长输油气管道泄漏监测技术研究

中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）PAGEPAGEI长输油气管道泄漏监测技术研究摘要目前石油、天然气等主要依靠管道运输，而输送管道泄漏后会造成严重的资源浪费和财产损失、污染化境，更有甚者会危机人民生命安全。因此，长输油气管道的泄露监测技术就成为了长距离油气输送管道正常运营的重要保障。本文是在阅读相关文献并结合本人实际工作经验的基础上展开，文章第一部分概述了长输油气管泄漏检测技术的研究背景及国内外研究综述，第二部分对常见的油气管道泄漏技术技术方法进行分析，第三部分以本人工作单位为例具体分析泄漏监测技术应用中存在的问题及优化促使，文章最后一部分做出总结，通过本文研究以期对长输油气管道泄漏监测提供一些借鉴。关键词：长输油气管道；泄漏监测；方法；展望目录第一章概述 11.1研究背景与研究目的 11.2国内外研究概述 11.3本文主要研究内容 2第二章长输油气管道泄漏监测主要技术方法 32.1声发射技术法 32.2GPS时间标签法 32.3负压力波法 42.4压力梯度法 52.5神经网络法 52.6热红外成像法 62.7嗅觉传感器 错误!未定义书签。2.8本章小结 6第三章油气管道泄漏监测应用分析 73.1管道泄漏监测问题分析 73.2管道泄漏监测系统优化 7第四章结论及展望 8参考文献 9致谢 错误!未定义书签。PAGE9中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）PAGEXV第一章概述1.1研究背景与研究目的因为管道运输安全、可靠且运量大而稳定，经济实用等特点，使得管道运输逐渐成为我国五大运输系统中最为重要的一种方式。截止2018年，我国已经建成9.7X104km长输油气管道，预计下一阶段我国将达到21X104km的油气管道覆盖，从而基本实现全国油气管道输送[1]。正因为油气管网遍布全国，一旦发生泄漏事故，就会造成严重事故。我国长输油气管线距离长，地理环境复杂，时常发生事故，事故平均率达到了3起/（103km·a），这一数据远远超过了美国和欧洲国家。例如，11·22中石化东皇输油管线泄露爆炸事故就造成了69人死亡，134人受伤，直接经济损失达75422万元[2]。因此，能及时发现长输油气管道泄露问题并及时排查解决是油气运输及安全生产的重要话题，并很据管道运输情况建立可靠的监测系统，在油气运输过程中对管道进行不间断的监测，就能有效识别油气管道发生泄漏事故。通过监测判断油气泄露的点位及泄露程度，就可以最大程度的减少损失、降低污染。此外，我国新颁布的《环境保护法》中极地加强了环境污染的惩戒力度。管道泄露作为引起大规模环境污染问题的主要药引需要引起管道运输公司更高的关注度，所以，长输油管道泄漏监测技术研究具有十分重要的意义。1.2国内外研究概述国外对于油气管道泄露监测诊断技术的研究从20世纪后半段就开始了，1971年法国学者R.West和德国学者D.Aerbet通过对管道泄漏检测技术研究提出了通过对管道内输入、输出的油气流量和压力信号监测，并将这些信号处理分析，形成了管道泄露监测方法[3]；1982年荷兰壳牌(shell)公司的X.fox提出了利用油气管道泄露故障数据统计分析故障发生原因以此来监测泄露事故的统计检漏法；2005年美国科学家Mar.byent提出了采用小波分析的方法，利用小波技术对管道的压力信号进行奇异性分析，由此来检测泄漏[4]。我国油气管线输送距离虽然很长，但是我国管道运用基本是在建国以后，因此，我国对于管道泄漏技术的研究起步也较晚,但在相对较短的研究时间中我们也取得了极大的成功。早一批研究管道监测技术的方崇智在1987年时提出了基于状态估计的管道泄露观测器方法；1987到1997这十年管道监测技术有了突破性的进展，唐秀家等人在1998年首次提出了基于神经网络的管道泄漏检测模型，这种方法对于管道泄漏监测起到了良好的监测作用；1999年中国石油大学的张仁忠与汪炳等提出了压力点分析(PPA)法和采集数据与实时仿真相关分析法相结合的方法；2005年刘恩斌、胡德权、刘向鸣等在前人研究的基础上开发了一种新型的基于瞬态模型的管道泄漏检测方法，并对传统的特征线法差分格式进行了改进，将其应用于对管道瞬态模型的求解，使得这项技术得到了重大突破[5]；2005年朱晓星等提出了将仿射变换的思想应用到基于瞬态压力波的管道泄漏定位算法中[6]。