（计算机软件与理论专业论文）石油管线泄漏检测技术研究.pdf

硕 士 论 文石油管线泄月枪侧技术研究 ab s t r a c t p i p e l i n e t e c h n o l o g y h a s p a r t ic u l a r a d v a n t a g e i n t r a n s p o r t i n g l i q u i d s u c h a s p e tr o l e u m a n d n a t u r a l g a s . b u t i n r e c e n t y e a r s , l e a k a g e b e c a m e t h e p r i m a ry m a l fi m c ti o n i n t r a n s p o r t i n g - o i l p i p e r u n n i n g . i t i n t e r f e r e d i n n a t u r a l p r o d u c t io n b a d l y , a n d b r o u g h t t h e e n o rm o u s e c o n o m ic lo s in g . s o th e r e s e a r c h a n d a p p li c a tio n o f th e le a k d e te c t in g a n d l o c a t i n g s y s t e m o f t r a n s p o r t i n g - o i l p i p e b e c o m e s a n u r g e n t p r o b l e m . a d v a n c e d r e s e a r c h o f l e a k a g e d e t e c t i o n a n d l o c a t i o n o f p i p e l i n e c a n d i s c o v e r t h e l e a k a g e o f p ip e l i n e , a n d t a k e a c t i o n q u i c k l y . i t m a y r e d u c e t h e h a p p e n i n g o f s t e a l c a s e , p r o t e c t e n v i r o n m e n t a s e a r l y a s p o s s i b l e , r e d u c e t h e e n t e r p r i s e s e c o n o m i c l o s i n g a n d i m p r o v e t h e l e v e l o f e n t e r p r i s e s a u t o m a t i c m a n a g e me n t . t h e t h e s i s e x p l o r e s s o m e l e a k d e t e c t i n g a n d l o c a t i n g m e t h o d s , l i k e m o d e l m e t h c 峨 s i g n a l p r o c e s s i n g m e t h o d , a n d a n a l y z e s t h e re l a t i v e m e r i t s o f e a c h me t h o d . t h e re a s o n o f t h e p i p e l i n e p re s s u r e m o v e m e n t i s s t u d i e d a n d t h e t h e s i s d e s i g n s a p r o j e c t o f t h e p ip e l i n e l e a k d e t e c t i o n a n d l e a k一 】 o c a l i z a t i o n . u s i n g d o u b l e - p r e s s u r e t r a n s d u c e r d e v i c e a n d c o r r e l a t i o n a n a l y s i s m e t h o d t h e 山 e s i s a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r o f p r e s s u r e c u r v e , c h o o s e s m e d i a n f i l t e r a n d i m p r o v e d a v e r a g e f i l t e r t