输油管道泄漏监控报警定位系统的原理与应用-邹金光

汇报交流材料

北京昊科航科技有限责任公司2012年HKH管道泄漏监测报警定位系统北京昊科航科技有限责任公司2001年北京市高新技术产业开发公司《流体输送管道泄漏监测定位方法》国家发明奖2003年中关村十佳中小高新技术企业最具市场潜力奖2004年获得《中国专利技术国际交流推荐项目》2005年《HKH系列管道泄漏监测报警定位系统》获得中国国家版权局版权获得美国国家版权局版权2007年进入中国军队物资采购网

进入中国石油一级供应商网络2008年获得中国发明家优秀展示项目

中国民营企业软件金奖

2009年获得政府科技创新基金无偿资助国内外管道泄漏监测技术综述12北京昊科航公司业绩及案例3HKH管道泄漏监测系统的原理4HKH系统特点、技术指标北京昊科航科技有限责任公司一.国内外管道泄漏监测技术综述北京昊科航科技有限责任公司1.国内外管道泄漏监测技术现状问题的提出：

管道运输在经济建设中发挥着越来越重要的作用，它已成为现代社会不可缺少的组成部分。随着管线的增多，管龄的增长以及不可避免的老化腐蚀，超年限运行和其它自然或人为损坏等原因，管道事故频频，已经威胁到生命财产和生存环境，造成严重的资源浪费。因此，加强管道的维护管理，防止管道泄漏，保证管道的安全运行，已成为重要的研究课题并引起世界各国的高度重视。北京昊科航科技有限责任公司1.国内外管道泄漏监测技术现状

管道泄漏监测技术的分类：

1、基于沿管道布设传感器的硬件技术：A)直接观察法B)管道泄漏溶解法C)声波法D)光纤检漏法E)放射性示踪剂检漏物法

2、基于对流量、压力等数据采集与分析的软件技术：A)质量平衡法B)压力分布图法C)压力点分析法D)负压波法E)分段试压法F)实时模型法北京昊科航科技有限责任公司1.国内外管道泄漏监测技术现状国外应用现状：发达国家从70年代末已经开始对管道泄漏故障进行了研究，在80年代末进入较实用的商品阶段。目前输油管道实时监测技术已趋成熟。壳牌公司SHELL在九十年代中期提出了使用序列概率比试验SPRT方法进行泄漏定位（ATMOS）；美国DETEX公司近年开发出来监测流量的Series2000长输管道泄漏监控系统。北京昊科航科技有限责任公司1.国内外管道泄漏监测技术现状

管道泄漏检测技术的标准：

硬件技术：目前无统一参考标准软件技术：API1155（性能）API1130（方法）显然软件泄漏监测技术相对比较成熟。根据软件分析压力、流量数据识别泄漏方法的不同，API1130（2002）将软件泄漏检测技术分成8种

但无论采用那种技术，其性能考核方法都适合于API1155。

API1130表明，目前没有适合各种管道要求的技术，

要获得更好的技术可以采用多种技术并用的方式。北京昊科航科技有限责任公司2.国内应用技术类别国内应用现状：应用最多的是基于软件的泄漏监测技术，应用最多、人们最熟知的是负压力波法。涉及负压波法泄漏监测的国家级、省部级、院校级立项和研究成果有数十个。1992年：清华大学首先于国内第一个公开发表采用负压波方法进行泄漏监测和定位的文章，天津大学等高校研究所随后也开展了多方面的研究。

因负压波方法简单易懂，许多企业也都加入到这一行列，研究推广单位有数百个之多，以石油为基础的用户遍布全国各地，以至于到了提起管道泄漏监测，人们都知道负压波法，说到利用流量、压力分析泄漏人们就误认为都是负压波法的程度。

北京昊科航科技有限责任公司3.负压波法定位的简单原理

当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失，压力下降。这一下降压力波动（负压波）由管内流体同时向上下游传递，根据负压波传播到上下游的时间差和管内波的传播速度就可以计算出泄漏点的位置。北京昊科航科技有限责任公司4.管道泄漏监测报警系统的难点

管道的压力波动是由管道、管道附件、管网工艺、设备、电力、自控、人工操作、管道输送流体的物性、环境等多项因素综合产生的，这种波动时刻不停，而泄漏只不过是流量、压力波动因素中的一个极少见的个别因素，如果不能识别管道流量、压力波动的大部分原因，就识别不了真正的泄漏。如果误报警过多，监测报警系统肯定不能为用户所接受。识别管道流量、压力波动原因是非常困难的，这不仅涉及到很宽的知识领域，还有一个有限的检测数据导致的局限性问题，迄今为止，还没有发现一篇至少完全包括上述各因素在内的详细论述泄漏识别检测的文章。北京昊科航科技有限责任公司

