趙 勇 蔡 立

〔國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華中分公司 湖北武漢 430000〕

經(jīng)過100多年的發(fā)展，石油輸送方式已由較單一的公路運(yùn)輸發(fā)展成為包括空運(yùn)、鐵路、海運(yùn)和管道在內(nèi)的五大輸送方式，形成五大輸送系統(tǒng)。因?yàn)楣艿垒斔途哂谐杀镜?、供給穩(wěn)定、節(jié)能、安全等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于油氣運(yùn)輸領(lǐng)域[1]。但是，隨著管道服役年限的延長(zhǎng)，由于腐蝕磨損等自然和人為因素，使管道泄漏時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1986年以前修建的輸油管線平均穿孔率為每年0.66次/km[2]。這些事故給管道的正常運(yùn)行及人民生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來了嚴(yán)重威脅[3]。建立高效的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升現(xiàn)有管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏事故并快速精準(zhǔn)定位，指導(dǎo)和開展泄漏事故的搶險(xiǎn)工作，防止和減少因泄漏引起的次生災(zāi)害具有重要意義。

1 目前管道泄漏監(jiān)測(cè)的主要方法

目前國(guó)內(nèi)外使用的管道泄漏監(jiān)測(cè)的主要方法有以下幾種，分別為：流量平衡法、建模監(jiān)測(cè)法和基于信號(hào)處理的監(jiān)測(cè)方法，而這些方法都存在一定局限性(詳見表1)，使用時(shí)要區(qū)別對(duì)待。在以上諸多的管道泄漏監(jiān)測(cè)方法中，目前國(guó)內(nèi)外研究和采用較多的是基于壓力信號(hào)處理分析的負(fù)壓波監(jiān)測(cè)法。

表1 監(jiān)測(cè)方法及其局限性

2 負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)法的原理、優(yōu)點(diǎn)及局限性

負(fù)壓波監(jiān)測(cè)法具有定位準(zhǔn)確、算法靈活、對(duì)硬件要求不高等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用較多的對(duì)管道實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)和定位的方法。

2.1 原理

當(dāng)流體輸送管道因人為、機(jī)械破壞、材料失效等原因發(fā)生泄漏時(shí),管道內(nèi)高壓流體在內(nèi)外壓差作用下迅速流失,引起管道內(nèi)該點(diǎn)的壓力降低，介質(zhì)在泄漏點(diǎn)和其相鄰空間產(chǎn)生壓差,使管道內(nèi)的高壓流體流向泄漏點(diǎn)的低壓區(qū)域,引起與泄漏點(diǎn)相鄰區(qū)域的流體質(zhì)點(diǎn)減少和壓力降低，產(chǎn)生負(fù)壓波。由于流體傳導(dǎo)作用,負(fù)壓波能傳播到數(shù)十公里外的遠(yuǎn)端，在管道兩端安裝壓力傳感器如能夠捕捉到包含泄漏信息的瞬間負(fù)壓波,就可以監(jiān)測(cè)到泄漏的發(fā)生,并根據(jù)瞬間負(fù)壓波到達(dá)管道兩端的時(shí)間差進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位，見圖1。

圖1 負(fù)壓波定位示意圖

假設(shè)負(fù)壓波在管道中的傳播速度為v，管道上、下游壓力傳感器捕捉到負(fù)壓波到達(dá)的時(shí)間差為△t,管道總長(zhǎng)度為l,泄漏點(diǎn)距離上游壓力變送器的距離為x,則有下列計(jì)算公式(1)和(2)：

(1)

解得

(2)

其中：x為泄漏點(diǎn)距上游站壓力變送器的距離，m；

l為上下游站場(chǎng)站間距，m；

v為負(fù)壓波傳播速度，m/s；

△t為負(fù)壓波傳導(dǎo)至上下游站場(chǎng)的時(shí)間差，s。

2.2 負(fù)壓波監(jiān)測(cè)法的局限性

該項(xiàng)技術(shù)的分析方法對(duì)于突發(fā)性泄漏比較敏感，適合監(jiān)測(cè)因人為破壞引起的泄漏。但對(duì)于緩慢的腐蝕滲漏并不十分敏感。對(duì)于一般輸送石油的鋼質(zhì)管道而言，負(fù)壓波傳播速度約為1000～1200 m/s。由于其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)流速，從上面的公式中可以看出該方法對(duì)上下游傳感器的響應(yīng)時(shí)間有很高的要求，一旦有零點(diǎn)幾秒的延遲，便可能產(chǎn)生幾百米誤差。同時(shí)，管道的長(zhǎng)度也決定了信號(hào)會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的情況，各種電磁干擾會(huì)導(dǎo)致采集到的壓力波信號(hào)帶有大量噪聲，如果不對(duì)噪音信號(hào)加以處理，則會(huì)導(dǎo)致大量的錯(cuò)誤報(bào)警。因此，需要采用多種措施對(duì)負(fù)壓波法進(jìn)行改進(jìn)，提升報(bào)警的準(zhǔn)確性。

3 改進(jìn)方法

3.1 負(fù)壓波波速的確定

要準(zhǔn)確確定泄漏點(diǎn)的位置，需要測(cè)定出不同工況下負(fù)壓波的波速。在傳統(tǒng)的常波速泄漏定位方法中,負(fù)壓波在管道中傳播的速度被視為常數(shù),通常在1000～1200 m/s之間。但實(shí)際上負(fù)壓波的傳播速度取決于油品和管道的性質(zhì)，可采用下面公式(3)計(jì)算不同工況下的負(fù)壓波波速：

