基于负压波和流量平衡醮管道泄漏监测系统研究.pdf
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1、基于负压波和流量平衡的 管道泄漏监测系统研究 李新建邓雄 ( 西南石油大学 石油工程学院四川 成都 6 1 0 5 0 0) 【 摘 要】输油管道大量应用于现代社会中, 但是由于自然因素和人为因素 管道泄漏事故时有发生, 造成严重后果,因此建立管道泄漏监测系统意义重 大 本文介绍 了管道泄漏监测的原理 ,设计 了负压波 一流量平衡 法监测 系 统 ,可以同时监 测压 力和流量,对于由泄漏所 引起 的负压波和流量 变化进 行综合判 断,解决了单独使用 负压波检测技 术时误报 率高、无法实时监测 管道和缓慢渗漏的问题 ,采用 了一些新技 术,提 高 了输油管线发 生泄漏时 报警和定位的精确性 在油
2、田的实验结果表明,该系统稳定可靠 【 关键词 】 泄漏监 测 系统 ,负压波 ,流量平衡 ,小波变换 1 泄漏监测与定位的研究意义 自 1 8 7 9年世 界上 首条输 油管 道 建 成 以来 ,经过 一 百 多 年 的发 展 ,管道运输 已经 发展成 为公路 、 铁路 、空运 、海运之外 的第五大运 输体系。管道运输具有成本低 、供 给稳定 、节能 、安全 等优点 ,广泛 应用于流体的输送。但是 ,随着管 龄的增长,由于腐蚀 、磨损等 自然 因素 ,管道泄漏事故 时有发生 ,据 统计 1 9 8 6年以前修建的输油管线 平均穿孑 L 率为 0 6 6 次 f 公里年) ,另 李新建 ( 1
3、9 8 6 一) 河南新蔡人,主要从事输油管道的泄漏检测和降 低油品蒸发损耗等油气储运方面的学习与研究。 3。I 石 油 和 化 工 设 釜 o0。 一方 面 ,近年 来 不 法分 子 在输 油 管道 上打孔 盗油行 为也 日益频 繁 。 输油管道泄漏不仅影响 了管道的 正 常运 行 ,而且 还威 胁 到 人们 的 生 命财 产 安全 ,流 失 油 品会造 成 巨大的经济损失 。还会造成环境 污 染 。如 何能 够 实 时地 监 测 管道 泄漏事故 ,并尽快定位 泄漏点 ,对 降 低油 品 损失 和环境 污 染 、预 防 重 大事 故 的发 生 ,具 有重 要 的现 实 意 义 2 泄漏检测和
4、定位的原理 2 1负压波法泄漏检测 技术和定位 原理 管 道 发生 泄 漏 时 ,泄 漏 点 因 流体介质损失而引起的局部液体 密度减小,导致瞬间压力降低,作 为压力波源通过流体介质向泄漏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m点的上 、下游传播 ,相当于在泄漏 点处 产 生 了 以一 定 波速 传播 的负 压力波 ,在水 力学j 一 成 为负压波 , 又称 为减压 波 。 当负压波传播到管道端点时, 引 起上 游 站 出站 压 力 和下 游站 进 站 压力 降 低 ,可 以通 过设 置 在管 道两端 的动态压力传感器 p 、p , 捕 捉到负压波。泄漏点的不同时,负
5、压 波到 达 管 道两 端 的 时 间差 也不 同。根据时间差 、管道长度 、负压 波 传播 速 度 ,可 以进 行 泄漏 点 的 定 位 。 如 图 1 所 示 ,被 监 测管 道 长 度为 L ,管内流体的流速为V,负 压 波的波 速为,泄漏点 在距上 游 泵站 x的地方 ,负压波 到达管道首 站的时间为t ,到达管道末站的时 间为 t 。设 A, = , , 一, 即 : x l 。 一x A t c -V (1) c + 、 整理 可得 : 一 ) 十 f(c )】 上式J f J 一 般在 1 2 0 0 m s 左右, V在 1 3 m l 之间 ,因此可 以忽略 v 。 因此上式
6、 又可化 简 为 : = + c f ) ( 2 ) 式 中 x一 泄漏 点到 上游站 的 距离 ,m; L一监测管道的总长度 ,ln ; c 一 负压波在管输 流体 中的传 播速度 ,m s ; , 一上下游压力传感器接收 到负压波的时间差 ,s : 2 2 流量平衡法判断泄漏的原理 负压波法监测管道具有响应 速度快和定位精度高的特点 ,但 L I X 一 一_ 卜 , 游 =l_ - 一 游 1 只 潮 B I 站 容 易对管道本身的T况的变化误 报 警 , 比如 开关 阀 门 引起 的 负压 波 就可 能 触 发报 警 ,另 外 负压 波 只能 反映 出管道发 生泄漏 的过程 不 能持
