油气长输管道泄漏检测技术综述

油气长输管道泄漏检测技术综述

1建立监测系统的必要性由于管道在液体、气体、浆体等介质上具有独特的优势，因此已成为铁路、公路、自来水、航空和航空之后的第一个交通工具。然而,管道随着服役时间的增长而逐渐老化,或受到各种介质的腐蚀以及人为等破坏因素,使管道泄漏。比如镇海-萧山成品油长输管线遭人为破坏,导致大量成品油泄漏,不仅造成了巨大的经济损失,更为重要的是污染了环境,同时也带来了安全问题。因此建立管道的监测系统,及时发现并确定发生泄漏的位置,将可以最大限度地减少经济损失和资源浪费,尽可能地避免环境污染和安全事故的发生。鉴于此,对镇海-漕泾石脑油长输管道增设了管道泄漏检测与定位自动监控系统(SCADA系统)。2管线及管道设计镇海-漕泾石脑油长输管道主要负责镇海炼化向上海赛科石化公司供应合格石脑油产品,管线全长130km,设计的年输量为100万吨/年(200m3/h),设计压力:镇海-白沙湾段管线6.4MPa、白沙湾-漕泾末站段管线2.5MPa,设计温度为40℃,输送介质是石脑油,如表1。该长输线系统配套安装了首、末站贸易级的质量流量计,远控长输泵及阀门,远传的管线压力、流量、温度等仪控设施,基于软件分析的泄漏检测系统和联锁控制系统,确保长输线安全平稳运行。该长输管道至2005年投用至今,已经运行7年多时间,未出现重大安全事故,系统运行比较平稳,每年的捡漏系统测试正常。3相关的泄漏检测方法由于管道泄漏检测的多样性和复杂性,目前国内外的检测技术众多,如:探测球法、捡漏电缆法、捡漏光纤法、GPS时间标签法、声发射技术法、负压波及应力波检测法、地面甸接检测法(热红外成像、探地雷达、气体成像)等等,可以说是五花八门。但是,目前企业应用比较多且技术成熟的管道泄漏检测方法主要有:基于人工巡检,超声、磁通、摄像等技术的管内检漏,电缆或光纤检漏,软件的捡漏等等方法。镇海-漕泾石脑油长输管道正是基于软件的捡漏方法,通过SCADA控制系统实时采集与处理管道的压力、流量、温度等运行参数,并对数据进行分析,以此来检测泄漏并定位。它能实现在线监测,是目前管道泄漏检测和定位主要方向之一。4镇海曹井长输线泄漏检测系统的应用4.1神经网络模型SCADA的系统泄露检测,主要包括:负压波、体积质量平衡法、压力点分析法(PPA)、统计检漏法、压力梯度法、小波变换法、基于神经网络和模式识别的方法、稳态模型法、瞬态模型法。镇海-漕泾长输管线泄露检测主要应用了上述的负压波、体积质量平衡和压力点分析等几种方法相结合检测手段。4.1.1泄漏时产生负压波,是一个压力传感器检测法当输送管道发生泄漏时,以泄漏处为界,视输送管道为上、下游两段管道,由于输送管道内外压差的存在,使得泄漏处的液体迅速流失,压力突降。当以泄漏前的压力作为参考标准时,泄漏时产生的减压波就称为负压波。该负压波将以一定的速度向管道两端传播,经过若干时间后分别被上、下游的压力传感器检测到,根据检测到的负压力波的波形特征,就可以判断是否发生了泄漏。再根据负压力波传到上、下游传感器的时间差和负压力波的传播速度就可以进行泄漏点的定位。(1)微胶凝剂的性能式中,α为负压波波速,m/s;K为液体体积弹性系数,Pa;ρ为液体密度,Kg/m3;E为管材弹性模量,Pa;D为管径,m;e为管壁壁厚,m;Ci为与管道约束条件有关的修正系数。(2)负压波时间差式中,α为负压波波速,m/s;L为管道长度,m;Δt为上下游传感器接受到负压波时间差,s;X为泄露点具上游传感器距离,m。(注:若管道中流体速度v较大,则波在上下游传播过程中,要考虑流体流速v)4.1.2泄漏的判定当输送管道发生泄漏时,漏点前面流量变大,漏点后面流量减小。则可根据质量流量计系统实时采集到的流量变化趋势来判断是否有发生泄漏的可能。正常工况下,首末站流量差值的绝对值的最大值称为流量阀值。ε=max|△Q(t)|,△Q(t)为为首末站流量差值。当实测管道的首末站流量差值大于流量阀值时,管道即有可能发生泄漏。但流量差值确定过程中受杂波、工况参数变化等因素影响较多,故在实测过程中尽可能的要滤除这些干扰因素。4.1.3泄漏原因分析当管道在正常运行时,其状态处于稳定状态,压力、流速、密度变化也是连续的;一旦发生泄漏,流体原有稳态破坏,同时上下游各点流体流态建立新的稳态。此时,管道上下游各压力检测点提取压力变化曲线,通过分析比较,可以判断是否泄漏。泄漏引起的压力降ΔP计算公式为:式中,ΔP为泄漏引起压力变化;ρ为液体密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;α为负压波波速,m/s;V为正常输油时液体的流速,m/s;V1为泄漏突然改变后的液体流速,m/s。4.2压力和温度监测系统已具备的功能基镇海-漕泾石脑油管道泄漏监测系统,如图1,是CITECT公司研发的“CITECT”工控软件,基于WINDOWS操作系统,该软件操作简易、功能完善,主要通过管道全线四个数据采集点(采用GPS进行同步采集数据)的参数(压力、流量、温度)对系统进行监测,并且进行参数趋势分析、报警管理、报表打印。