o p r o c e s s t h e o r i g i n a l p re s s u r e d a t a s e q u e n c e . t h e c h a r a c t e r s o f w a v e p o l a r i ty a n d w a v e a r e a a r e u s e d t o p i c k - u p t h e f e a t u re o f i n fl e x i o n . t h e n , t h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s m e t h o d i s u s e d t o p r o c e s s e x c e p t i o n a l p r e s s u re d a t a w h i c h a c q u i r e d f ro m t h e d o u b l e - p r e s s u r e t r a n s d u c e r b a s e d o n m a n y w a y s , s u c h a s p r e s s u r e d a t a m e th 喊 i n c l u d e d a n g l e m e t h o d , l i n e - fi t t i n g m e t h o d a n d s o o n . t h e t h e s i s e x p o u n d s h o w t o s e l e c t t h e n e i g h b o r h o o d f o r d o i n g c o r r e l a t i o n a n a l y z i n g a n d a n a l y s e s t h e m a i n f a c t o r s a ff e c t in g t h e l e a k a g e l o c a t i o n b a s e d o n t h e l e a k a g e l o c a t i o n f o r m u l a a n d a t t e m p t s a b e t t e r l e a k a g e l o c a t i o n me t h o d k e y w o r d s : l e a k d e t e c ti n g , a v e r a g e f il te r , i n fl e x i o n d e t e c ti n g c o r re l a ti o n a n a l y s i s , l e a k l o c a t in g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明 确的说明。 研 究 生 签 名 : 叮 (a z -1, 7 *了 月 2 1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 _/ 犷、 7 才 研究生签名:) v伦 - t * ” 2 q r 硕士论文 石油管线泄漏检测技术研究 1概述 1 . 1 管道运输的 发展状况 管道在输送液体、 气体、 浆体等方 面具有 独特的 优势， 目 前已 成为继铁路、 公 路、 水路、 和航空运输之后的第五大运输 工具。 管道运输是利用管道输送气体、 液体和粉 状固 体的一种运输方式。 其运输形式是靠物体在管 道内 顺着压力方向 循序移动实 现的， 和其它运输方式重要区别在于， 管道设 备是 静止不动的. 现代管道运输始于 1 9 世纪中叶， 1 9 8 5 年美国宾夕 法尼亚州 建成第一条原油 输送 管道。 然而它的 进一步发展则是从2 0 世纪开 始的。 随着二次大战后石油工业的 发展， 管道的 建设进入了 一个新的 阶段， 各产油国竞相开始 兴建大量石油及油 气管道。 2 0 世 纪6 0 年代开 始， 输油管道的 发展趋于 采用大管 径、 长距离， 并逐渐建成成品油输送的 管网系 统。同时，开 始了 用管 道输送煤浆的尝试。目 前 全球的管 道运输承担着很大比 例的能 源物资 运输， 包括原油、 成品 油、天然气、油田伴生 气、 煤浆等。其完成的 运 量常常 大大高于人们的想象( 如 在美国 接近于汽车运输的 运量 ) 。 近年来，管道运输也 被进一步 研究用于解决散状物料、 成件货物、集装物料的 运输，以及发展容器式管道 输送系 统。管道运输是国民 经济综 合运输的重要组成部分 之一，也是衡量一个国 家的 能源与 运输业是否发 达的特征之一 i l l . 在中国， 大约5 0 0 0 年前就已 利 用粘土与石块构成的管道长距离供水。 现代的 管道 运输是伴随石油的开发利用发展起 来的。 