1.3本文主要研究内容文章第一部分概述了长输油气管泄漏检测技术的研究背景及国内外研究综述，第二部分对常见的油气管道泄漏技术技术方法进行分析，第三部分以本人工作单位为例具体分析泄漏监测技术应用中存在的问题及优化促使，文章最后一部分做出总结。第二章长输油气管道泄漏监测主要技术方法通过对国内外长输管道泄露监测技术研究分析与对比，结合我国各大油田管道泄露监测实务，目前长输油气管道泄露监测技术关键还是需要解决两个问题：一是油气管道泄露时的监测报警，另一个是发生泄露时的精确定位。针对这两项关键技术目前要做到管道能够长期连续稳定运营要求管道检漏系统需要具备连续在线检测的能力。CPM（ComputationalPipelineMonitoringforLiquids）管道计算监测系统指借助于一种软件的算法来监测，以便帮助油气管道调度员更好地识别管道压力异常情况，实时监测数据如果与系统数据库中数据对比后出现异常情况，一般就认定为异常数据位置存在泄露事件。目前长输油气管道泄漏监测技术主要包括：2.1声发射技术法管道泄露声发射现象是指当油气管道在运输中发生泄漏时，管道内流体通过裂纹或者腐蚀孔向外喷射时就会形成声源，声源向外辐射能量形成声波的现象。油气运输管道监测人员通过专门的设备对对这些因泄漏引起的声发射信号进行接受和分析处理，以此判定管道泄露情况及泄露位置。当泄露发生时，管道内流体产生的喷射形成声源后会通过传感器接受使得仪器的电压数据发生明显改变，声发射监测技术就是采集不同位置声波影响传感器后电压的读书来形成函数曲线并求解。通过这种方法，管道监测人员就可以实时监测管道仪表压力状况进而判断油气管道是否存在泄露并根据曲线或方程拟合情况判断出现泄露的具体位置。近几年中，研究人员逐渐利用压电陶瓷制作的换能器替换原本的离散型传感器，使得成本更低、功耗更小，通过换能器所产生的超声波在液体中形成驻波，减少能量的损失，谐振信号强，更有利于泄露现场的观察与记录。2.2GPS时间标签法随着GPS技术的发展，油气管道泄露监测技术也逐步与GPS系统相结合，时间标签法就是利用GPS技术将各个油气管道上的传感器采集的信号数据进行统计与处理，利用不同采用数据的频率与时间标签确定管道上下游的信号特征，以此确定泄漏发生的位置。现阶段国外油田输送利用GPS进行油气管道输送数据采集使得泄露监测精确度大大提高，基本能将精确度控制在长输管道总距离的1%以内。但是如果采样频率过高也会导致计算处理的数据量增大，因此会降低泄露监测的效率。2.3负压力波法负压力波是目前油气管道输送泄露监测用的最为广泛的方法，具体是指在故障发生生，油气管道内产生的物质损耗引起管道局部密度变化，管道泄漏处由于泄露形成管道内外压力差造成压力数值的突然降低，这种压力的突然降低就被称作负压力波。油气管道两端的压力传感器感知到管道内压力突然变化的情况后就可以具体判定压力突变的位置，以此确定泄漏事故发生的管道位置，负压力波监测技术的基本原理图如下2-1所示。图2-1负压力波监测方法原理示意图如图所示，首战A到末站B是一段油气传输管道，两端分别设有传感器，当AB段位置C发生油气管道泄露时，油气管道内产生的物质损耗引起管道局部密度变化使得管道内产生负压力波动，而L-AC压力曲线为小范围波动，近似为一条平滑的直线，而L-CB段管道内压力曲线为逐渐递减的下滑曲线。负压力波监测就是利用这种压力曲线突然的变化来判定传输管线AB间发生泄漏事故的C。负压波法灵敏准确，也无需建立管线的数学模型，其定位公式为：左侧为上游泵站，对应的图2-1的A段，下游泵站对应图2-1的B段，A、B两端分别设置压力检测器监测压力数值p1、p2，油气管道运输中于X处发生泄漏后，产生的负压力波向管道A、B两端及上下游泵站处设置的压力监测装置处传播，两侧压力检测器检测到数据后就可以确定泄露事故发生的位置[8]。负压力波监测在我国胜利油田的现场试验中取得了极大的成功，目前胜利油田负压力波监测预警反应时间已经缩小到150秒以内，误差范围已经被控制到管线长度的2%以内。2.4压力梯度法压力梯度监测法类似于负压力波也是通过对管道内压力梯度的变化反应来判定泄露的位置。如果某位置发生泄漏，原本平滑的管道压力缺陷就会呈现压力梯度变化，而我们只需要通过判定曲线发生的管线实际位置就可以确定泄露事故的地点。但由于实际管道运行检测中，泵、阀、倒灌作业会影响管道沿线压力梯度，最终导致仪表测量对定位结果产生很大影响。所以压力梯度法可以作为一中油气管道泄漏监测定位的辅助手段。2.5神经网络法神经网络法是借助先进的人工神经网络技术将现有信息用符号表示并利用计算机系统模拟人类进行逻辑推理的方法。