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1、书书书第 41 卷第 11 期2 0 0 9 年 11 月哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol. 41No. 11Nov. 2009应用负压波法检测输油管道的泄漏事故刘恩斌,李长俊,彭善碧( 西南石油大学 石油工程学院,四川 成都 610500,sunriselebpsb163. com)摘要:针对输油管道的具体情况, 基于负压波原理, 研制了一套输油管道泄漏检测系统. 提出了负压波法泄漏检测需要解决的关键技术, 即如何确定负压波的传播速度; 如何确定负压波到达管道两端的时间; 如何统一数据采集系统的时间, 并给出了相应的
2、解决方案, 将小波变换、 GPS 校时等先进技术应用到系统中, 实际应用表明, 系统性能稳定可靠, 能对输油管道的突发性泄漏做出迅速反应, 泄漏定位精度高( 管长的 1% 以内) , 所需硬件设备较少, 投资额度底, 满足工程应用要求, 有广阔的应用前景.关键词:泄漏检测;输油管道;负压波;系统 软件;GPS 小波变换中图分类号:TE973. 6文献标识码:A文章编号: 0367 6234( 2009) 11 0285 03Leakage detection for oil pipeline based on negative pressure wave theoryLIU En- bin,L
3、I Chang- jun,PENG Shan- bi( School of petroleum engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China, sunriselebpsb163. com)Abstract:Aiming at oil pipeline,we designed a suit of oil pipeline leakage detection and location system,which based on negative wave method technique. Th
4、ere are three key techniques to realize oil pipeline leakagedetection and location. ,which include how to ensure the speed of negative wave,how to ensure the time thatthe negative wave arrive the both ends of pipeline,and how to unify the time of data acquisition system. Weput forward the relevant r
5、esolve method,and let the wavelet transform and GPS technique into it,the practiceindicate that the capability of this system is steady and reliable,and the precision of leakage location is lessthan 1% of the length of pipeline.Key words:leakage detection oil pipeline negative wave system GPS wavele
6、t transform收稿日期: 2005 10 21.基金项目:四川省重点学科建设项目( SZD0416) .作者简介:刘恩斌( 1980) , 男, 讲师;李长俊( 1963) , 男, 教授, 博士生导师.管道工业发展的早期, 石油天然气管道的泄漏检测主要采用人工分段巡视的办法, 之后又发明了基于硬件的检漏方法, 如检漏电缆法、 油检测元件法等. 现代泄漏检测及定位技术始于 20 世纪 80 年代初, 主要有三大类方法1 2: 1) 基于物质平衡的方法, 这种方法对仪表精度要求很高, 误报警率高, 且无法实现泄漏的定位; 2) 基于信号处理的方法, 如负压波法、 相关分析法等; 3) 基
7、于模型的方法, 如实时模型法、 瞬态模型法等. 由于我国的大部分管道自动化程度较低, 而负压波法要求的仪表设备简单3, 因此受到了广泛的重视.1负压波泄漏检测原理负压波泄漏检测方法的原理如图 1 所示. 当管道发生泄漏时, 管道内外压差使流体迅速流失,泄漏部位的物质损失使临近部位流体密度减小,压力降低, 并且以一定的速度向上下游扩散, 在管道两端安装的压力传感器分别在 t1时刻和t2时刻捕捉到这种信号, 从而判断管道发生了泄漏, 进而根据负压波传到管道两端的时间差以及负压波波速就可以进行泄漏的定位.传感器盗油点传感器图 1负压波泄漏检测原理负压波定位公式:X =L( a v)+ ( a2 v2
8、) t 2a.式中:X 为泄漏点距首端测压点的距离, 单位是 m; L 为管道全长, 单位是 m; v 为管道中油品的流速, 单位是 m/s; a 为压力波的传播速度, 单位是 m/s; t 为上下游传感器接收到压力波的时间差,单位是 s.由负压波定位公式可得负压波检测的关键技术4为: 1) 确定负压波在管道中的传播速度; 2)确定泄漏负压波信号传到管道上下游压力传感器的时间差; 3) 统一各泵站工控机系统时间, 以得到负压波传输到两端的精确的时间差. 1. 1负压波在管道中的传播速度负压波是一种水击波, 其在管道内的传播速度取决于液体的压缩性和管壁的弹性, 其计算方法为a =K 1 +K E
9、D e()槡C.式中: K 为油品的弹性容积模量, 单位 Pa; 为油品的密度, 单位是 kg/m3;E 为管材的弹性模量,单位是 Pa; 为管材泊松比;D/e 为管道内径与壁厚之比; C 为管道约束系数.由于长输管道距离长, 站点多, 管道中负压波的传播速度受输送介质参数的变化影响, 因此, 在实际应用中, 将管道划分为若干段, 根据每段的具体参数计算每一段的负压波波速. 1. 2负压波信息的捕捉小波变换法( wavelet transform) 是 20 世纪 80年代后期发展起来的应用数学分支, 它是一种在时频两域均具有良好局部特性的信号处理方法.卷积形式的小波变换定义为4 5:WTaf
