管道泄漏报警定位技术应用综述

2021-05-28贾盼龙谷国剑贾春龙

仪器仪表用户 2021年5期

贾盼龙，王蕊，谷国剑，贾春龙

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077；2.长庆油田公司第一采油厂，陕西延安 716000；3.陕西省天然气股份有限公司，西安 710000）

0 引言

管道作为五大运输工具之一，被广泛应用于油气田原油生产过程中。近年来，输油管道泄漏事故高频次发生，严重影响正常生产运行，造成巨大经济损失及资源浪费，仅长庆油田每年经济损失高达数千万元，同时原油泄漏容易引发火灾、爆炸等安全事故和重大环境污染事故。因此，从经济因素和环保因素来看，对管道泄漏的及时发现和定位研究成为目前各大油田亟待解决的问题。管道泄漏自动监测技术，能够及时准确发现泄漏，迅速发现泄漏点，便于及时采取措施，最大程度降低泄漏损失，具有明显的经济效益和社会效益。

本文介绍了现有国内外管道泄漏监测方法，重点介绍了安塞油田“负压力波法”与“输量平衡法”相结合的管道泄漏报警及定位监测系统，并结合目前应用现状对管道泄漏监测技术未来发展方向进行预测。

1 管道泄漏监测技术现状

目前，管道泄漏监测技术主要有3类：生物方法、硬件方法、软件方法。

1.1 生物方法

生物方法为最传统的监测技术，靠人工或经过特殊训练的动物沿着管线行走查看管道附件异常情况或通过闻气味、听声音等手段获得泄漏信息。这种方法直接准确，但效率低下、实时性差，且耗费人力，劳动强度大。

1.2 硬件方法

硬件方法主要通过硬件检测设备或电缆、光纤等信号传输手段获取管线泄漏信息，最常用的主要有电缆检测法、示踪剂检漏法、分布式光纤检测法、温度检测法等。

1.2.1 电缆检测法

电缆检测法是在管道沿线敷设一种特殊电缆，这种电缆具备与管道输送介质发生化学或物理反应能力。当发生泄漏时，管道内部流体介质与电缆发生物理或者化学反应，导致电缆的传导特性发生变化，从而实现泄漏监测。

该方法通过监测电缆的传导性改变进行泄漏判断，投入成本高，且电缆不能重复使用，因此应用较少。

1.2.2 示踪剂检漏法

示踪剂检漏法通过放射性示踪剂（如碘等放射性物质）加到管线内，当管线发生泄漏时，放射性示踪剂流入泥土中。管道内部放油示踪剂检测仪，在输送流体推动下前进，经过泄漏点附近时，会很快检测到泄漏到管外示踪剂的放射性并进行记录，从而确定管道泄漏位置。

示踪剂检漏法针对微量泄漏的灵敏度高，但由于放射性示踪剂对人身安全和生态环境的影响，此方法有待改进提升。

1.2.3 分布式光纤检测法

分布式光纤检测法利用光纤监测管道沿线的振动信号，当管道周围发生异常状况造成振动时，光缆发生应变特性，从而导致光缆中相位及偏振状态发生改变，系统检测到该变化，进行进一步辨识和报警。

分布式光纤检测法可以检测到管道发生泄漏的基本情况，也可对管道沿线发生的危害事件进行预警提示，但这种方法灵敏度过高，难以排除干扰，因此应用较少。

1.2.4 温度检测法

该方法通过测量紧邻管道环境温度变化来进行管道泄漏监测和定位，已成功应用至热水管道的检测中，应用效果可嘉。

温度检测法的局限性表现在传感器需直接安装在管道，对管道伤害较大，且设备容易损坏，费用高。

1.3 软件方法

软件方法采用由软件系统提供的压力、流量、温度等关键参数，通过参数变化、质量守恒或体积平衡、流体动力学模型和压力分析等软件分析方法，检测分析泄漏情况。主要方法有：压力梯度下降法、负压力波法、输量平衡法、实时模型法等[1]。

1.3.1 压力梯度下降法

正常输送情况下，管线沿程压力分布为一条斜直线，如果发生管道泄漏，泄漏点附近前后的流量则分别增大和减小，相应管道沿程压力在泄漏点附近的斜率会发生改变，形成一个拐点。

此方法需要在管路上设置多个压力检测点，现场难以实现；另外，地形等复杂情况使得沿程压降具有非线性特性，影响使用效果。

1.3.2 负压力波法

此方法原理是在管道的内外产生一定的压力差，管道内部的输送流体会快速流出，在泄漏点位置造成压力突降。泄漏点附近的气体在压力差的作用下流向泄漏点，产生一个在泄漏点附近的压力波动，即负压波[2]。负压波以一定速度传播至泄漏点的两端，利用提前安装在管道上下游两端的压力传感器就能及时检测到压力波信号，通过计算机软件精准计算两端传感器接收到负压波的时间差，就能快速定位泄漏点。

1.3.3 输量平恒法

此方法的原理是在一条不泄漏的管道内，当管道正常输送时，上游端出站流量理论上和下游端进站流量是基本相等的，如果检测到出站流量跟进站流量有较大的流量差，则认为管道发生了泄漏。