管道泄漏监测报警定位系统需要解决的问题

一是识别泄漏二是泄漏定位

负压波法的贡献：提出了可以根据泄漏后水击波的现象报警定位，但是并没有解决好怎样由计算机识别泄漏和定位的具体问题，只好靠设定门槛值（阈值）人工识别报警。

北京昊科航科技有限责任公司5.HKH的技术特点

既然靠人工观察图形能够识别泄漏，那么，把人的思想变成计算机软件，就能够做到计算机的自动识别。

昊科航的贡献：计算机自动识别泄漏和定位。

定位计算：还是采用水击波法（负压力波），由计算机自动完成的，具有人工无法实现的精确性。

泄漏判断：管道泄漏后，必然伴随发生的现象：上游站流量上升、上游站压力、下游站压力、流量都下降的“一高三低”图像。根据管道输送的刚性理论，必然会出现这样的图形。北京昊科航科技有限责任公司北京昊科航科技有限责任公司二.HKH管道泄漏监测系统的原理北京昊科航科技有限责任公司1.

HKH泄漏监测系统工作原理根据管道系统的特征，将稳定流和瞬变流理论相结合，以能量平衡、质量平衡、流体动力学为主要理论分析基础，考虑到输送流体的性质（如粘性、可压缩性等），建立数学模型，以此为基础，结合实际管道特点建立基于模糊神经网络的管道泄漏检测模型，运用人工智能方法对管线的各种运行状态和故障信号进行详细的自动分析，区别管道正常调节状态和泄漏状态，提高了管道泄漏检测系统的准确性与可靠性。北京昊科航科技有限责任公司1.

HKH泄漏监测系统工作原理

泄漏识别和定位方法是一种类似于图形识别的技术。如图一中的a点，图二中的c点，是只有模糊神经网络才能识别出来的泄漏起点，而通过设定阈值识别报警的方法只能在压力下降到b点和d点时才能识别出来。可见，模糊识别的方法比其他检测方法具有识别速度更快、观察选点更精确、更及时的优点。北京昊科航科技有限责任公司

压力变化很明显，几乎各种方法都可以检测出的泄漏。但是，我们可以看到上游站的波动信息不一定都在下游站出现，这是因为声波传播的距离与频率是密切相关的，HKH系统首先提取管道的次声波信息进行分析。这样，尽管分析模型复杂，但分析泄漏的数据量并不是很大，结果是系统不仅能发现常规泄漏，还会发现一般人工难以发现的泄漏信息。2.泄漏监测趋势说明北京昊科航科技有限责任公司图二：自控系统振荡情况下的泄漏图形-----各种方法都很难识别出这里面的泄漏

管道运行中的动态数据是非常复杂的。实践表明，传统的水力学在宏观上解决问题是正确地，但是泄漏监测涉及的微观问题是现代水力学还没有能解决好的瞬变过程，实测数据表明，对于多泵站相连的管道，这种动态过程更复杂。这里的一张图片是现场数据的历史过程。已知的各种方法都很难识别出这里面的泄漏。北京昊科航科技有限责任公司3.泄漏监测趋势说明图二：自控系统振荡情况下的泄漏图形----为什么不适合人工设置报警值

这是一张3小时41分钟的图片,期间丢了一车油。我们看到流量从70到140之间变化，出站压力在0.25到0.8之间变化，如果采用人工设置报警值，不管是哪种方法，都发现不了泄漏，只能是不泄漏时不断的报警。北京昊科航科技有限责任公司4.泄漏监测趋势说明图二：自控系统振荡情况下的泄漏图形----采取阈值跟踪也会失败

为了解决这个问题，我们曾经采用了阈值跟踪技术，报警只是设置一个变化多少的数值，比如说流量1％报警吧，这就是设定值。这一思想集中体现在我们的专利说明书上，后来业内的人基本上都采用这种方法，我们暂时不讨论侵权的问题，我们只是想说明，所谓的跟踪其实就是一段已经过去数据的滞后值，这和在此之前的负压波相比是个很大的进步，但是它还是只能适合平稳输油时较大的突然泄漏，图中数据表明，什么阈值在这种情况下都会失败。北京昊科航科技有限责任公司5.泄漏监测趋势图说明图二：自控系统振荡情况下的泄漏图形----这是我们的原创性发明专利

