行。其中，負壓波法監(jiān)控實時性要求高，監(jiān)控數(shù)據(jù)量最大，適用于檢測人為造成的泄漏檢測，因此需要對傳輸數(shù)據(jù)量進行估算。

采用負壓波法的系統(tǒng)監(jiān)測點間距為1km～2km，對于一般輸送原油的鋼質管道而言，負壓波傳播速度約為1.0km／s～1.2km／s。根據(jù)壓力波響應的時間差、管道長度、壓力傳播速度，建立基本的數(shù)學理論模型，根據(jù)管道物理參數(shù)、被輸介質的理化性質以及溫度衰減等因素，對壓力波的傳遞速度造成的衰減變化進行必要的補償和修正，再計算出相應的泄漏位置。采用負壓波法檢測需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有：壓力、流量、時間、溫度，如圖6所示。負壓波發(fā)生時間約在1s～10s，如圖7所示。通過每個檢測點自身的數(shù)據(jù)處理，上傳的壓力值數(shù)據(jù)能壓縮在10個左右，而流量數(shù)據(jù)每次上傳3個左右，按照數(shù)據(jù)標志位占用5字節(jié)，數(shù)據(jù)占用1字節(jié)，數(shù)據(jù)校驗位占用1字節(jié)。每次上傳的數(shù)據(jù)量計算公式為：

傳輸數(shù)據(jù)量(Byte)＝[時間標簽(1Byte)＋壓力值(1Byte)]×10＋[時間標簽(1Byte)＋流量(1Byte)]×3＋[時間標簽(1Byte)＋溫度(1Byte)]×3＋數(shù)據(jù)標志(1Byte)＋長度(1Byte)＋用戶地址(3Byte)＋校驗和(1Byte)＝38Byte。

(2)系統(tǒng)響應時間估算

由于油氣管線監(jiān)控對于管道破裂的檢測要求實時性最高，通過估算該情況下的系統(tǒng)響應時間來判斷北斗數(shù)傳系統(tǒng)是否能滿足應用需求。

與數(shù)據(jù)量的估算相同，同樣以最為常用的負壓波法來估算響應時間，每隔1km～2km安裝一個檢測點。負壓波法在一般輸送原油的鋼質管道中的傳播速度約為1.0km／s～1.2km／s，負壓波發(fā)生時間約在1s～10s之間，在100km的檢測段上，需要安裝50～100個檢測點。負壓波在包含泄漏信息時能傳播數(shù)十千米。假設泄漏信息的有效檢測距離為10km，檢測點在檢測到奇異信號進行一定處理之后向監(jiān)控中心發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，檢測點處理時間在5s～20s內，沒有檢測到奇異信號則定時向監(jiān)控中心回傳固定信息。在10km有效檢測距離內有5～10個檢測點能向主控中心發(fā)回數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送總時間間隔在10s左右。系統(tǒng)分析處理數(shù)據(jù)時間在1min左右(假設有檢測點在北斗服務時間間隔內檢測到奇異信號)，估算系統(tǒng)總響應時間計算公式如下：

系統(tǒng)響應時間＝負壓波發(fā)生時間(1s～10s)＋檢測點處理時間(5s～20s)＋監(jiān)測點傳輸時間間隔(10s)＋系統(tǒng)處理時間(60s)＝76s～100s。

從計算數(shù)據(jù)估算可以分析，采用北斗數(shù)傳系統(tǒng)完全可以滿足油氣管道監(jiān)控的相關需求。

4 油氣管道巡檢系統(tǒng)

4.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在管道巡檢中的應用設計方案

油氣管道的監(jiān)控工作需要專門的巡檢人員到現(xiàn)場進行相應的檢測與維護。而油氣管道由于線路較長，很多地方都位于遠離城市和居住區(qū)的地方，存在大量傳統(tǒng)移動通信信號盲區(qū)，因此利用具備北斗短報文通信功能的北斗數(shù)傳系統(tǒng)能夠為油氣管線巡檢人員提供通信保障。

北斗數(shù)傳系統(tǒng)可以利用北斗手持通信終端與北斗終端監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，監(jiān)控系統(tǒng)通過北斗通信指揮機實時監(jiān)控北斗手持終端的狀態(tài)，并通過北斗短報文通信功能與巡檢人員進行通信。當巡檢到相關故障時，北斗數(shù)傳系統(tǒng)可以將對應的檢測信息傳送至監(jiān)控中心，及時進行檢測信息管理和處理。北斗終端監(jiān)控系統(tǒng)集成了GIS管理系統(tǒng)，可以通過地圖的方式實時顯示北斗手持終端的位置信息，實現(xiàn)對巡檢人員進行實時位置監(jiān)控和查看，也可對巡檢路徑進行合理規(guī)劃，如圖8所示，可見北斗數(shù)傳系統(tǒng)在油氣管道巡檢中具有廣泛的應用前景。

4.2 北斗手持導航終端的應用設計功能

北斗手持通信終端在油氣管道巡檢過程中，能夠實現(xiàn)以下功能：1)巡檢人員實時位置監(jiān)控；2)檢測信息實時上傳；3)緊急情況下向監(jiān)控人員呼救；4)監(jiān)控人員實時向巡檢人員發(fā)送命令；5)實時導航信息推送；6)運油車輛實時位置監(jiān)控和跟蹤等。

