油氣長輸管道泄漏檢測技術綜述

油氣長輸管道泄漏檢測技術綜述

1建立監(jiān)測系統(tǒng)的必要性由于管道在液體、氣體、漿體等介質上具有獨特的優(yōu)勢，因此已成為鐵路、公路、自來水、航空和航空之后的第一個交通工具。然而,管道隨著服役時間的增長而逐漸老化,或受到各種介質的腐蝕以及人為等破壞因素,使管道泄漏。比如鎮(zhèn)海-蕭山成品油長輸管線遭人為破壞,導致大量成品油泄漏,不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失,更為重要的是污染了環(huán)境,同時也帶來了安全問題。因此建立管道的監(jiān)測系統(tǒng),及時發(fā)現(xiàn)并確定發(fā)生泄漏的位置,將可以最大限度地減少經(jīng)濟損失和資源浪費,盡可能地避免環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生。鑒于此,對鎮(zhèn)海-漕涇石腦油長輸管道增設了管道泄漏檢測與定位自動監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))。2管線及管道設計鎮(zhèn)海-漕涇石腦油長輸管道主要負責鎮(zhèn)海煉化向上海賽科石化公司供應合格石腦油產(chǎn)品,管線全長130km,設計的年輸量為100萬噸/年(200m3/h),設計壓力:鎮(zhèn)海-白沙灣段管線6.4MPa、白沙灣-漕涇末站段管線2.5MPa,設計溫度為40℃,輸送介質是石腦油,如表1。該長輸線系統(tǒng)配套安裝了首、末站貿易級的質量流量計,遠控長輸泵及閥門,遠傳的管線壓力、流量、溫度等儀控設施,基于軟件分析的泄漏檢測系統(tǒng)和聯(lián)鎖控制系統(tǒng),確保長輸線安全平穩(wěn)運行。該長輸管道至2005年投用至今,已經(jīng)運行7年多時間,未出現(xiàn)重大安全事故,系統(tǒng)運行比較平穩(wěn),每年的撿漏系統(tǒng)測試正常。3相關的泄漏檢測方法由于管道泄漏檢測的多樣性和復雜性,目前國內外的檢測技術眾多,如:探測球法、撿漏電纜法、撿漏光纖法、GPS時間標簽法、聲發(fā)射技術法、負壓波及應力波檢測法、地面甸接檢測法(熱紅外成像、探地雷達、氣體成像)等等,可以說是五花八門。但是,目前企業(yè)應用比較多且技術成熟的管道泄漏檢測方法主要有:基于人工巡檢,超聲、磁通、攝像等技術的管內檢漏,電纜或光纖檢漏,軟件的撿漏等等方法。鎮(zhèn)海-漕涇石腦油長輸管道正是基于軟件的撿漏方法,通過SCADA控制系統(tǒng)實時采集與處理管道的壓力、流量、溫度等運行參數(shù),并對數(shù)據(jù)進行分析,以此來檢測泄漏并定位。它能實現(xiàn)在線監(jiān)測,是目前管道泄漏檢測和定位主要方向之一。4鎮(zhèn)海曹井長輸線泄漏檢測系統(tǒng)的應用4.1神經(jīng)網(wǎng)絡模型SCADA的系統(tǒng)泄露檢測,主要包括:負壓波、體積質量平衡法、壓力點分析法(PPA)、統(tǒng)計檢漏法、壓力梯度法、小波變換法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡和模式識別的方法、穩(wěn)態(tài)模型法、瞬態(tài)模型法。鎮(zhèn)海-漕涇長輸管線泄露檢測主要應用了上述的負壓波、體積質量平衡和壓力點分析等幾種方法相結合檢測手段。4.1.1泄漏時產(chǎn)生負壓波,是一個壓力傳感器檢測法當輸送管道發(fā)生泄漏時,以泄漏處為界,視輸送管道為上、下游兩段管道,由于輸送管道內外壓差的存在,使得泄漏處的液體迅速流失,壓力突降。當以泄漏前的壓力作為參考標準時,泄漏時產(chǎn)生的減壓波就稱為負壓波。該負壓波將以一定的速度向管道兩端傳播,經(jīng)過若干時間后分別被上、下游的壓力傳感器檢測到,根據(jù)檢測到的負壓力波的波形特征,就可以判斷是否發(fā)生了泄漏。再根據(jù)負壓力波傳到上、下游傳感器的時間差和負壓力波的傳播速度就可以進行泄漏點的定位。