1 9 7 0 年， 大庆油田 原油产量突破2 0 0 0 万吨， 依靠火车运油远远满足不了 大庆油田 快速发展的 需要。 为了解决大庆油田 被迫限产、 关井的 难题， 国 务院 于 1 9 7 0 年8 月3 日 决定展开东 北 “ 八三工程” 会战， 掀起了中国 第一次 建设油气管道的高潮。 经过5 年奋斗， 于 1 9 7 5 年建成了 庆抚线、 庆铁线、 铁大 线、 铁秦线、 抚辽线、 抚鞍线、 盘锦 线、 中朝线8 条管 线， 总长2 4 7 1 公里， 率先 在东 北地区 建成了 输油管网 田 。 一 进入9 0 年代以 后， 我国的长 输管道建设有了新的 突破， 并又相继建成了一批长 输 管道， 油气长输管道每年铺设长度 超过4 0 0 公里。 1 9 9 6 年底， 我国已 建成长输油、 气 管道3 9 5 条，其中输油管道1 7 8 条 ( 原油管道8 1 条，成品油管道9 7 条) ，输气管 道 2 1 7 条， 总长度 1 7 , 2 3 1 万公里。 初步 形成了东北、华 北、 中原、华东和西北广大地区 的地下管道运输管道. 到2 0 0 0 年 底， 我国己 拥有原油和天然气长输管道2 1 , 0 0 0 公里， 年输量超过 1 亿吨。 我国 石油、 天然 气产量的9 0 % 通过长输管道输向 炼油厂、化工 厂 及海运码头t3 1 硕士论文 石油管线泄翻检侧技术研究 虽然我国 管道运输事业有了 较大发 展， 长输管道建设己 初具规模， 但与一些发 达 国家 相比 还存在一定的 距离。 至2 0 0 3 年底， 我国 油气管道累计长 度 4 5 8 6 5 k m ， 管 道长 度居 世界第六位。 其中， 原油 管道1 5 9 1 5 k m ， 天然气管道2 1 2 9 9 k m ， 成品 油管道6 5 2 5 k m , 海底管道2 1 2 6 k m 。以 上的 这些分析表明， 我国 的管道运输工业处在一个既充满生机， 又富有挑战的新时期，必将随着国民经济的持续快速发展而大有可为。 1 . 2 管道泄漏检测的 意义 但是随着管线的增多、管龄的 增长、以 及不可避免的腐蚀、磨损等自 然和人为损 坏等原因，使管道事故频频发生， 给人们的生命 财产和生存环境造成巨大的威胁。 全 世界 5 0 % 的石油管网已 运行了 三十年以 上，国内相当比例的原油管道老化程度 也很严重( 如东北输油管道已 运行了 三十多年) ， 加之各种因素引起的对输油管 道的 腐 蚀、 突发性的自然灾害 ( 如地震、 滑坡、河流冲击等) ，尤其是人为破坏管道窃取石油 资源等等都严重威胁着输油管线的 安全， 随时有发生 石油泄漏的可能。 据不完全统计， 我国 输油管线仅自 一九七八年到 一九九四年就发生各 种泄 漏事故1 1 6 起， 其中 五次泄 漏量即 达 3 5 5 0 吨。 而胜利油田 仅1 9 9 9 年 1 0 月内 就发现意外泄漏点1 3 处， 损失 原油 数千吨，经济损失达2 0 0 多万元 4 1 大 庆油田 是我国年产原油5 , 0 0 0 多 万吨的 大型油田， 拥有上百条输油管线。 输油 管道是油田 生产的生命线。大庆 油田 管线的特点是:管 径大、 输量大、压力高， 而且 许多建设在文革期间。管线运行多 年以 后，管道防腐 覆盖层逐 渐老化变质，或者由 于 土壤应力的变化、自然灾害、意外事故等原因，一旦发生泄漏，将导致原油损失、环 境 污 染 、 停 产 停 输 等 一 系 列 严 重 后 果 阁 。 抢 险 防 堵 还 要 动 用 大 量 人力 物力 ， 花费 大 量 时间， 造成的损失是不言而喻的。 近年不 法分子频繁 地打孔盗油，不 但严重干扰了 油 田 的正 常生产，也给国家造成了巨 大的损失。单靠 增加 人力， 加大巡 线力度，仍然是 盲目而被动的。况且不法分子作案手段隐蔽，也难以发现盗油点。目前，全国各油田 都有很 严重的输油气管道泄漏或 被盗问 题，给各油田 造成了 很大的 损失。大庆油田问 题更 严重， 每年都要有近百 万元的 损失. 如大 庆至哈 尔滨炼油厂输送管道 1 9 9 9 年 1 1 月1 0 日 投产。 管线全长 1 8 2 . 8 k m , 管径(d 3 7 7 x 6 . 4 m m ， 埋设深度1 . 5 m 。 庆哈线设计年 输量为 2 0 0 - 3 0 0万吨。 在管线投产仅两 年半时间内， 几次发生管线穿 孔事故。2 0 0 2 年5 , 6 两个月连续发生3 次穿 孔， 若能 够依靠有效的技 术手段及时 报苦并准确判断泄 漏位置， 就能 最大限 度地减少损失， 并给不法分子以有力打击， 其 意义是显而易见的。 . 为 确保管线的安全运 行， 传统的 就地泄漏检 测方法显然无法实 施， 这就要求发展 基 于 现 代 分 析 和 控 制 方 法的 管 道 泄 漏 检 测技 术 问 . 