此外，北斗手持通信終端在集成北斗相關功能的同時，也具備智能手機的各項功能?？梢酝ㄟ^藍牙功能與北斗終端監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對檢測點采集數(shù)據(jù)進行提??；還可以通過對系統(tǒng)進行參數(shù)設定，實現(xiàn)巡檢現(xiàn)場攝錄像、巡檢軌跡記錄與回放以及位置導航等功能。

5 結論

綜上所述，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建設和投入使用，打破了國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)對國家安全和經(jīng)濟命脈的壟斷，推動傳統(tǒng)行業(yè)的升級改造，以及社會智能化水平的提升?？梢灶A見，基于北斗衛(wèi)星設計研發(fā)的油氣管道測量監(jiān)控數(shù)傳系統(tǒng)在我國油氣運輸管道檢測、巡檢和數(shù)據(jù)傳輸中，必將發(fā)揮不可替代的重要作用。

[1] 白嘉祺.我國油氣管道的建設現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢淺析[J].中小企業(yè)管理與科技，2016(2):98. BAI Jia?qi.Present situation and development trend of China's oil and gas pipelines[J].Management＆Technol?osy of SME，2016(2):98.

[2] 王錦，曹謝東，茹黎南，等.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在國家能源建設戰(zhàn)略重點——石油、天然氣田開發(fā)中的應用探討[J].中國航天，2010(3):15?18. WANG Jin，CAO Xie?dong，RU li?nan，et al.Beidou satellite system in the national energy strategy focused on building?oil，gas field development in the application[J].China Aerospace Science and Technology Corporation，2010(3):15?18.

[3] 譚述森，竇長江.論基于北斗的衛(wèi)星導航應用服務[J].中國航天，2008(7):11?13. TAN Shu?sen，DOU Chang?jiang.Application services based on Beidou satellite navigation system[J].China Aerospace Science and Technology Corporation，2008(7):11?13.

[4] 王慶峰，李躍輝，徐建慶，等.GPS衛(wèi)星定位技術在埋地管道腐蝕檢測中的應用[J].油氣田地面工程，2003，22(12):32. WANG Qing?feng，LI Yue?hui，XU Jian?qing，et al.GPS satellite positioning technology in the buried pipeline cor?rosion detection[J].Oil?Gas Field Surface Engineering，2003，22(12):32.

[5] 董紹華，安宇.基于大數(shù)據(jù)的管道系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模型及應用[J].油氣儲運，2015，34(10):1027?1032. DONG Shao?hua，AN Yu.Data analysis model for pipeline system and its application based on big data[J].Oil＆Gas Storage and Transportation，2015，34(10):1027?1032.

[6] 劉偉，李朋，張哲，等.天然氣放空管道選材分析[J].石油與天然氣化工，2015(2):118?122. LIU Wei，LI Peng，ZHANG Zhe，et al.Analysis on mate?rial selection of natural gas vent pipeline[J].Chemical En?gineering of Oil＆Gas，2015(2):118?122.

[7] Ohlson J.Financial ratios and the probabilistic prediction of bankruptcy[J].Journal of Accounting Research，1980，18(1):109?131.

[8] 關中原，高輝，賈秋菊.油氣管道安全管理及相關技術現(xiàn)狀[J].油氣儲運，2015，34(5):457?463. GUAN Zhong?yuan，GAO Hui，JIA Qiu?ju.Oil and gas pipeline safety management and related technology status [J].Oil＆Gas Storage and Transportation，2015，34(5): 457?463.

[9] 夏文鶴，茹黎南，李明，等.基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術的油氣管道遠程監(jiān)控[J].油氣儲運，2012，31(12): 898?902. XIA Wen?he，RU Li?nan，LI Ming，et al.Satellite?based networking technology for remote monitoring of oil and gas pipelines[J].Oil＆ Gas Storage and Transportation，2012，31(12):898?902.

Application of Beidou Satellite Navigation System in the Monitoring of Oil and Gas Pipelines

WAN Qing?lin
(CNOOC Information Technology Co.，Ltd，Beijing Branch，Beijing 100027)

In order to ensure the safe operation of oil and gas transportation pipeline，it is very important to measure and monitor the whole range and ensure the effective transmission of monitoring data.With the increase of the number of domestic oil and gas transportation pipeline，the age of pipe age，and the occurrence of man?made damage and natural dis?asters，the oil and gas pipeline has a huge security risk.Based on Chinese invented and developed Beidou satellite naviga?tion system，using its short message，positioning and timing services，combined with existing pipeline detection and inspec?tion technology，and provides a more secure and reliable pipeline monitoring and data transmission system.Therefore，se?cured daily operation of domestic oil and gas pipelines is insured.

satellite navigation;pipeline monitoring;data transmission

U<666.1 文獻標志碼：A class="emphasis_bold">666.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674?5558(2017)01?01277666.1 文獻標志碼：A

1674?5558(2017)01?01277

A 文章編號：1674?5558(2017)01?01277

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.007

萬青霖，男，本科，工程師，研究方向為工程測繪、衛(wèi)星導航定位。

2016?05?26