现在，我们把泄漏识别的过程展示出来，蓝色无量纲曲线是HKH系统后台实时分析输出的计算结果，可以十分清晰地看到泄漏事件发生的整个过程。这就是我们创造的人工全智能、全自动管道泄漏监测技术（傻瓜管理软件），人机界面外表看起来和别人的差别不大，但是内涵差别是不可想象的。北京昊科航科技有限责任公司6.泄漏监测趋势图说明7.管道发生泄漏后报警界面系统正常运行时，显示管线两端的运行数据，使人一目了然。发生泄漏时，系统不仅发出声光报警信号，同时精确的显示出泄漏位置的里程数、大地经纬度坐标、泄漏速度、累计泄漏量和泄漏持续时间等参数。北京昊科航科技有限责任公司三.HKH系统特点、技术指标与应用预期北京昊科航科技有限责任公司1.HKH系统特点与技术指标1、采用理论基础不同2、复合的计算方式3、不设任何人工预设的门槛值(报警值)4、基于模糊神经网络的人工全智能技术5、在线建模量身定做系统6、自动识别管道各种操作环境7、真正的全自动运行（傻瓜管理系统）8、具有业内领先的瞬时流量灵敏度9、拥有专利的误差测量和消除技术10、安装调试简单、不影响正常输油北京昊科航科技有限责任公司HKH系统特点2.HKH泄漏监测系统主要技术指标注：此技术指标为单段、单介质标准工况时的数据！北京昊科航科技有限责任公司系统误报率≦5次/年系统漏报率正常运行无漏报泄漏监测灵敏度≧瞬时流量的0.5％系统自动定位精度≦±150米特别要求时，小信号分辨力

0.00005%

系统报警响应时间0.3-3分钟技术指标HKHV3.0版权软件3.

泄漏监测系统与其他系统的区别

HKH系统其他系统1.是计算机全自动识别泄漏的监测系统；1.是靠人识别泄漏能力的监测系统系统；2.是计算机自动识别泄漏位置的系统；2.是靠人工识别拐点定位的系统；3.考核依据是国际认可的API标准；3.自行解释的企业标准；4.误报率是以泄漏与否作为唯一标准；4.是人为解释标准：5.可以和世界上任何先进的监测系统相比较；5.按国际标准衡量，这样的系统还不能被认为是泄漏监测系统，无法比较；6.系统的灵敏度是泄漏信号变化的数值，与人的因素无关，不需要人工设置；6.灵敏度是靠人工设置报警界限值实现的，如果管道压力波动大，设小了就会不断的报警，所以灵敏度低；从下表可以看出：由于不遵循同一个标准，两种监测系统的技术指标是不能互相比较的！

北京昊科航科技有限责任公司4.HKH系统的适用范围HKH系统是一套全自动实时管道监测系统网络，最小的网络可以由一段只有一对进出口的管道组成，多则无限。只要网络能够不间断地采集到管道每一个端口和必要节点的流量、压力等数据，系统就能及时准确的发现管道的泄漏，精确判定泄漏位置及泄漏量，完整地记录泄漏过程，无需人为设置参数，完全实现了全智能监测。HKH系统适用于各种流体输送管道，诸如长距离输送成品油管道、原油管道、气体介质管道、油田外输管道、油田集输管道、多相流混和输送管道等。不但适用于流量和压力较平稳的环境，流量和压力波动较大的环境同样适用，并且能满足特殊山区输油管道的泄漏监测。北京昊科航科技有限责任公司5.HKH系统的技术优势HKH管道泄漏监测系统是一种采用核心算法和关键技术量身定做的监测系统。因为管道工作过程千差万别，没有一个固定不变的模型可以套用。这种技术不是让所有不同工况的管道去适应一种固定的泄漏监测程序，而是让监测系统去首先了解不同管道的特征，让监测系统去适应要识别的每一条具体的管道。这一特点决定了每一条管道最终都会有一套最适应其工艺特点的泄漏监测系统，真正做到全自动监测，不需人为识别操作，做到没有漏报警，极少的误报警，这也是HKH系统能够适应各种管道泄漏监测的原因。北京昊科航科技有限责任公司6.

