管线泄漏报警定位系统在安塞油田的应用及扩展研究

摘要：原油长输管道是油田生产的生命线，由于管道腐蚀穿孔及偷盗打孔破坏致使原油漏失、环境污染，给企业带来巨大的经济损失。为了最大限度地降低输油管道泄露所造成的一系列严重后果，加强地面集输管网管理力度，通过对首末站点压力、流量的监测，实现管道实时在线监测。本文介绍了输油管道泄漏报警及定位系统的工作原理、主要功能以及系统扩展的基本设想。 关键词： 长输管道 泄漏 实时监测 定位 扩展 0、引言 原油长输管道是油气集输的主动脉，也是采油厂生产管理的重要环节。由于所输介质的危险性和污染性，一旦穿孔破漏将会造成原油漏失、环境污染等严重后果，给油田带来不必要的经济损失。鉴于安塞油田生产周边环境日益恶化，不法分子在输油管道上打眼盗油十分频繁，导致原油泄漏，环境污染，停产停输等，抢险补漏还需动用大量人力物力，花费大量时间，损失巨大。因此，采取必要的预警措施就显得尤为重要。为了能够及时准确判断长输管道的泄漏位置，使经济损失降到最低限度，我们从2002年起在我厂长输管线上安装了8套 “SAKER-Ⅱ型输油管道泄漏报警及定位系统”，实现对长输管道在线实时监测。 1、系统原理及特点 “Saker输油管道泄漏报警及定位系统”采用负压力波为基本原理，利用管道瞬态模型，采用流量报警，压力定位为基本方法(当然，也可以是压力报警、压力定位或者压力和流量混合报警与定位)。根据流体力学原理，原油在管道中输送是有一定压力的，且按一定规律递减。当首、末两站间输油管段内某一点发生泄漏时，泄漏点原油压力突然降低所产生的负压力波会以泄漏点为基点通过介质（原油等）在管道中向两端传播。这种压力波被分别设在管道起点和末点的压力变送器和流量计捕获。随泄漏位置的不同，两端变送器响应的时间差也不同。 1.1 基本数学模型 “Saker输油管道泄漏报警及定位系统” 的基本数学理论模型，可参照如下示意图建立。 图1 压力波传递示意图 L1：为泄漏点与首端的距离； L2：为泄漏点与末端的距离； V：压力波在静止介质（原油）中传递的速度； V ：原油的流动速度 L：为首末两站间的距离 压力波从首端到末端所需的时间t可以通过现场试验测定，L为已知，那么压力波的传递速度V=L/t就可以计算出来。有了这个速度，如果能准确地检测到压力波到达首端和到达末端的传递时间差，就很容易计算出泄漏点位置。当然，由于不同管线的工况参数及被输介质的理化性质等差异较大，压力波的传递速度和衰减速度等各不相同，必须作适当的修正。 1.2 系统构成 Saker系列输油管道泄漏监测定位系统构成框图和示意图所如下所示。该系统主要由数据采集预处理系统、远程通信系统、监视分析与管理系统三大部分组成。 图2 系统构成框图 图3 系统构成示意图 数据采集预处理系统，以内置DOS系统的一体化嵌入机为核心作为下位机，用C开发应用程序，主要完成对压力、流量信号的采集预处理、通信设备的管理和数据发送等。 远程通信系统，要根据用户需求和现场条件灵活组建，如：有线电话、无线数传电台、网络、GPRS和CDMA等。 监视分析与管理系统，以工控机为主的监控计算机是系统的核心部分。在Win2000平台下安装有SAKER系列应用软件，负责对所有站点的数据进行实时接收、汇总与综合处理、现实动态记录曲线、监检测管线运行状态和泄漏判断与定位等，并生成各种记录、保存数据和记录，以及提供记录回查、参数设置等功能。 1.2.1、硬件构成 首端与末端装有灵敏度高、稳定性好的压力传感器（有条件的站点还装有流量变送器），以一体化嵌入机为核心的数据采集处理装置、通信装置等。 管理站（也就是输油管线的首站）要有性能优良的主监控计算机。其中，作为主监控用的上位计算机选用研华品牌PⅢ工控机或康柏、戴尔等品牌的商用机；作为下位机用的一体化嵌入机选用台湾研华5510或台湾泓格8431等。 通信装置因采用的具体通信方式不同而不同。如：无线数传电台、有线MODEM、网卡、GPRS卡等。 1.2.2、软件构成 由于该系统的特殊性和工业现场的复杂性，大多数情况下应用软件需要“量体裁衣”式的定制才能满足现场要求，一般的“组态软件”难以适应。所以，该系统操作软件是在Win2000平台下利用Delphi6.0开发的管道泄漏监测系统saker系列专用软件，可以适用于不同的工业现场环境，用来对所采集到的各种信号进行处理、识别、修正和储存等，实现记录曲线的实时显示、泄漏报警和定位及数据查询、参数设置等功能。。