该方法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。但是实际管道输送过程中，由于管道本身的弹性和流体性质变化等多种因素影响，首末两端的流量变化会有不同时性。所以，这种方法准确性不高，且不能确定泄漏点的位置。

1.3.4 实时模型法[3]

实时模型法要建立管道的实时数学模型，其边界条件由现场监控和数据采集系统提供。模型建立过程需要质量守恒、动量守恒、能量守恒和流体状态方程等，也需考虑流体速度、温度、压力、比重和粘度等变化，通过模型预测管道状态。当测量值与模型计算值存在差异，超过阈值时，说明存在泄漏。

此方法建模计算工作量大，精度取决于模型准确性和硬件采集系统精度，实际运行中误报率高。

2 安塞油田管道泄漏检测定位技术简介

图1 SCADA系统站间管网监控曲线Fig.1 Monitoring curve of SCADA system inter station pipe network

图2 负压力波原理示意图Fig.2 Schematic diagram of negative pressure wave

图3 KLDHY系统构成示意图Fig.3 Schematic diagram of KLDHY system

安塞油田近年来不断探索管道泄漏检测的先进方法，目前主要通过SCADA系统中的输差压差监控，完成对管道泄漏的报警检测。为了进一步提升泄漏报警准确性，并完成及时准确的泄漏点定位，近年来不断推进以“负压力波法”与“输量平衡法”相结合的KLDHY-Ⅱ管道泄漏报警及定位监测系统。

2.1 SCADA监控系统

SCADA系统主要完成上下游站点流量、压力实时数据采集，通过软件内部计算获取压力差和流量差。通过报警上下限设置，当流量差或压力差大于设定值时发生报警，提示管网发生泄漏。工作人员第一时间现场核实，发现数据确实存在异常时，第一时间采用“一键停泵”手段完成原油输送，并安排巡线寻找泄漏点。

2.2 KLDHY-Ⅱ管道泄漏报警及定位监测系统

SCADA系统的流量差、压力差可以判断管线是否发生泄漏，但单一的报警条件设置导致系统误报率高，且系统无准确定位泄漏点的功能。因此，便产生了“负压力波法”与“输量平衡法”相融合的多元互补型管道泄漏监测系统——KLDHY-Ⅱ管道泄漏报警及定位监测系统。该系统报警采用混合条件设置，通过“三降一升”（上下游站点压力下降、下游站点流量下降、上游站点流量上升）判断准则，可大大降低误报率，同时提升数据采集频率，通过“负压力波法”准确定位泄漏点。

2.2.1 系统原理

该方法的理论依据是：当上下游两站间输送管段内某点发生泄漏时，泄漏点压力突然降低，所形成的负压力波将沿管线向上下游传播，瞬时传播速度与介质的粘度、密度、管线管径、弹性模量等有密切关系，随泄漏位置的不同，上下游站点的响应时间也有所不同，通过时间差准确定位泄漏点，为了防止误判，同时设置“三降一升”（上下游站点压力下降、下游站点流量下降、上游站点流量上升）判断准则，提升系统检测准确性和实时性。

2.2.2 系统构成

本系统主要由数据采集分析处理系统、数据发送系统、计算机报警监测系统组成。在典型的点对点管线（即站对站的管线，基本由主监控计算机、数据采集装置、前端仪表构成）上，安装KLDHY-Ⅱ系列管道泄漏报警定位系统，其基本构成如图3所示。

2.2.3 技术指标

1）监测精度大于瞬时流量（流速）的1%。

2）单段最大监测管道距离≦60km。

3）定位精度小于管线长度的0.5%±100m。

4）报警响应时间＜60s。

5）压力报警阈值：0.002Mpa～0.02Mpa（根据工况条件设定）。

6）漏报率为≦1%。

2.2.4 系统应用

图4 压力运行曲线Fig.4 Pressure operation curve

该系统与SCADA系统相比，能够更加灵活地设置报警条件，通过上游站点流量上升和下游站点流量、压力，上游站点压力下降的“三降一升”判断准则，使得系统判断准确性提升，有效地降低误报率。

SCADA系统采样周期为2s，KLDHY-Ⅱ系统采样周期为0.2s，系统可通过定位上下游站点压力、流量拐点，通过压力波的传输速度及时间差精确计算获得泄漏点位置，特别对于长输管线能够迅速缩小泄漏范围，及时发现泄漏点，距离实际泄漏点100m以内。

3 管道泄漏监测技术发展趋势

随着管道工业的快速发展，研制开发精确实时的管道泄漏检测系统，可提升泄漏检测及定位的精确度和可靠性，大幅减小管道泄漏造成的环境污染和经济损失。管道泄漏检测技术有如下发展趋势[5]：

1）以软件分析为主、硬件检测为辅的软硬件结合方法。近年来，计算机技术、控制理论、信号处理、模式识别、人工智能等多种学科的发展，促进了以软件分析为主的管道泄漏检测分析方法。该方法依赖于硬件传感器布设，能实时监测，及时报警，依然是研究的热点和趋势，且作为非线性时变参数的管道输送系统，自适应、自学习等人工智能方法在检测和定位算法中也将发挥重要作用。基于硬件的方法定位精度且误报率低，因此硬件方法和软件方法相结合，将是未来研究热点。

2）泄漏检测系统与SCADA系统的结合