在实际应用中的预期效果

极少误报警

识别能力强

定位效果好

响应时间早HKH管道泄漏监测系统的基本特征是：管道发生泄漏才报警。这一条对各种流体输送管道都适用。HKH系统指标的误报率和漏报率是长期运行的统计值，不是解释值，因此，所谓误报警和漏报警一般是以“次/月”或“次/年”来衡量的，如果说有时一般常规监测系统一天误报警次数等于HKH监测系统数年误报警次数的总和，这话简直难以让人相信，但它符合事实。HKH系统是全自动管道泄漏监测报警定位系统，无须靠人工识别拐点定位，给出的定位数据是全自动定位的数据。在标准工况条件下，单段、单介质管道报警定位精度准确，在油、气、水混输的情况下报警定位精度也十分理想！HKH系统能够发现常规技术发现不了的泄漏信息，可谓明察秋毫。系统在原油、混输、成品油、天然气等管道应用上，灵敏度在可检测的仪表量程信号0.5％以上都能够及时报警。在目前已知采用流量、压力等数据判别管道泄漏的各种方法中，还没有哪一种能适应这么复杂的情况，具有如此优越的识别性能。HKH系统报警响应时间非常早，由于采用电脑程序全自动实时计算运行监测，在此过程中，一旦发现泄漏信号，系统迅速反应报警，在正常工况条件下，最短的反应时间为0.3分钟，最长反应时间为3分钟。北京昊科航科技有限责任公司7.HKH泄漏监测系统组成

本系统非常适合在SCADA环境下应用，不需要另安装任何硬件就会与任意SCADA系统完美的结合，用在没有SCADA系统环境时，可在需要的站安装机柜、工控机、UPS电源、数据采集、信号处理、有线或无线网络通讯等设备，分别采集流量、压力信号，通过局域网和冗余通讯设备交换信息，由HKHVer3.1系统软件（核心为美国版权软件）或HKHVer3.0系统软件（纯国产软件）对管道运行进行监视，一旦发生泄漏，就进行报警。根据用户需求，如果泄漏量大，就马上启动阻止泄漏程序，通过手持终端自动通知相关人员泄漏状况。还可为公司、厂相关部门提供即时输油数据和报表。北京昊科航科技有限责任公司8.泄漏监测系统组成示意图北京昊科航科技有限责任公司9.

HKH系统与SCADA之间的关系北京昊科航科技有限责任公司本系统在管道上实施通过第三方软件OPC协议与SCADA共用PLC终端数据，互不干扰。分别采集压力、流量（IP）信号，通过局域网和冗余通讯设备交换信息，由HKHv3.0系统软件对管道运行进行监视，一旦发生泄漏，就进行报警。

HKH系统SCADA系统PLC主管道OPC协议四.北京昊科航公司业绩及案例北京昊科航科技有限责任公司北京昊科航科技有限责任公司HKH系统国内部分应用分布图1.

HKH系统业绩表序号用户单位安装地点年份初装软件版本1大庆油田第九采油厂新一联——新肇联（中间有加热站）20001.02长庆油田输油公司华池——曲子20011.03长春输油公司农安——长春20011.04胜利油田大明公司济北联合站——四净站20022.05胜利油田孤岛采油厂肯利联——孤五联20022.06抚顺石化储运厂抚顺——鲅鱼圈顺序输送成品油管道20032.07胜利油田胜利采油厂济北联合站——四净站20032.08胜利油田东辛采油厂辛三站——计量队20042.09新捷股份703站——王家沟共五个站加一个调度中心，顺序输送成品油管道20043.010胜利油田东辛采油厂102站联合站——计量队20043.011同上辛三站联合站——计量队20053.012胜利油田纯梁采油厂正理庄联合站——樊家站（管网）20053.013同上樊家站——小营联合站（油气水混输管道、管网）20053.0北京昊科航科技有限责任公司14大庆油田第四采油厂杏六联合站——杏一联合站（管网）20053.015同上杏一联合站——杏十二联合站（管网）20053.016大庆油田第九采油厂敖南联合站——敖宝塔联合站20063.017抚顺石化储运厂抚顺——鞍山——营口顺序输送成品油管道20063.018兰成渝输油分公司绵阳——成都共四个站加一个调度中心（成品油顺序输送）20063.019中石油大港石化南疆油库——千米桥，汽油、柴油各一条线20063.020大庆油田采油九厂新一联——新肇联（中间有加热站）20063.021宁夏销售公司炼油厂到加油站油库汽油、柴油各一条线20073.022长庆坪北经理部P73到坪桥交油站过山有半空管道20072.0523大庆采油四厂新区14条含水油集输管道20072.0324大庆采油八厂工艺所15条原油管线20083.025鲁宁输油管线鲁宁输油管理处，邹城----宁阳段20083.026抚顺石油二厂中转站石油二厂厂内——中转站3条成品油和1条原油管线泄漏监测系统20083.027大庆采油六厂喇560－喇II联合站（阀组间）、喇II-1联合站－喇II联合站（阀组间）、喇II联～喇I联（阀组间）20093.027大庆采油十一厂徐六联合站～树127联合站、树127联合站～榆二联合站20093.028中国兵器华锦集团仙人岛——华锦炼厂原油管道、华锦炼厂——仙人岛柴油管道（300km）20093.029中石化北京分公司北京环城汽柴油顺序输送管道、航煤管道20093.02.HKH系统业绩表北京昊科航科技有限责任公司3.