系统有镇海首站(压力、流量、温度)、杭州湾南岸阀室(压力)、白沙湾阀室(压力)、赛科末站(压力、流量、温度)等参数。调度中心设在镇海首站,各站IP地址如图1所示。4.2.1泄漏检测系统的类型(1)压力异常报警(2)流量输差异常报警(3)泄漏报警4.2.2满足压力异常报警的条件系统通过根据实时采集的压力数据进行逻辑判断,当压力下降值满足设定条件时,产生压力异常报警。对于镇海首站的压力异常报警,不仅需要满足压力下降的条件,而且还要满足镇海首站流量上升的条件;对于赛科末站的压力异常报警,需要在满足压力下降的同时满足流量下降的条件;对于杭州湾南岸阀室压力异常报警和白沙湾阀室压力异常报警只需要满足压力下降的条件。4.2.3首站和赛科末站的流量差异即系统通过实时采集到的流量变化趋势,通过镇海首站和赛科末站的流量变化情况,用首站流量与末站流量的瞬时流量差与设定值进行比较,当瞬时流量差超过设定参数时,即产生流量输差异常报警。4.2.4压力波速及压力报警当首末站的瞬时流量差达到一定的设定值(即产生流量输差异常报警,上游流量升高,下游流量下降),同时首末站或分段管段的压力发生下降值达到一定设定值,并报警持续一定时间,则产生泄漏报警。图2为系统的默认报警参数设定。压力波速为负压波在石脑油管道中的传播速度,结合实时模型校正压力传播速度;流量差报警值即为产生流量输差异常的报警条件,该差值取首末站的流量计差值;压力报警(选中则当有压力报警时产生压力报警信息,如果不选中则屏蔽压力报警信息);流量报警(选中则当流量变化情况下,流量输差异常报警、泄漏报警有效,反之,则无效)。4.2.5实验装置的设计该长输线在2005年投入正常使用后,我们按照实施方案建立了泄漏检测系统的数据采集、数据通信,并通过搜集实际生产的数据进行精细调整;同时,我们在2006年年初进行一次现场模拟泄漏实验,通过实验获取的实际数据,进一步调整和优化检漏系统的各项性能指标、泄漏检测系统的重复性和精度,以及实际管道距离与现场里程桩的校正,使系统能够运行至最佳工况。实验主要安排在杭州湾下海点阀室,通过管道中间某点进行现场放油,模拟管道泄漏情况。通过模拟不同流量2m3/h、4m3/h、6m3/h下的放油泄漏实验,实验证明该泄漏检测系统能满足技术协议要求的检漏定位误差1km(但需要修正管道参数,使系统运行符合实际工况),最小检测泄漏量1%管道流量。同时,我们对系统的报警设置进行重新设置,流量差报警值设置为2m3/h,使之运行在最佳工况下。4.2.6不同工艺变化系统的触发点影响(1)启泵之前,启泵初始开阀导致启泵前当首站启泵的情况下,由于首站的压力和流量都是上升的,压力波传到下游各点的变化趋势也是上升的趋势,所以理论上没有报警信息,但是由于启泵之前末站首先要开阀,末站的开阀导致整条管线的压力下降,此时应该有中间两个阀室的压力异常报警。如果在启泵的过程中有调整排量(降低排量),也会产生报警信息。(2)压力异常报警当首站停泵的情况下,首站压力流量同时都是下降的,所以没有压力异常报警信息,而对于中间两个阀室的压力都是下降的,所以产生压力异常报警信息,对于漕泾末站压力、流量都是下降的,所以也产生漕泾压力异常报警。(3)压力异常报警在末站倒罐的情况下,有高罐位倒到低罐位,末站压力下降,流量增大,导致整条管线压力趋势下降,所以产生中间两个阀室的压力异常报警,同时首站的压力下降、首站的流量升高,所以可能产生镇海首站压力异常报警。(4)第一个是倒罐在首站倒罐的情况下,可能由于油品密度的的不同影响流量变化的大小,从而引起管线运行的不稳定。(5)提高第一次流量在首站提高排量的情况下,首站的压力、流量都是升高的,所以整条管线的压力趋势、流量趋势都是上升的,不产生报警信息。(6)压力异常报警在首站降低排量的情况下,首站的压力、流量都是降低的,所以首站没有报警信息,而两个阀室的压力也是下降的,产生压力异常报警,对于漕泾末站,由于首站的压力、流量下降,引起末站的压力、流量都是下降的,如果下降幅度大于设定值,则应该产生压力异常报警。(7)检测中心压力异常报警以在镇海-杭州湾段管道发生泄漏为例,如果该点靠近杭州湾阀室,则首先产生杭州湾压力异常报警,然后负压波沿管线向两端传输,到达金山阀室后产生金山阀室压力异常报警,到达首站后首站压力下降、流量上升,产生镇海压力异常报警;到达漕泾末站后,压力、流量都是下降的,产生漕泾压力异常报警。当负压波传输的首末站后,引起首末站流量的变化(首站流量升、末站流量降),此时流量输差较大(产生流量输差异常报警)且首站压力降,故产生泄漏报警信息。5泄漏检测系统运行分析镇海-漕泾石脑油管道泄漏监测系统还是存在一些问题,比如容易产生误报警且较难分辨是介质工艺变化还是泄漏引起的报警、通讯故障较多、系统维护成本较高等;同时,该