长输油管道检漏与仿真--控制网



长输油管道检漏与仿真
企业：控制网 日期：2009-05-19
领域：仪器仪表 点击数：2467









陈国元 （1970-）

男，辽宁省盘锦人，毕业于大庆石油大学机械制造自动化专业，工程师，长期从事石油化工自动化设计工作。

摘要：本文对长输油管道工程的泄漏检测手段和在线模拟仿真系统进行了阐述。

关键词：泄漏检测；模拟仿真；SCADA 系统

Abstract: The article introduces the leak detection method and online simulation system 
for long distance Pipeline.

Key words: The Leak Detection; Simulation; SCADA

1 概述

    近年来国内外输油管道建设发展迅猛，随着西气东输管道建设的投产运行，以及西部管道的运营，石油行业掀起了管道建设的高潮。管道建设带来了国民经济的高速发展。也给石油建设工程带来了生机和发展。伴随着管道建设，对管道的安全生产和安全运行等方面要求的不断提高，长输原油管道的泄漏检测和在线模拟仿真技术越来越成熟。以下对长输油管道的泄漏检测和在线模拟仿真进行阐述。

2 原油管道漏油工况分析与计算

2.1 漏油点的确定计算

    根据管线某处发生漏油后，漏油点前的流量增大，漏油点后的流量减小以及漏油点前的泵站扬程减小，漏油点后的泵站扬程增大。由首末站流量计计量的流量以及各泵站进出站压力表读书，可确定出漏油点的站间位置。

    若在C站与C＋1站间发生漏油，由能量平衡方程推导出计算漏油点的位置公式。其计算公式为：设漏点距C＋1站X公里处，则首站至漏点处的能量平衡方程为：
              (1)

漏点处至末站的能量平衡方程为：
                            (2)

（1）＋（2）式整理得：
                (3)

由（3）式可得

                                                                                   (4)

    式中

    －漏点距C＋1站的距离，m

    －首站辅助压头，m 

    －单位流量的水利坡降，（m3/s）m－2

    －管道全长，m

    －管道终点与起点高程差， ，m

    －管道终点高程，m

    －管道起点高程，m

    －首站至C＋1站的距离，m

    －漏点前工作流量，m3/s

    －漏点后工作流量，m3/s

    －漏油处的漏油量，m3/s

    －全线泵站数

    －泵站特性方程系数

    －泵站站内摩阻，m

    －漏油点处的动水压头，m

    －流态系数

2.2 最大漏油量计算

    漏油后，漏油点前的各泵站进站压头降低；漏油量越大，进站压头越小。尤其是漏油点的前一站和后一站，进站压头下降幅值最大。当在某一输量下进站压头不能满足该站泵的吸上性能要求时，就会造成本站断流，全线停输的事故。这一输量称为漏油过程中的最大输油量，与其对应的漏油量称为最大漏油量。

    若漏点处的动水压头为HX,则漏点至C＋1站的能量平衡方程为：
                                   (5)

由(1)式和（5）式可得：
     (6)

同理，由C站至末站能量平衡方程可得：
 (7)

    式中 －漏油过程中的最大输油量，m3/s

    －漏油点处的最大漏油量，m3/s

    －漏油过程中C站最小进站压头，取泵的允许安装高度，m

    －漏油过程中C+1站最小进站压头，取泵的允许安装高度，m

    －C+1站的高程，m

    其它符号同上。

    由（6）、（7）建立非线性方程组

    ｛                                                                   (8)

    由解非线性方程组的牛顿迭代法可知，经K+1次迭代后，得
                                (9)
                                 (10)

    式中－ 次迭代计算后所对应的系数矩阵行列式
                                                     (11)

    当 ＜ 以及 ＜ 时，即为所求。

    在（9）（10）（11）式中  和  按实测值计算或按正常输量计算。

    由此可知，管线发生漏油后，漏油量应在0与之间；漏点前的流量应在正常输量 与  之间。

2.3 漏油后全线各泵站进出站压头的变化分析

    通过建立漏点前后，泵站与管线系统能量平衡方程式，可以得出如下结论：

    （1）漏油后，漏点前各站进出站压头都下降，离漏点越近的站下降的幅值愈大；相反，下降的幅值愈小。

    （2）漏油后，漏点后各站进出站压头也都下降，离漏点越近的站下降的幅值愈小；相反，下降的幅值愈大。

    管线漏油不仅产生油品损失，同时也产生动力损耗，而且污染环境。为此，对管线漏油必须严格监控及时处理。

3 输油管道泄露检测方法综述

    管道的泄漏检测和维修是管道工程中的一个重要环节，因为管道泄漏直接导致能源浪费和环境污染，造成重大的经济损失。所以多年来国内外很多的研究人员一直在从事管道泄漏诊断的工作，研究出了各种检测方法。