(3)

其中：v為管道內(nèi)負(fù)壓波的傳播速度，m/s；

k為液體的體積彈性系數(shù)，Pa；

ρ為液體的密度，kg/m3；

E為管材的彈性模量，Pa；

D為管道直徑，m；

e為管壁厚度，m；

c為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。

式中，液體的體積彈性系數(shù)k與密度ρ隨液體溫度變化，可以通過查表后計(jì)算得出。

3.2 結(jié)合工況調(diào)整降低誤報(bào)率

管道工況調(diào)整會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水力參數(shù)的改變(表2)，過濾掉各種工況調(diào)整所產(chǎn)生的過渡態(tài)信號(hào)，可最大程度降低誤報(bào)率，提升報(bào)警的準(zhǔn)確性。

表2 工況調(diào)整導(dǎo)致水力參數(shù)的變化趨勢(shì)

該水力參數(shù)瞬態(tài)識(shí)別法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要建立復(fù)雜的管道水力模型,通過獲取管道上下游的流量和壓力等少數(shù)幾個(gè)特征參數(shù)，結(jié)合PLC控制信號(hào)分析，便可進(jìn)行各種工況的識(shí)別,可大大減少計(jì)算的工作量，響應(yīng)時(shí)間快，降低了誤報(bào)率。

3.3 負(fù)壓波法耦合流量(體積)法

平衡狀態(tài)下管道內(nèi)的輸入流量(體積)與輸出流量(體積)始終相等。因此，在系統(tǒng)發(fā)出泄漏報(bào)警前，可對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行一次比對(duì)，來判斷泄漏事故是否發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)壓波變化，而流量無明顯變化時(shí)，系統(tǒng)將不會(huì)發(fā)出報(bào)警，而是將事件記錄為預(yù)警，通過后期監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步確定事件類型。同時(shí)，若泄漏發(fā)生時(shí)，通過將前后流量差值對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，可計(jì)算出管道內(nèi)油品的泄漏量，以便后期評(píng)估經(jīng)濟(jì)損失。

3.4 系統(tǒng)時(shí)間校正

上下游站場(chǎng)工控機(jī)系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一對(duì)泄漏點(diǎn)定位準(zhǔn)確性有重要作用。管道上下游兩端采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析等工作,即便兩臺(tái)規(guī)格相同的工控機(jī)放在一起運(yùn)行數(shù)小時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一秒至數(shù)秒鐘的誤差,系統(tǒng)時(shí)間不統(tǒng)一在所難免。因此,工控機(jī)系統(tǒng)時(shí)間要經(jīng)常加以校正,一種簡(jiǎn)單的方法是用一端的系統(tǒng)時(shí)間去校正另一端的系統(tǒng)時(shí)間,這對(duì)兩站點(diǎn)系統(tǒng)來說簡(jiǎn)單可行,每次校正時(shí)間,兩臺(tái)工控機(jī)便發(fā)生一次通訊。但對(duì)多站點(diǎn)系統(tǒng)來說,這就要求各站間定時(shí)通訊，會(huì)大大增加系統(tǒng)的通訊負(fù)荷。GPS系統(tǒng)自問世以來,己充分顯示了其在導(dǎo)航、定位、授時(shí)領(lǐng)域的霸主地位[4]。隨著該系統(tǒng)快速發(fā)展和廣泛運(yùn)用,利用其來對(duì)各站工控機(jī)的系統(tǒng)統(tǒng)一授時(shí),可以很好地解決時(shí)間不一致的問題。

3.5 負(fù)壓波法結(jié)合小波去噪分析法

管道的長(zhǎng)度決定了負(fù)壓波在傳播過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲干擾，管道越長(zhǎng)，噪聲干擾越頻繁。為此可以利用小波變換對(duì)噪聲信號(hào)不敏感的特性以及其對(duì)信號(hào)突變的良好監(jiān)測(cè)能力,準(zhǔn)確提取壓力信號(hào)突降的時(shí)刻來準(zhǔn)確捕捉負(fù)壓波信號(hào)。

該計(jì)算方法可以對(duì)管道壓力信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理使其更具特征性。通過一定程度的伸縮平移計(jì)算和特征頻率分析，分別對(duì)上下游壓力信號(hào)進(jìn)行不同尺度小波變換,然后對(duì)其高頻部分進(jìn)行平均,綜合考慮上下游壓力信號(hào)在相同頻率下的小波變換模極大值,并與給定的閾值比較,判斷管道是否發(fā)生了泄漏，降低了噪音干擾，成為繼Fourier變換以來在科學(xué)判斷方法上的重大突破。

4 結(jié)束語

以負(fù)壓波監(jiān)測(cè)技術(shù)作為理論基礎(chǔ)建立起來的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。它與多種方法結(jié)合使用能夠有效地提升泄漏報(bào)警的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，降低誤報(bào)率。隨著科技發(fā)展的日新月異，以無人機(jī)技術(shù)和第五代移動(dòng)通信技術(shù)等為代表的新興科技會(huì)更多地運(yùn)用于安全生產(chǎn)領(lǐng)域，這些都有待于更進(jìn)一步的研究和探討。