第五节__输气管道泄漏检测方法

第五节 输气管道泄漏检测方法 已有的输气管道泄漏检测的方法有两类： 第一类：基于磁通、涡流、摄像等通球技术的管内智能检 测法。 第二类：基于管线压力、温度、流量、声音以及震动等物 理参数发生变化的外部检测法。 泄漏检测和定位较为准确，但是不能实现在 线的实时检测以及极易发生管道堵塞、停运 等严重事故。 1、管内智能爬机 智能爬机在管道工业中应用广泛，如果配置各种传感器， 能组成智能爬机检测系统。爬机系统不能实现连续的在线 检测，且检测系统价格非常昂贵。 2、质量或体积平衡法 泄漏程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。 流量差超出一定的范围时可判定为泄漏。 一 主要检测方法 根据：进出口处的流量相等 误报率高，检测的灵敏性也很低，不能用来精确 定位，而且这种方法需要测量流量信号，对于管 网流量计的安装和维修也很困难，不适用于输量 频繁变化的情况，不满足实际需要，只能与其他 的方法配合使用。 缺 点 3、地面间接检测方法 探地雷达 气体成像 缺陷：对环境要求较高和不能实现实时在线检测； 4、光纤传感器 检测原理：管道中输送的物质泄漏会引起周围环境温度的 变化，利用分布式光纤温度传感器连续测量沿 管道的温度分布，当管道的温度变化超过一定 的范围，就可以判断发生了泄漏。 5、瞬态模型及统计决策方法 （1）瞬态模型法 基本思想：建立管内流体流动的数学模型，在一定边界条 件下求解管内流场，然后将计算值与管端的实 测值相比较。当实测值与计算值的偏差大于一 定范围时，即认为发生了泄漏。 （2）统计决策法 使用序贯概率检测（SPRT）的方法对实测的压力、流 量进行分析，计算连续发生泄漏的概率，并利用最小二乘 法进行泄漏点定位。 缺点：难度大且误报率高 缺点：对仪器的要求比较高 优点：可实现连续的在线检测，并且能检测到很小的泄漏 量，具有很好的灵敏性，误报率低，定位精度高，适应性 好，安装费用和维护费用也较低。 6 声波检测法 原理：物体间相互碰撞均会产生振动，发出声音，形成声波 管道发生破裂时产生的声波沿着管道内流体向管道上下游 高速传播，安装在管段两端的声波传感器监听并将捕捉到 声波波形，并与计算机数据库中的模型比较，确定管道是 否发生了泄漏及泄漏量等数值，同时根据管道在两端捕捉 到的泄漏信号的时间差计算得到泄漏位置。 二 各种泄漏检测方法的评价 1、泄漏检测方法的主要评价指标： 为保证输气管道的安全性，降低事故的危害 ，采用以 下7个指标进行综合考察： （1）泄漏检测的灵敏度:泄漏检测的灵敏度是泄漏检测系 统所能检测出管道泄漏量的范围大小。 （2）泄漏点定位精度:泄漏点定位精度是指当发生不同级 别的泄漏时系统所能确定泄漏点位置的范围。 （3） 泄漏检测的实时性:泄漏检测的实时性是指管道从开 始泄漏到被检测出泄漏的时间长短。 （4） 可靠性:可靠性是指在给定的时间内系统正常运行 的能力。 （5） 误报率和漏报率:分别是指发生误报或者漏报的次 数占总检测次数的比例。 （6） 适用性:指泄漏检测系统能否对不同的管道环境(温 度、压力、流量、湿度等)具有抗干扰性； （7） 性价比:指的是检漏系统所能提供的性能与建设、 运行及维护费用的比值。 2、各种泄漏检测方法的对比： 检测方法灵敏度 定位 精度 误报率 检测 时间 适应 能力 费用技术成熟度 质量/体 积平衡阀 差低很高较短无低较成熟 应用统计 法 较好较高低中等有中等不成熟 瞬态模型 法 高中等很高较慢有较低成熟 分布式光 纤法 较高中等中等较短有很高较成熟 声波法高很高较低很短有较高较成熟 三 分布式光纤检测法与音波检测法的对比 1、分布式光纤检测法 分布式光纤传感器的主要技术方法有： 光时域反射(OTDR)法、 干涉法、 布拉格光栅法（FBG）、 波长扫描法和连续波调频法等。 主要应用的有光时域反射（OTDR）法和干涉法。 （1）光时域反射法（OTDR） 基本原理：光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生 后向散射，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长 而按一定规律衰减，在光速不变的情况下，距离与时间成 正比。因此，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达 探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后 向散射光强。 光的后向散射包括瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射3种 形式。 用于长输管道的泄漏检测还不成熟： 后向散射光较弱，所以检测距离短，此外，不能做到实时 监控。 