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1  前言

　　国内外对输油管道安全运行十分重视，泄漏检测技术发展较快，涉及面广，种类较多，概括起来，主要采用以下两类：(1) 利用自动化技术、计算机技术、智能仪器仪表技术和网络技术等，构架数据采集与监控系统SCADA[1]。该系统主要是在管道沿线安装检测点，通过不同的传感器将管道工作参数进行检测，如测量流量、温度、压力等，由SCADA系统完成相关数据的收集、处理、分析和判断，确定是否发生泄漏，该系统在管道建设时同步进行，应用效果较好；(2) 基于磁通、超声、涡流、录像等技术的管内检测法，利用清管器作为载体，应用磁通、超声、录像、涡流等技术提高了泄漏检测的可靠性和灵敏度。

　　国内外曾经研究过的管道泄漏监测与漏点定位的方法很多，主要有化学方法、应力法、漏磁法、流量差监测法、负压波法、全线压力分布法、全线质量平衡法、管道瞬变模型法等，理论上均较为成熟，但在实际应用中仍存在着不足。随着计算机技术的广泛应用，以及现代控制理论和信号处理技术的发展，输油管道的动态检漏及报警技术逐渐占据了主导地位，而且还在不断发展之中。

2  负压波泄漏检测法原理与关键技术[2][4]

　　近年来，国内对于长输管道检漏技术的研究主要集中在应用负压波法检测领域。常规负压波检测法可迅速检测管道正常流量8%～20%以上的突发性的大量泄漏，在快速诊断法中占据重要地位。在泄漏发生时，泄漏处立即产生因流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬时压力降低和速度差，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波，其传播的速度在管道和输送的流体中并不相同，在石油液体中大约为1200m/s。设置在泄漏点两端或泵站的传感器捕获压力波信号，并根据压力波的梯度特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可确定泄漏程度和泄漏位置。

　　对于投产后的输油管道，如果油品的物理性质（密度、容积弹性系数等）已知，则可以求出压力波的传播速度。若同一种油品的压力波传播速度基本保持不变，根据公式(1)，检测到压力波就能推算出泄漏地点。负压波法是目前国内应用较多的管道泄漏检测和漏点定位方法。

(1)

　　其中：X为泄漏点距首端测压点的距离，米（m）；

　　L为管道站间长度，米（m）；

　　a为管输介质中压力波的传播速度，米每秒（m/s）；

　　Δt为上、下游传感器接收压力波的时间差，秒（s）。

　　从公式(1)可以看出负压波定位的关键技术主要包括：

　　①  负压波的捕获（包括管道流态的瞬变过程）；

　　②  负压波速度的确定；

　　③  上下游压力波捕获时间的同步；

　　④  站库流程操作引起的误报警。

　　输送的油品及管道吸收能量使负压波振荡的物理参量特征减弱，同时泵机组的运行交变压力噪声、调节阀工作时压力瞬间变化和管道沿线输送油品进出管道时产生压力变化等因素给采集泄漏信号造成很多困难。通过压力传感器性能的正确选择，可以直接提高压力波捕获精度；忽略数据网络通讯中的延迟，将上下游现场压力采集的点“虚拟”到生产调度中心“本地”，在分析工具看来就像在本地直接进行数据采集一样，有力地保证了采集时间的同步；根据长输管道线上负压波和站库的内负压波的传播方向相反的特点，在站库外在一定距离内设置双采集点进行判别，能较好地将站库内的操作进行排除，减少误报率。

3  基于智能压力传感器PPTE的设计探讨

　　PPTE（Precision Pressure Transducer Explosion-Proof，防爆型高精度压力传感器）利用半导体的硅阻效应―在硅膜片上施加压力将引起阻值的变化，通过内嵌微处理的数字补偿，该传感器能较好地满足各类用户的定制要求。PPTE传感器均可在全温区和全压略范围内对其数字输出和模拟输出进行精确定标。因此，它是一个既非常精确又标准的模拟电压输出装置，也是一个完善的、具有地址的数字传感器，并可在RS232总线上许多传感器一起联网使用。PPTE传感器可以帮助用户向数字测量系统过渡，而不用增加新的昂贵的硬件设备。PPTE传感器的原理框图如图1所示。