同时，由于系统采用了分散式结构，数据采集预处理系统以下位的一体化嵌入机为核心，内置C语言应用程序，完成对压力、流量信号的采集预处理以及对通信设备进行管理和数据发送等，不但有利于减轻上位机负担，也更利于信号的处理，使系统更加稳定可靠。 图4 软件构成 1.3、通信方式的选择 通信质量是决定系统实现各种功能的关键。在基本满足数据传输速率的前提下，保证传输通畅稳定是至关重要的，否则将会给上位监测计算机的应用程序编制带来很大困难，严重的传输不稳定甚至有可能导致系统功能无法实现。综合比较几种通信方式，我们认为：网络、无线数传电台信道独立，是比较理想的通信方式；有线MODEM连通后，也可以视为一条独立的通道，有比较好的稳定性和可靠性；而GPRS、CDMA等受公用系统的制约较大，稳定性相对较差，发生不确定性延迟的几率大，将会影响定位的准确度，严重时可能会产生荒谬定位结果。实践证明，在进行有针对性的特殊处理后，即使不采用GPS授时同步，也能够满足要求。 在实际工程中，许多现场条件是不允许我们自由选择通信方式的，基本上都是利用现有的通信条件组建系统。比如，我厂安装的8套系统中右7套就必须采用有线MODEM通信，且由于监测点间跨地区或跨省市话费昂贵，不允许采用长期占线的通信模式，只能采用异常时自动拨号连接的通信模式。几年的实践证明，这种通信方式在安塞油田的高原多山地区运用是非常成功的。 1.4、数据采集精度、频率及其采集装置 在一般的数据采集系统中，压力采集保留到小数点后2位即可，采样频率达到1次/秒已经足以满足要求了。而本系统要求压力数据保留到小数点后4位，采样频率最小为10次/秒。这自然就对硬件选型和信号处理提出了更高的要求。为此我们采用了一体化嵌入机作为现场数据采集与处理的核心。相对于板卡而言，一体化嵌入机的信号的共地关系容易解决，信号质量容易保证，且内置DOS系统，可以灵活地对数据进行预处理，也便于管理通信装置进行数据远传。这种以一体化嵌入机为核心的现场数据采集装置比采用工控机+采集卡的模式更加灵活方便和可靠，尤其是当某个监测点需要无人职守时，更能体现出其优越性。 1.5、信号固有干扰和特征识别处理 在理想的信号状态下，要识别“负压力波”信号并不困难。但在实际生产中，引起管道中原油压力变化的因素很多，如提高或降低排量、倒罐、倒流程、加压泵的抖动（包括供电不稳的影响）以及信号中的电磁干扰等都会造成压力下降的假象，加大了真正“泄漏压力波”的识别难度。因此系统具有准确的识别能力非常重要。 要做到这一点首先要合理选择前端数据采集部分的硬件，采取良好的隔离和抗干扰措施，尽量减小电干扰对原始数据的影响。对于因工艺流程等引起的固有压力波动，理论上可以采用各种波形变换手段对采集到的信号波形进行变形分析处理。如：均值滤波、中值滤波、小波变换等。这需要根据管道的工况条件合理运用，才能起到有效的作用。 1.6、关于多分支复杂管网的处理 安塞油田输油管线大多是一进一出简单管段，但也有中间有一个或几个插入分支构成的复杂管网，这无疑给泄漏监测带来了很大的难度。一般说来，对于多分支管网，最好能在每个插输点安装采集装置，否则“管道输量平衡法”将失去有效的依据，无法把中间站的“减压操作”与确实发生的“泄漏” 区分开来。坪桥-东营 线、谭家营-老东营站线以及张渠-侯市输油管线，就属于三叉结构管网这种情况。 1.7、原油物理性质差别的影响 压力波的传递受介质成分和物理性质等的影响很大。输油管道中从首端到末端的原油，其流动性随温度的降低而变差，压力波的传递速度也会发生变化。不同地区的原油理化性不同，或同一输油管线中部同时段原油的含水发生变化都会对压力波的传递速度产生影响。如果是有三个或更多节点的复杂管网，若各个结点进入的原油品质、温度和含水不同，压力波的波速会变得更加复杂。波速的变化直接影响 定位精度，如何进行实时的修正也是难题之一。 1.8、报警和定位模式及主要技术指标 根据现场使用经验证明：采用“自动报警+人工核实”或“自动报警定位+人工核实”的模式是比较切合实际的，且“自动报警定位+人工核实”的模式也必须在工况条件比较好的管线上运用才有一定的意义。因为这样可以充分发挥计算机的优势，有效地避免造成“狼来了”的不良后果。倘若系统没有“人工手动核实”功能，一旦“自动报警定位”出现偏差，将无法作进一步的分析判断，有可能造成一些假象，引起不必要的管理麻烦。 技术指标应当根据现有技术条件和生产实际需要确定，太高不易实现，太低使用价值不大。“Saker输油