HKH系统业绩表30辽河兴隆台采油厂于楼——兴二联合站兴二联——兴一转20103.031辽河高升采油厂高一联合站——高二联20103.032辽河茨榆坨采油厂牛一联合站——龙一联合站20103.033抚顺石油二厂油品车间油品车间——河西五万立罐区——油品车间原油管道20103.034中石油哈萨克斯坦项目玛依布拉克、克孜勒基亚、阿雷斯古姆转运车间、阿雷斯古姆中转站，共4个泵站3条管道连成的管网，南部2条原油管道20103.035辽河油田金马股份公司洼一联——坨子里20113.036中石油大庆炼化分公司龙凤油库——炼化公司：乙苯、丙烯管线20113.037华北油田采油五厂晋95站——荆二联原油管道深一联——榆科——楚一联原油管道20113.038胜利油田孤岛采油厂首站——孤六联原油管道20113.039中石化安徽分公司安阳——合肥成品油管道20113.040新疆吐哈油田玉东联合站——红连油库原油管道20113.041新疆吐哈油田红连油库——鄯善原油管道20113.042中石油大港石化炼油厂——千米桥油库3条成品油管道20123.043辽河油田兴隆台采油厂兴五转——兴二联原油管道20123.044辽河油田金马股份公司洼一联——兴二联20123.0注：表中绿色区域为成品油或化工物料管道北京昊科航科技有限责任公司4.海底原油管道泄漏监测管道长度13.1km，其中海底管道长度12.7km，陆地管线长度0.4km（在青兰山中转油库南侧）。沿路水深变化0～38.5米。管线两端高差约为7米，设计压力为1.5Mpa管道规格为ø711×17.5mm，管材为APIX60。设计输送量2400m³/h,输送的油品为沙特轻质油和中质油，凝固点分别是-37℃和-7℃。由于该段管线全程处于港口的海底区域，一旦发生泄漏，后果不堪设想，经过严格的测试及试运行，系统工作平稳，福建炼化公司对此表示十分满意！海底原油管线走向示意图5.我国第一条长输成品油管道

从抚顺──营口管线全长246.4km，采用中间越站－泵输油到末站的输油生产工艺，共分两段：从抚顺首站到中间站为129.1km，管线为ф355×7；另一段为117.3km，为ф377×7管线。

我们根据该管线的特点研究制订了一套与之相适应的方案并投入实施，实际数据显示，在输油量为486m3/小时的条件下，在191km分输油站以每小时2m3的速度放油，系统识别和定位都收到了非常理想的效果，这是靠肉眼观察记录曲线图是无法做到的。

北京昊科航科技有限责任公司北京昊科航科技有限责任公司抚顺石化储运公司抚顺石油二厂6.我国第一条长输成品油管道7.正反输、间歇输送工艺的成品油管线

大港石化公司的千米桥油库～南疆码头管线，全长42公里，其中一条输汽油、一条输柴油。由于盗油猖獗，2005年，曾安装了一家泄漏监测系统。由于真泄漏不报警，不泄漏乱报警，无奈下2006年底重新选择安装了HKH管道泄漏监测系统3.0版，至今已经3年，历经数百次的启停泵、管道油品汽化、卸压、充装等操作，累计发生6次泄漏报警，有5次被核实为泄漏，最小的泄漏为每小时19升！定位误差小于200米，没有出现过漏报警。成功到抓获盗油分子的车辆和工具，为大港石化公司减少了损失；得到了用户的一致好评。北京昊科航科技有限责任公司北京昊科航科技有限责任公司大港石化8.正反输、间歇输送工艺的成品油管线9.山区管道监测案例

P73联合站—坪桥交油站输油管线于2000年投产运行，管线规格为ø114外径×4.5mm壁厚×全长10350m加强沥青防腐管线，埋地弹性敷设，途经偏僻山区，为低含水油输送管线。目前，该管线输送量为24m3／h，P73联合站出站压力0.8MPa，坪桥交油站进站压力0.2MPa。管道地处山区，P73联合站站内海拔为1454.08m，出站1633.66