3.1 PPTE传感器特点

(1)  用户可定制的高性能智能仪表

　　通过微机RS232/485通讯接口，用户可以发布控制指令改变该类传感器的任何一个有效参数，所有组态的变化均可存放在传感器内部的EEPROM中，并可由用户可任意设计或取消，同时还可以通过简单的指令来根据各种不同的需要对模拟/数字输出进行修改，如进行最大和最小模拟输出电压的调节以及压力量程的压缩等。PPTE传感器具有较好的重复性和稳定性，由于其内部压力敏感器件的重复性非常好并可利用微处理器进行数字补偿，因而可获得很高的稳定性和精度。在-40～+85℃的温度范围内，具有0.05%FS的典型精度。其检测信号（压力和温度）可由用户通过微处理器设置为数字或模拟输出模式，或同时输出模式。除基本单位psi（每平英寸承受的压力）外，PPTE传感器具有12种压力单位可供选择，其中包括大气压、巴、厘米汞柱、英尺水柱、英尺汞柱、英寸水柱等，用户不必为单位换算进行额外的浮点运算。

(2)  智能式数据采集仪表

　　PPTE传感器可以根据不同应用要求和现场要求对采集时间、变化范围的阈值和通讯率等设定。基于Δ-∑原理的A/D转换器的积分时间可在8ms至12s之间选择，这样可以较好提高数字控制系统在不同环境条件下的适应性和抗干扰能力。由于输油管道中负压波传播速度相对稳定、速度较快（1200m/s），在双压力采集时，通过高速采集和响应，可以缩短两采集点的距离而且能够正常捕获到变化的压力波。

　　该仪表具备智能跟踪输入变化功能。当检测到的压力发生变化时（超过设定阈值），用户可以设定使采样速率随之加倍（2X），以采集更多关于该参数的细节；当压力保持在设定范围内时，仪表的采样速率以恢复正常状态。正是这一突出特点，当输油管道发生泄漏时，采集频率加快，捕获更多的关于压力变化的细节，以方便操作人员的准确定位和估计泄漏量的大小。同时当检测系统平稳状态下，可以将采集频率和通讯率都降低，以节省系统资源和通讯带宽。

(3)  基于总线网络和高级应用的仪表

　　PPTE可以通过RS232/485总线联网。一台PC机最多可挂接89个PPTE传感器，每个PPTE传感器具有一个独立的地址，并且用户可以单独对某一个传感器或一组传感器或网络上所有的传感器通讯。在数字通讯模式下工作时，PPTE传感器具有更多的方法解决压力测量中的问题，如现场仪表的工作状态、通讯情况、设定阈值是否超限报警等。同时支持ASCII和Binary两种数据格式，为泄漏定位分析软件提供更直接的数据支持，减少应用软件的格式转换。

3.2  设计构思

　　充分利用PPTE传感器的特性，在中石化胜利油田分公司油气集输总厂（以下简称为油气集输总厂）各输油管道的上下游分别安装双压力采集点，以捕获管道泄漏产生的负压波和排除站库内操作而产生的干扰。系统设计模式为现场分布式采集，调度中心集中分析处理，远程采集仪表通过“虚拟串口”的方式进行本地化，以保证采集数据在时间上相对同步。油气集输总厂输油管道的位置示意如图2所示。

(1)  泄漏检测与定位系统硬件架构示意如图3所示。

　　现场数据采集框图如图4所示。

　　调度中心泄漏检测分析软件结构框图如图5所示。

(2)  基于PPTE传感器特点的设计与应用

①  利用动态定制PPTE压力传感器的工作范围，提高数据精度。

　　根据首站、中间站原油输送工艺的要求，将PPTE工作范围分两段定制，根据该传感器的特点，在-40～+85℃的温度范围内，具有0.05%FS的典型精度，具体列表如表一：
表1  管道工作压力参数列表

　　下面以首站PPTE传感器为例，定制工作范围示意如图6所示。

　　在数据保存过程，由于采样频率相差一倍，必须存在着两种频率特征，通过简单的频率分析即可判断出负压波产生的时间和时间差，可以根据上下游的压力波的变化相关性可以直接判断是否发生泄漏，并且直接定位。

(3)  应用双PPTE传感器进行管道泄漏检测与定位方法框图如图8所示。