7、续 反 映泄 漏 的状 态 ,对 于 缓慢 的微渗漏 ,用负压波法也很 难检测与定位 。为了克服这些缺 点 ,可以同时引人流量平衡法 ,辅 助 负 压波 法 对管 道 的运 行 状 况进 行 监测 ,这 样 就可 以很好 地 解 决 单 独使 用 负 压波 监 测技 术 时 误报 率 高 、无 法实 时监 测管 道 运 行情 况 的 问题 ,并 在一 定程 度 上 解 决 缓慢渗 漏无 法监测 的 问题 。 在被测管道上 、下游 站安装 流量计获得它 们的流量 ,当管道 正常运行时 ,上 、下游站流量的流 量差会维持在某一定值附近,当管 道发生泄漏时 ,上游站的流量会上 升,下游站的流量会下降
8、,流量差 会明显变大 。根据这个原理 ,可 以 设置一个阈值,超过这个阈值,即 可判断管道发生了泄漏事故。 3 监测 系统关键技术分析 3 1负压波在液相 中波 速的确 定 负压波瞬 时传播速度是管 内 流体粘度、密度、管道管径 、弹性 模量的函数。负压波波速 的求取 公 式 )= 豁 ( + 口) (3 ) 式 中k ( t ) 一 液体体积 弹性 系 数 ,P a ; p ( t ) 一液体密度,K g m ; D管径 ,m; E一 管材的弹性模 量 ,P a ; e 管壁厚度 ,m; a一修正系数; 其中,D、 E、e 、 a 均可以通过 实验或者经验数据得到 ,但 k和 p 是 流体
9、温 度 的 函数 ,必须 考 虑 温 度对 负 压 波波 速 的 影 响 ,所 以采 集压 力 的同 时还 要 采集 管 流 的温 度 ,对负压波 波速进 行温度修 正 。 下面具体讨论 k 、p和a 的求法1 1 : ( 1 )液体的弹性系数 k表征了 液体受到外界变化而引起液体体 积改变 的特性 ,它在数值上等于 压缩 系数 F的倒 数 。压缩 系数 的计 算公式 为 : ” =0 5 1 9 9 2 +0 0 0 2 3 6 6 2 t + + ( 4) 其中 F一 压缩 系数 ,P a 一 1 ; p 一标准密度 ,K g m ; t 一液体温度 , ; 再得 出 k = l F (
10、2 )油 品密度 p受温度影 响较 大 ,它与温度 的关系式为: P t )=P 2 o 一a - 2 o ) 5、 其 中 P , , t c c 时油 品的密 度 ,K z m ; , 一油品 在 2 0 下 的密度 , K #m ; 2 。 o 9 川 ,石油神化工设备i 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m一油 品 的 体 积 嘭 帐 系 数 , Kg ( m o C ) , ( 3 )修正 系数 a 与管道 的约束 情 况 有关 ,在管 道 上 下游 都 有 站 场 的情况下 : =l 一 ( 6) 其 中 为管材 的泊 松系数 。 3 2 负压波在气液
11、两相流 中波速的 确定 油 品在 管输 过程 中 ,常 夹带 有 气 体 ,体积 弹 性模 量 和密 度 均 会发 生 变 化 ,其 变 化程 度 与气 体 的含 量 和 所 受 的压 力 有 关 ,I S P e a r s a l l 推 导出了气 、液两相流 中 的波速公 式 : V k E e ( 7) 式中 m一单位体积内气体质 量 ,K g m ; M一气体摩尔质量,K e , K m o l ; T一流体的热力学温度,K; R一摩尔常数 ,K J ( K K m o 1 ) ; P一 液体的绝 对压力 ,P a ; 32 J 石 油 和 化 工 设 置 o0。埘 3 3 负压 波
12、传 到上 下游站时间差的 确 定 泄 漏定 位 的关 键 就是 求 出时 间差 。求 相 对 时间 需 要选 择 一 个 共 同 的时 间 基准 ,但 是 上下 游 站 计算 机 存 在 不确 定 的 基准 差 ,很 难直接计算时间差,可以使用 G P S ( 全 球定位 系统) 的原子钟 时间解决 该 问题 。 为 了精 确 获 得 泄 漏 引 发 的压 力波传播到上下游传感器 的时间 差 ,需 要 准 确地 捕 捉 到 泄漏 负 压 波 信号 的拐 点 。 由于 现 场存 在 电 磁 干扰 、输 油 泵 的振 动 和加 热 炉 等因素的影响 ,实际采集到的负 压波信号附着大量的噪声 ,可以
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- 关 键 词:
- 基于 负压波 流量 平衡 管道 泄漏 监测 系统 研究
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