    从原理上来看，管道泄漏检测的方法可以分为硬件法和软件法2大类，它们各自又包含了4种类型的方法。这些方法各具优势，但实际应用的情况是复杂的，方法的有效性、简便性和易实现性等问题均需要综合考虑。

3.1 硬件法

3.1.1 温度测试法

    该方法是通过测试紧邻管道的环境温度的变化来进行泄漏检测和定位。基于此原理的红外温度记录仪已经成功的应用在热水管道的检漏中。另外，传感技术的进步使得温度曲线在实际测试中变得方便实用，尤其是温度感应电缆和光纤电缆的使用，大大改进了数据的可靠性。

    温度测试法的局限性则表现在：

    传感器需要直接接触管道进行安装和测量；

    在传感器安装和复原的时候，易对管道造成损坏；

    存在管壁温度与管道水温没有直接关系的可能性；

    长时间地读取数据(一般24h以上)时，测温仪器极易损坏；

    设备费用高。

3.1.2 声学测量法

    通过测量流体泄漏时产生的噪声来进行管道检漏和定位，是目前广泛使用的方法，因为该方法具有明显的优越性：

    即便是无法直接接触的部位，也很容易采集到声音信号；

    相对于温度传感器和压力传感器获取的信号来说，声音信号提供了更全面、更高质量的信息；

    在线性系统中，声音波形含有迭加特性。这就是说，若同时有2处泄漏产生，一路信号不会干扰另一路信号，两处故障可以各自独立地检测出来。

    但是，当泄漏产生的声音信号在不同的媒体中传播或遇管壁反射时，许多与泄漏无关的声音信号会造成所需信号波形的失真。

    声学测量法又可以分为应力波(固体声波)法、超声波和发射法，其中基于应力波原理的相关检漏仪已广泛投入使用。

    （1）应力波法

    流体泄漏时在管壁中激发应力波，用两只普通的压电式传感器作为检测元件，分别安装在被测管道两端，通过测量泄漏噪音到达传感器的时间来估算泄漏点的位置。

    应力波的频率较低，一般在0.2~10kHz。低音频的信号从泄漏源向上、下游传播时，相对减弱的能量最低。但是，它极易受环境的干扰。基于该方法的相关检漏仪是对低音频信号作相关处理，从而消除背景噪音，分离出有用信号。

    （2）超声波法

    泄漏噪声中含有超声波，测试此超声波可以发现远距离处的泄漏。由于声波的频率决定了声波的传播形式，低频信号倾向于球形传播，在各个方向上密度是相等的，而高频超声信号(理论上>20kHz；实际上可定义为>16kHz)则倾向于直线传播，这就是利用超声波的简单原理。

    但是，由于超声波通过大气时倾向于直线传播，使得超声波有一定的接收范围，对于地下管道，该方法不是很有效。另外，超声波法也不适用于易燃气体管道的泄漏检测。

    （3）声发射法

    管道中的水流由小孔泄漏，在达到一定流量时，可在管壁中激发声发射波。泄漏的声发射信号是连续型信号，其值正比于泄漏速率，而泄漏速率与泄漏信号的均方根值的平方成正比。所以，可应用检测RMS值来检测泄漏。

    声发射法是一种非侵入式的测试技术，响应的是动态事件，并且在安全方面也没有特殊的限制。

    但是，该方法的灵敏度在一定程度上受到背景噪音的限制。而且，当有紊流存在时，检测结果的正确性也将受到影响。

3.1.3 采样法

    该方法通过测试管道紧邻环境中的蒸汽来检测易挥发气体管道的泄漏。基于此原理，可以平行管道安装一种具有半透膜的敏感管。当有泄漏存在时，溢出的挥发性气体扩散到敏感管，在管端压力泵的作用下，溢出气流到终端的检测仪，对它分析后，就可以进行管道泄漏的诊断。