(1)微膠凝劑的性能式中,α為負壓波波速,m/s;K為液體體積彈性系數(shù),Pa;ρ為液體密度,Kg/m3;E為管材彈性模量,Pa;D為管徑,m;e為管壁壁厚,m;Ci為與管道約束條件有關的修正系數(shù)。(2)負壓波時間差式中,α為負壓波波速,m/s;L為管道長度,m;Δt為上下游傳感器接受到負壓波時間差,s;X為泄露點具上游傳感器距離,m。(注:若管道中流體速度v較大,則波在上下游傳播過程中,要考慮流體流速v)4.1.2泄漏的判定當輸送管道發(fā)生泄漏時,漏點前面流量變大,漏點后面流量減小。則可根據(jù)質量流量計系統(tǒng)實時采集到的流量變化趨勢來判斷是否有發(fā)生泄漏的可能。正常工況下,首末站流量差值的絕對值的最大值稱為流量閥值。ε=max|△Q(t)|,△Q(t)為為首末站流量差值。當實測管道的首末站流量差值大于流量閥值時,管道即有可能發(fā)生泄漏。但流量差值確定過程中受雜波、工況參數(shù)變化等因素影響較多,故在實測過程中盡可能的要濾除這些干擾因素。4.1.3泄漏原因分析當管道在正常運行時,其狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài),壓力、流速、密度變化也是連續(xù)的;一旦發(fā)生泄漏,流體原有穩(wěn)態(tài)破壞,同時上下游各點流體流態(tài)建立新的穩(wěn)態(tài)。此時,管道上下游各壓力檢測點提取壓力變化曲線,通過分析比較,可以判斷是否泄漏。泄漏引起的壓力降ΔP計算公式為:式中,ΔP為泄漏引起壓力變化;ρ為液體密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;α為負壓波波速,m/s;V為正常輸油時液體的流速,m/s;V1為泄漏突然改變后的液體流速,m/s。4.2壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)已具備的功能基鎮(zhèn)海-漕涇石腦油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng),如圖1,是CITECT公司研發(fā)的“CITECT”工控軟件,基于WINDOWS操作系統(tǒng),該軟件操作簡易、功能完善,主要通過管道全線四個數(shù)據(jù)采集點(采用GPS進行同步采集數(shù)據(jù))的參數(shù)(壓力、流量、溫度)對系統(tǒng)進行監(jiān)測,并且進行參數(shù)趨勢分析、報警管理、報表打印。系統(tǒng)有鎮(zhèn)海首站(壓力、流量、溫度)、杭州灣南岸閥室(壓力)、白沙灣閥室(壓力)、賽科末站(壓力、流量、溫度)等參數(shù)。調度中心設在鎮(zhèn)海首站,各站IP地址如圖1所示。4.2.1泄漏檢測系統(tǒng)的類型(1)壓力異常報警(2)流量輸差異常報警(3)泄漏報警4.2.2滿足壓力異常報警的條件系統(tǒng)通過根據(jù)實時采集的壓力數(shù)據(jù)進行邏輯判斷,當壓力下降值滿足設定條件時,產(chǎn)生壓力異常報警。對于鎮(zhèn)海首站的壓力異常報警,不僅需要滿足壓力下降的條件,而且還要滿足鎮(zhèn)海首站流量上升的條件;對于賽科末站的壓力異常報警,需要在滿足壓力下降的同時滿足流量下降的條件;對于杭州灣南岸閥室壓力異常報警和白沙灣閥室壓力異常報警只需要滿足壓力下降的條件。4.2.3首站和賽科末站的流量差異即系統(tǒng)通過實時采集到的流量變化趨勢,通過鎮(zhèn)海首站和賽科末站的流量變化情況,用首站流量與末站流量的瞬時流量差與設定值進行比較,當瞬時流量差超過設定參數(shù)時,即產(chǎn)生流量輸差異常報警。4.2.4壓力波速及壓力報警當首末站的瞬時流量差達到一定的設定值(即產(chǎn)生流量輸差異常報警,上游流量升高,下游流量下降),同時首末站或分段管段的壓力發(fā)生下降值達到一定設定值,并報警持續(xù)一定時間,則產(chǎn)生泄漏報警。圖2為系統(tǒng)的默認報警參數(shù)設定。