由于油气管道泄漏事件的不确定性和多元性，传统的数字模型处理会对泄露事故的诊断形成不够全面、正确的分析判断，而基于人工智能的神经网络法打打解决了这一问题的困扰，它能够运用自适应能力学习管道的各种复杂工况对管道运行状况进行分类识别，真正做到泄露事件具体时间具体分析。现阶段研究及试验都表明，这种监测方法能在发生泄漏时能及时检查出泄露故障并精确定位，同时此种监测方法还有较高的抗恶劣环境与抗噪声干扰能力，研究开发前景非常可观。2.6热红外成像法油气站为了降低在油气运输前原油的粘性通畅会对原油尽心适当加热，而被加热的原油在运输过程中发生泄漏时,管线周边的土壤便浸泡在泄漏的原油中,这时土壤的温度受到原油温度影响明显上升，而这种温度的变化可以通过红外辐射的不同来感知。利用计算机将管线周围的土壤温度进行分布记录，并利用直升机在空中实时采集管线周边土壤温度用于对比，以此来判断油气管道是否发生泄露。这种管道泄露监测技术就是热红外成像法。热红外成像监测法除了监测时需要直升机实时辅助外，它的另一个缺点是对管道的埋设深度还有一定的限制，据介绍，当直升机的飞行高度为300m时,管道的埋设深度应当在6m之内，否则将严重影响监测数据的准确性[9]。2.8本章小结综上所述，目前国内外常见的油气管道泄露检测技术主要有声发射技术法、GPS时间标签法、负压力波法等方法，压力梯度法及热红外成像法可以作为辅助的监测方法，而神经网络法、嗅觉传感器作为新兴的油气管道泄露监测技术，具有十分可观的研究前景。但是油气管道监测是一项复杂的工程，单纯应用一种方法进行泄露监测很难达到满意的效果，因此，成功的管道泄露监测需要将多种方法结合应用。第三章油气管道泄漏监测应用分析3.1管道泄漏监测问题分析粤西湛海石油天燃气运输公司是广东西部最大的石油天然气运输公司，主要承担粤西及北部湾地区石油管线运输。目前此公司湛江徐闻段石油运输管线泄漏监测系统主要运用负压力波监测方法。但由于粤西地区湿度大造成油气管道大面积腐蚀，而腐蚀造成的管道裂纹缓慢扩展，泄露形成的时间长且进展速率缓慢，油品由微小裂纹时的泄露逐渐发展成为焊缝开裂时的大规模泄露事件。湛海石油公司在利用负压力波监测方法的同时也同时结合其他小波及红外线监测技术，但由于腐蚀现象造成的微小渗漏不能被及时监测，不能做到及时预警。使得湛海石油天然气运输公司在湛江徐闻管线段油气管道泄漏监测不够及时、准确。3.2管道泄漏监测系统优化上述湛海石油运输管线泄露监测问题的描述中，由于泄露问题的缓慢及微小，传感器无法及时感应到负压力波变动从而检测泄露事故，直至管道发生焊缝破裂时造成大范围泄露。为了解决此类问题，可以在原负压力波监测系统中加入管道流量监测技术，将管道两端的进出口流量平衡作为判断管道是否泄漏的最主要依据。湛海石油天然气运输公司在湛江徐闻管线段油气管道因管道焊缝开裂渗漏的问题，应在原有监测系统上辅助增加流量平衡法监测方法。利用油气田集输管道中体积流量和质量流量等插入式流量监测设备配合高精度外夹式超声波流量计，在现有的负压波管道泄漏监测系统中引入流量信息，综合利用负压波与流量平衡法进行管道泄漏监测，可以提高管道泄漏监测系统的准确性和可靠性[10]。第四章结论及展望随着科学技术的发展及实践摸索，长输油气管道泄漏监测技术虽然已经取得了很大的进步，在工程实践中的都了一些应用并取得了良好的经济和社会效益，但同时也暴露了许多尚待解决的问题。各种管道泄漏监测方法都存在或多或少的优缺点，而现实生产生活中油气输送管线选择何种监测技术不仅要根据管线铺设的管道材质、设计参数等因素，还要具体考虑管道途经的地理特征、检测技术的综合成本等等，以目前科学技术水平，并不存在一种管道泄漏监测技术可以应对一切泄漏事件的技术，因此本文所列举的几种泄露监测技术中，目前国内外常见的油气管道泄露检测技术主要有声发射技术法、GPS时间标签法、负压力波法等方法，压力梯度法及热红外成像法可以作为辅助的监测方法，而神经网络法、嗅觉传感器作为新兴的油气管道泄露监测技术，具有十分可观的研究前景。通过湛海油气运输公司的案例我们也认识到，无论采用这些方法中的何种方法，都要考虑提升监测的精确度与时效性问题。因此，长输油气管道泄露监测技术虽然在近几年取得了较快的进度，但其发展还需要更多的投入，需要更多的科研工作者继续开发运用新型高效管道泄漏检测和定位的自动化技术方法，迅速、准确、及时地采用恰当措施发现、控制和解决险情，才能更好地保护和改善环境,保障人们的生命财产安全。参考文献[