    很明显，采样法的设备成本费用极高，响应时间长，应用范围也较窄。

3.1.4 负压力波法

    当管道上某一点发生泄漏时，该点压力突降，形成的负压力波将会以一定波速向上、下游传播。负压力波的传播速度大致与声速相等。

    在上、下游分别安装压力传感器，检测压力梯度或压力波的变化可判断泄漏是否发生。而通过负压力波传到上、下游的时间差进行泄漏定位。

    该方法对负荷扰动具有较强的抗干扰能力。

3.2 软件法

3.2.1 测量流速和压力变化的方法

    管道输入端和输出端的流速或压力值若有快速变化(上游流速增加、压力降低)的现象，说明了泄漏的存在。

    该方法的缺陷是：它仅适用于近似静止状态的、压力较低的流体泄漏检测，而且只能检测出较大的泄漏，并且无法对泄漏点进行定位。

3.2.2 质量平衡法

    理论上，管道容量＝管道流进量－管道流出量＝常量。所以，测试上、下游的流量差，当其值超过某一阈值(常量＋△V)时，应立即报警。

    此方法分为2种：一种仅测试上、下游的流量差；另一种则是在测试上、下游流量差的基础上，引入补偿变量，包括压力、温度的变化、管道容量的波动等。

    该方法的优点是：在管道的压力以及流速变化不大的情况下，也可以检测出泄漏的存在。

    但是，它需要测量流量信号，而流量计的安装和维修都很困难。另外，无法对泄漏点进行定位。

3.2.3 动态模拟法(瞬态流模拟法)

    该方法要建立管道的实时数学模型，其边界条件由现场的监控和数据采集(SCADA)系统提供。流体模型经常使用的方程有质量守恒、动量守恒、能量守恒和流体状态方程等。模型考虑多种变量，如流体速率、温度、压力、比重和黏度等的变化，用来预测管道的状态。当实际的测量值与模型的计算值之间的差异超过了某一阈值，说明有泄漏存在。

    该方法不但定位精确，还可以确定泄漏发生的时间及泄漏量的大小。

    动态模拟法的缺点则表现在：

    建模及计算的工作量都相当大；

    要求精确地知道输入口和输出口的流量、压力和温度值，以及中间测量点的压力和温度值，测量数据多，而且实际测量总会存在误差和不确定性，造成较高的误报警率；

    安装费用和维护费用都很高。

3.2.4 压力点分析法(PPA法)

    PPA法是一种采用简单的仪器在任何一检测点检测，依靠对记录数据的统计分析来检测气体、液体管道泄漏的方法。PPA技术是以管道泄漏前后的压力发生变化的大量研究数据为基础的。

    很明显，PPA法应用统计技术，需要大量的原始测量数据，并且无法对泄漏点进行定位。

4 输油管道在线模拟仿真系统

4.1 仿真系统在管道运行管理方面的现实意义

    管道仿真系统对管线监控是提高调度管理水平的一种有力手段，而且调度人员更须知道管线在预期操作条件下(可认为是估计或假设的优化运行方式)的“真实”运行参数，从而判断所下达调度指令是否合理，为调度决策提供科学和及时的依据。安装了先进的管线模拟软件后，可以对主要设备的操作进行优化，不仅可以降低运营成本，预防事故发生，还可以延长大修间隔时间。同时利用其泄漏检测功能，可及时发现泄漏和定位，减少经济损失和及时发现安全隐患。

4.2 在线模拟仿真系统的应用

    模拟仿真系统作为输油管道控制和管理的工具，应完成准确地评价管道的过去、解释管道当前发生的事件、预测管道的未来等任务。采用的软件是专用于管道的实时模拟仿真软件，为操作调度人员提供调度和操作参考，并可为操作员的培训提供平台，以保证管道安全、平稳、高效、经济运行。该系统将在北京调度控制中心和廊坊备用调控中心的一台专用的服务器中运行。本工程中采用一套在线模拟仿真软件，它通过接口直接获取SCADA系统数据库中的实时数据，经计算将结果输出到SCADA系统数据库中，为调度及操作人员和SCADA系统提供所需的数据。

    通常模拟仿真软件由核心软件和各种应用软件模块组成。用户可根据需求购买应用软件模块加载到该软件中，以便开发在线实时应用系统。模拟仿真软件与SCADA系统的实时数据库互连，按固定周期从实时数据库中采集实时过程数据，此周期作为模拟仿真软件的基本循环时间。数据更新扫描时间为15s。

    模拟仿真软件根据管道的实际情况组态形成管道的模型。根据需要计算所得出的结果，如管线的泄漏报警、清管器在管道中的位置、各个调节回路的设定点等，将由仿真软件写入到SCADA软件的实时数据库中，并在操作员工作站上显示，作为操作员对管道运行调度的参考。

    线模拟仿真系统的应用模块

    （1）仪表分析
 
    仪表分析模块用于连续监视仪表的状态和精确度的偏差。基本条件是取决于动态模型所整定的参数。根据对已安装的仪表的状态分析的情况确定仪表的维修时间及维护计划。对于仪表的精确度或者零漂出现偏差时，应立刻通知给操作员。