10、( t)= f( t) a( t)=1 af( ) t ()ad.式中:a( t)=1 at()a, 它是由满足允许性条件( t) dt = 0 且均方可积的一维函数 ( t)在尺度因子 a 下作拉伸后得到的.一般来说, 信号的突变和奇异点, 通常在信号的一阶或高价导数中反映出来. 在各种小波函数中, 高斯函数的一阶导数对于信号的奇异点最为敏感. 因此, 本文小波变换中均采用了这种小波函数.高斯低通函数为g( t)=1 2槡et22.如式( 1) , 在不同的尺度下, 对滤波后的压力信号 f( t) 进行卷积小波变换.WTa1f( t)= f( 1)a1( t)=1 a212槡f( ) ( t
11、 ) e( t)2 2a21d;WTa2f( t)= f( 1)a2( t)=1 a222槡f( ) ( t ) e( t)2 2a22d;WTanf( t)= f( 1)an( t)=1 a2n2槡f( ) ( t ) e( t)2 2a2nd .( 1)综合考虑多个尺度下小波变换所反映的突变点信息, 对不同尺度小波变换的结果进行平均WTf( t)=1 nni =1WTaif( t).平均处理后的小波变换结果既保留了比较准确的峰值位置和比较窄的尖峰形状, 又较好的去除了伪极值. WTf( t)的极值点位置相当于不同尺度下小波变换极值点位置的平均, 利用 WTf( t)的极值点位置可以确定 f
12、( t)突变边沿对应的时刻. 从而获得负压波到达管道两端的时间差. 1. 3数据采集点系统时间的统一管道的两端各装有一套数据采集系统, 在发生泄漏时要确定泄漏点的位置, 需要将管道两端首、 末站的数据综合起来分析, 数据的起始点( 时间) 必须是对应的, 才能确定负压波到达管道两端的时间差, 因此, 数据采集系统的时钟必须经常加以校正. 可以采用一端的系统时间校正另一端的系统时间, 但这种方式的校时精度取决于数据传输线路的速度以及稳定性, 仍然会造成较大的误差; 而 GPS( 全球定位系统) 则是应用卫星向地面终端同时发射信号, 地面终端可以同时接收到信号, 对两端系统时间进行校正, 受时精度
13、高, 它满足了泄漏监测系统对时间精度的要求, 而且造价低廉, 因此, 将 GPS 集成到泄漏检测系统中来统一各站工控机的系统时钟.此外, 管道的调泵、 调阀等正常的工况变化同样会产生负压波, 这就需要消除它们的影响. 可以通过监测泵转速、 调节阀开度、 监测管线压力、 流量变化状况等方法来排除误报警.682哈尔滨工业大学学报第 41 卷标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m2输油管道泄漏检测系统结构输油管道泄漏检测系统由硬件系统和软件系统两个部分构成, 硬件系统主要负责现场数据的实时采集, 软件系统负责数据的实时传
14、输、 数据分析、 报警及误报警排除.硬件系统各监测段所需的主要设备有: 压力变送器; 温度变送器; 数据采集模块; GPS 接收机;通信线路等. 软件系统 PLDS 包括 3 个功能模块,通信模块负责上位机与下位机的通信和数据传输; 泄漏检测模块为泄漏检测系统的核心, 模块主要完成数据的滤波、 数据的处理、 泄漏的判定、 误报警的消除等工作; 数据管理模块对系统存储的历史数据进行管理, 包括管道参数、 通讯异常记录、 压力异常记录以及泄漏报警记录, 并可实现压力信号的动态显示等功能.3负压波泄漏检测实验研究在新疆油田某原油管道组织了泄漏检测工业实验, 实验管段长 30. 21 km, 管径 3
15、77 mm, 壁厚 7 mm, 油品 20 密度 845 kg/m3, 在管段的 1#阀池( 6. 87 km) 的截断阀前安装了放油管线, 放油的时间为30 s/次左右. 图2、 图3 为放油时管道起点和终点的压力曲线, 可以看出产生了明显的负压波, 运用小波算法4准确的提取了压力信号中所包含的负压波信息, 泄漏点定位于 6. 71 km 处,实验结果如表 1, 定位精度在管道长度的 1% 以内, 满足工程应用要求. 时间压力 图 2管道起点压力曲线时间压力 图 3管道终点压力曲线表 1泄漏检测实验结果接收到泄漏信号时间起点终点定位/m误差/%11: 35: 16. 23411: 35: 3
16、0. 6716 706. 8990. 5394结论1)基于负压波原理, 提出了输油管道泄漏检测需要解决的关键技术, 并研究出了相应的解决途经. 开发了输油管道泄漏检测系统, 系统所需设备少, 投资额低. 研究成果在新疆油田得到了具体应用, 实际运行结果表明: 该系统灵敏度高、 定位精度满足工程要求, 有广阔的应用前景. 2)通过对输油管道进行实时监测, 排除了长期影响管道安全运行的隐患, 打击了盗油犯罪分子的嚣张气焰, 避免了重大安全事故的发生, 减少了环境污染, 为油田生产的正常进行提供了技术保障.3)需要指出的是对于存在翻越点的管道, 由于在管道翻越处, 容易形成不满流, 或断流现象,会造
17、成负压波传输的中断, 负压波法泄漏检测不适用; 对于单段管道同时发生多处泄漏或者较短时间内连续发生多次泄漏的情况, 由于各次泄漏产生的负压波之间相互干扰, 容易造成定位不准或者误报警, 还需加强复杂泄漏工况下的泄漏检测技术研究; 由于负压波在沿管道传播过程中不断衰减, 因此, 建议在小于 50 km 的管段应用负压波法, 或在较长管段中间阀室增加测量点.参考文献:1刘恩斌. 现代管道泄漏检测技术探讨 J . 管道技术与设备, 2004( 5) : 17 19.2靳世久. 原油管道漏点定位技术J . 石油学报,1998, 19( 3) : 93 97.3刘恩斌. 输油管道泄漏检测系统研究 J . 石油工程建设, 2004, 30( 6) : 16 18.4StxA6 *PHANEM AL 信号处理的小波引导 M . 杨力华, 译. 北京: 机械工业出版社, 2002.5MALLAT S,ZHONG S. Characterization of signals fromMultiscale EdgesJ . IEEE Trans on PAMI, 1992, 14( 7) : 710 732.( 编辑张宏)782第 11 期刘恩斌,等: 应用负压波法检测输油管道的泄漏事故
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