只能进行表态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭 窄，缺乏实用性。 （2）干涉法 原理：利用光纤受到所检测物理场感应，如，温度、压力 或振动等，使导光相位产生延迟，经由相位的改变，造成 输出光的强度改变，进而得知待测物理场的变化。 主要有：Sagnac干涉技术和模态分布调制干涉技术 。 1）基于Sagnac效应的分布式光纤传感技术： 基于Sagnac效应的分布光纤声学传感器系统由光源、光纤 环、光电转换器、耦合器、锁相放大器、信号处理和PZT 相位调制器几部分组成。 试验结果表明：在0.14MPa压力下，泄漏孔径为2.0mm 时，可以检测出0.3%的泄漏量，定位误差小于1%。 2）模态分布调制干涉技术： FFT Secure PipeTM 管道安全防御系统传感示意图 基于模态分布调制干涉技术的油气管道检测系统组成： FFT Microstrain/Locater Sensors(包括激光收发模块) NI Data Acquisition（数据处理板） 专用Locater DAQ信号处理板等专门装置 专利技术 检测原理: 激光的模态分布调制（有效改变强度）干涉现象； （3）各种光纤泄漏检测方法的比较： FFT 管道安全防御系统与其它相关技术的比较 设计要求模态分布调制干涉光时域反射其他的干涉测量法 现场硬件要求 是，每40公里需安 装一套控制器 是，每25公里需 要两套系统 是，因方法而异 可利用现场光缆可以不可以不可以 分布式传感 是，光缆全长都是 传感器 是，光缆全长都 是传感器 是，光缆全长都是传 感器 预报警有无有 误报率(FAR)低较高较低 事件检测率较高中等中等 泄漏检测可能可能可能 事件识别能够不能可能 技术成熟度很成熟成熟不成熟 基于模态分布调制的干涉技术，具有高灵敏度、动态范围大、 误报率低、定位精度高、泄漏预报警、技术相对比较成熟等特点， 适合于我国天然气长输送管道泄漏检测和定位的要求。 2、音波检测法 （1）检测和定位原理 基于物体间的相互碰撞均会产生振动，发出声音，形成 声波的原理所开发的泄漏检测系统。管道发生破裂时产生 的音波沿着管道内流体向管道上下游高速传播，安装在管 段两端的音波传感器监听并将捕捉到的音波波形，与计算 机数据库中的模型比较，确定管道是否发生了泄漏及泄漏 量等数值，同时根据管道在两端捕捉到的泄漏信号的时间 差计算得到泄漏位置。 音波泄漏检测示意图 泄漏点的计算公式为： () 21 1 22 D sttv= 2 Lv t x + = 式中 x泄漏点距上游次声传感器的距离； L上、下游次声传感器之间的间距； v音波的传播速度； t上、下游次声传感器接收到次声的时间差。 （2）工程应用情况 美国ASI公司开发了WaveAlert 音波管道泄漏检测系统应 用情况： 美国Colorado的天然气管道； 台湾ABB长生电厂的天然气管道 ； 德国BEB (Shell / ESSO Company)酸性气体集中场； 我国的西气东输管道工程山西段和苏浙沪段； 灵敏度高，反应时间快，定位准确，在通讯中 断的情况下也能进行泄漏检测，系统调试后可 靠性高，不需要额外的流量和温度的测量，安 装 、 操 作 和 维 护 都 很 简 易 等 。 ASI的音 波测漏系 统的优点： 3、两种泄漏检测方法的对比 对比项目音波检测法分布式光纤检测法 监控对象 管线内部情况，如音波和管道外部情况检 测 对管道外部情况(周围地质变化状况、施工带 来的振动、应变)的检测 预报类型能够实现预警能够实现预警 无中继最大 检测范围 050Km060Km 40Km内定 位精度 30m50m 发展前景 音波和人工神经网络相结合的泄漏检测技 术最具有研究意义，在未来的管道检测中 将得到广泛的应用。 利用一根或几根光纤对天然气管线内介质的温 度、压力、流量、管壁应力进行分布式在线测 量，这在管道监控系统中将极具应用潜力 经济性 安装数据传输和音波传感器以及配套的软 件系统，投资高 安装数据传输和光纤传感器以及配套的软件系 统，投资高。 主要优点 以实现连续的在线检测，并且能检测到很 小的泄漏量，具有很好的灵敏性，误报率 低，定位精度高，适应性好，检测距离长。 可以用于管道铺设环境的地况检测，为重大地 质异常变化情况提供提前预警，定位精度高， 误报率低，检测距离长。 主要缺点易受外界的干扰影响，对消噪滤波要求高 施工维护不便，光纤震动传感器属精密电子仪 器，精确性要求高，精确度直接影响检测效果 习题： 1.分析某站停运对输气管道的影响。 2.分析管线某点泄露对输气管道的影响。 3.如图示，已知压气站方程： ，管路方 程： ，式中单位：Q-m3/s ; P-Pa; L-m; D -m；La =260km， Lb =145km，Da =1m，T293K，Z0.9，压气 站入口压力保持不变，为5.2MPa。 求：(1) 压气站仅向A城供气，当管A终点压力Pz