    根据质量平衡、压力的动态分布和统计学原理，将根据实时动态模型计算的流量和压力结果与管道沿线各点的实际测量值比较，实时在线监视管道是否发生泄漏并定位，以避免泄漏引起的危害（人身安全、火灾、环境污染、经济损失等）。

    基础门槛值：泄漏检测基础的门槛值应根据以下的内容确定：仪表的精确度、重复性和数据的分辨率，以及管道和输送的介质特性。

    动态门槛值：依据由SCADA系统数据库中获取的数据的质量和预处理数据的质量动态调整其数值。依据在运行的过程中由于管道水利工况的变化程度和非计划的手动操作引起变化计算调整动态门槛值。

    泄漏报警：如果在一时间周期范围内泄漏量超过泄漏门槛值，泄漏报警应该在下个计算周期内发布。如果超过门槛值，维持1.25倍时间周期或大幅度超过门槛值在1.10倍时间周期内，则应发布报警、警告。

    虚假报警：应采取各种技术以防止假泄漏报警，应采用数据分析方法向操作员确认泄漏警告和报警的概率等级。如果数据分析不能确定泄漏可信度等级，则泄漏检测系统应增加门槛值。如果计算门槛值，在确定的时间期内不能检测出泄漏大小，则泄漏检测系统应向操作人员发出一份报告。

    泄漏检测报警信息：当检测到泄漏时，应向操作人员提供如下的内容：

    泄漏报警；

    泄漏量的大小；

    泄漏的可信度，一般的情况下可信度分为三级：高、中、低。

    泄漏定位信息：当检测到泄漏时，应向操作人员提供如下的内容：

    泄漏的位置位于: 

    Xkm ≤ 泄漏的位置 ≤ Ykm，位于Zkm。

    可信度级别。

    管道模型在计算中采用了一些参数，如其中之一的摩擦系数（主要由管道的粗糙度和实际管道内径决定），系统根据各个管道截面的压降和流量自动计算这些参数，如摩擦系数增加即相当于压降增大，从而导致管道的效率下降。该分析结果可提醒操作员，由他们决定是否修改系统参数以适应管道效率的下降或发送清管器清理管道。

    （2）清管器跟踪

    提供有关清管器的位置和到达预定地点的时间，作为调度人员下达操作命令的依据。

    （3）过程预测

    使调度人员可根据在不同的工况和条件下的计算结果，对管道进行操作以确保管道在安全、稳定、高效的状态下运行。预测模型与实时模型具有同样的配置标准，包括管线和设备模型，报告和报警能力。它是一个独立的动态模型，能模拟所有类型操作条件，如:

    压力和流量设定点的改变；

    设备状态改变，输油机停止/起动，阀门开/关，等； 

    产品参数改变。

    过程预测可为调度人员提供下列过程分析结果：

    操作计划及顺序；

    实际操作前可行的操作策略；

    在危险情况发生前，采取的预防措施；

    维修的效果；

    在管道进出量发生变化时，产生的因果关系；

    危害的后果；

    与设计，操作和维护有关的其他问题。

    (4) 模拟培训

    该功能可用于对操作人员进行培训，并可利用它模拟的管道实际工况，考核操作人员是否掌握了操作和处理问题的技能。模拟培训是一个按实际管道模型和设备模型组成的离线系统。应对管道操作人员进行如下的培训：

    管道安全运行操作；

    管道性能的优化；

    异常情况的适当反映； 

    在设计参数范围内操作；

    完整系统的有效监测；

    故障排除；

    管道水力工况；

    SCADA系统的模拟培训。

    (5) 管道运行模拟

    管道运行模拟可根据预计的运行工况和实际的工况模拟管道的静态和瞬态运行工况。它以基础实时模型为基础，模拟现场实际安装的各种设备（如输油泵机组、各种类型的阀门、调节阀、调节回路等），提供在各种运行工况下管道运行的数据和结果，为调度人员制定操作运行方案提供参考依据。

5  结束语

    通过以上叙述，我们了解了长输原油管道的泄漏检测和在线模拟仿真，希望通过这些技术的广泛应用和技术的不断完善，不断的提高长输油管道的安全生产、经济运行、安全管理的水平。


参考文献

[1] 江秀汉, 李琳, 孟立宏.  长输管道自动化技术[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2003.

[2] 徐洁, 丁金婷, 江皓. 管道泄漏检测方法综述[J]. 管道技术与设备, 2004(4).
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