壓力波速為負壓波在石腦油管道中的傳播速度,結合實時模型校正壓力傳播速度;流量差報警值即為產(chǎn)生流量輸差異常的報警條件,該差值取首末站的流量計差值;壓力報警(選中則當有壓力報警時產(chǎn)生壓力報警信息,如果不選中則屏蔽壓力報警信息);流量報警(選中則當流量變化情況下,流量輸差異常報警、泄漏報警有效,反之,則無效)。4.2.5實驗裝置的設計該長輸線在2005年投入正常使用后,我們按照實施方案建立了泄漏檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信,并通過搜集實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進行精細調整;同時,我們在2006年年初進行一次現(xiàn)場模擬泄漏實驗,通過實驗獲取的實際數(shù)據(jù),進一步調整和優(yōu)化檢漏系統(tǒng)的各項性能指標、泄漏檢測系統(tǒng)的重復性和精度,以及實際管道距離與現(xiàn)場里程樁的校正,使系統(tǒng)能夠運行至最佳工況。實驗主要安排在杭州灣下海點閥室,通過管道中間某點進行現(xiàn)場放油,模擬管道泄漏情況。通過模擬不同流量2m3/h、4m3/h、6m3/h下的放油泄漏實驗,實驗證明該泄漏檢測系統(tǒng)能滿足技術協(xié)議要求的檢漏定位誤差1km(但需要修正管道參數(shù),使系統(tǒng)運行符合實際工況),最小檢測泄漏量1%管道流量。同時,我們對系統(tǒng)的報警設置進行重新設置,流量差報警值設置為2m3/h,使之運行在最佳工況下。4.2.6不同工藝變化系統(tǒng)的觸發(fā)點影響(1)啟泵之前,啟泵初始開閥導致啟泵前當首站啟泵的情況下,由于首站的壓力和流量都是上升的,壓力波傳到下游各點的變化趨勢也是上升的趨勢,所以理論上沒有報警信息,但是由于啟泵之前末站首先要開閥,末站的開閥導致整條管線的壓力下降,此時應該有中間兩個閥室的壓力異常報警。如果在啟泵的過程中有調整排量(降低排量),也會產(chǎn)生報警信息。(2)壓力異常報警當首站停泵的情況下,首站壓力流量同時都是下降的,所以沒有壓力異常報警信息,而對于中間兩個閥室的壓力都是下降的,所以產(chǎn)生壓力異常報警信息,對于漕涇末站壓力、流量都是下降的,所以也產(chǎn)生漕涇壓力異常報警。(3)壓力異常報警在末站倒罐的情況下,有高罐位倒到低罐位,末站壓力下降,流量增大,導致整條管線壓力趨勢下降,所以產(chǎn)生中間兩個閥室的壓力異常報警,同時首站的壓力下降、首站的流量升高,所以可能產(chǎn)生鎮(zhèn)海首站壓力異常報警。(4)第一個是倒罐在首站倒罐的情況下,可能由于油品密度的的不同影響流量變化的大小,從而引起管線運行的不穩(wěn)定。(5)提高第一次流量在首站提高排量的情況下,首站的壓力、流量都是升高的,所以整條管線的壓力趨勢、流量趨勢都是上升的,不產(chǎn)生報警信息。(6)壓力異常報警在首站降低排量的情況下,首站的壓力、流量都是降低的,所以首站沒有報警信息,而兩個閥室的壓力也是下降的,產(chǎn)生壓力異常報警,對于漕涇末站,由于首站的壓力、流量下降,引起末站的壓力、流量都是下降的,如果下降幅度大于設定值,則應該產(chǎn)生壓力異常報警。(7)檢測中心壓力異常報警以在鎮(zhèn)海-杭州灣段管道發(fā)生泄漏為例,如果該點靠近杭州灣閥室,則首先產(chǎn)生杭州灣壓力異常報警,然后負壓波沿管線向兩端傳輸,到達金山閥室后產(chǎn)生金山閥室壓力異常報警,到達首站后首站壓力下降、流量上升,產(chǎn)生鎮(zhèn)海壓力異常報警;到達漕涇末站后,壓力、流量都是下降的,產(chǎn)生漕涇壓力異常報警。當負壓波傳輸?shù)氖啄┱竞?引起首末站流量的變化(首站流量升、末站流量降),此時流量輸差較大(產(chǎn)生流量輸差異常報警)且首站壓力降,故產(chǎn)生泄漏報警信息。5泄漏檢測系統(tǒng)運行分析鎮(zhèn)海-漕涇石腦油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)還是存在一些問題,比如容易產(chǎn)生誤報警且較難分辨是介質工藝變化還是泄漏引起的報警、通訊故障較多、系統(tǒng)維護成本較高等;同時,該