输 油 管 线 泄 漏 检 测 系 统能 够 及 时 发 硕士论文石油普线泄翻检侧技术研究 现泄 漏，估计泄漏的 位置， 可以 及时采取 措施， 从而达到预防和降低损失的目 的， 减 少巡线人力物力的浪费。这对提高油田输 油管线的管理， 减少企 业的经济损失，提高 企业自动化管理水平有重大意义。 1 . 3 国内 外管道泄漏检测的 研究现状 目 前，国际 上已 有的检测和定 位方 法大体上分为基于硬件的方法和基于软件的方 法两大 类 。 基于硬件的方法是指对泄漏物直接进 行检测， 如直接观察法、 检漏电 缆法、 放 射 性 示 踪法 、 光 纤 检 漏 法 等 ?t . 基 于 软 件的 方 法 是 指 利 用 现 代 控 制 理 论、 信 号 处 理 和计算 机技术 等对因 泄漏而造成的影响( 如压力、 流量、 流速、 摩阻等管 道动态 模型参 数的 变 化及泄 漏引起的声波传输特 性等 ) 进行采集、 处理和 估计， 从而对管道的非线性、 不确定 性、随 机性等因素引起的误差 进行 补偿， 进而提高泄 漏检测的灵 敏度和定位 精 度。 也就是说， 基于软件的方法是充分 依靠计算机并采用 某种或 某些运 算策略， 利用 泄漏所引起的传输质在管道内或管壁上所产生的信息进行泄漏检测和定位的方法。由 于各类方法都有一定的适用范围 ， 近年来随 着计算机技术的迅速发展， 出现了以 软件为 主、 软硬件相结合的检漏与定位方法的 趋势，以 实现多种检测方法的优势互补。基于 硬件的 方法和管内探测球法都只能间断运 行，实 时性差，造价很高，而软件检测法能 连续实时运行，适应性广，安装简单，目 前较为多用。 我国自 八十年代 末开展了 液体管线泄 漏检测技术的研究 ( 如清华大学、 天津大学 等)， 在管线泄 漏检 测理论方面取 得了 一定的成果 和经验 1 0 1 ， 尝试各种新的方法和手 段。 从简单的人工分段沿管线巡视发展到 较为复 杂的软硬件相结合的方法， 提高了 管 线泄漏检测的灵敏度和准确度。国 内如中 原油田、 华北油田、大港油田 等地也积极研 究和应用。 中 洛线 ( 中原一洛阳) 浪阳 首站至滑县 段安装了 天津大学研制的 管道运行状态及 泄漏监测系统，采用的是压力法。 胜利油田 油气集输公司与清华大学合作研制的检测 系统， 采用的是压力点分析法， 进行了 现场试验， 达到的指标是:最小检漏量为总流 量的1 % ， 最大定位误差是被监测管长的2 0 / a 。 清华 大学与沈阳 东北管道设计研究院 合 作 研 制了 输 油 管 道 泄 漏 计 算 机 实时 监 测 系 统 u ,12 . 2 0 0 1 年 该小 组 在 胜 利 油田 集 输公 司 的 孤永东管道设计了 一套输油管道实时泄 漏监测系统， 该系统具有动态泄漏检测能力， 通过实 时的数据采集、 传输和处理实现在 线的泄 漏检测和定位 1 3 随 着国内 石油产品 管道自 动化水平的 提高， 管道 泄漏检测的 应用环境也愈趋成熟， 如何充分发挥自 动控制系统的 功能 ，尝试 各种新的 方法和手段，实现管输石油产品泄 漏的自 动检测， 提高泄漏检测的 灵敏度和更 加准确地判断泄漏位置，受到人们的普遍 硕士论文石油管线泄漏检测技术研究 关注，这方面的理 论研究 和应用 都将不断发展。 1 . 4 泄漏检测的性能 评价 管 道泄 露自 动检测系统能 够及时 准确报告泄漏事故的范围 和程度， 可以 最大限 度 地减少 经济 损失 和环境污染及更大危险的发生。 对一种泄露检测方法的 优劣和性能的 评价，应从以下几个方面考虑: ( 1 ) 泄 漏检 测的灵 敏度:指泄 漏检测系统对小的泄 漏信号的 检测能 力. ( 2 ) 泄漏检 测的及时 性: 指检测系统在尽可能短的时间内 检测到泄漏发生的 能力. ( 3 ) 泄露的误报率: 误报率是指系统没有发生 泄漏时却被错误地 判定出现泄露的 概率。 ( 4 ) 泄露的漏报率: 漏报率是 指系统出 现了 泄漏却没 有被检测出 来的 概率。 ( 5 ) 正常工序操作和泄漏的分离能力: 是指对正常的起 / 停泵、 调阀、 倒罐等情况 和管 道泄漏情况的区 分能 力。 这种区分能力越强， 误报率越低。 ( 6 ) 泄露辨别的 准确性: 指泄 漏检测系统对泄漏的 大小及 其时变特性的 估计准确 度。 对于泄 漏时 变性的 准确估计， 不仅可以 识别泄漏的 程度， 而且可对老化、 腐蚀的 管道 进行预测并 给出 一个合理的 处理方法。 ( 刀 鲁棒性:指泄漏诊断系统 在存有噪声、 干扰、 建模误差等情况下正确完成泄 漏诊断的 任务，同时 保证满意的 误报率和漏报率的能力。 诊断 系统鲁棒性越强， 可靠 性就越高。 ( 8 )自 适应能力: 指诊断系统 对于 变化的诊断对象 具有自 适应能力，并且能 够充 分 利 用 由 于 变化 产 生 的 新 的 信息 来 改 善自 身 14 1 在实际 工程设 计中， 首先要正 确分析工况条件及系统 性能 要求，明 确各 性能要 求 的 主次关系， 然后 从众多的泄漏 检测方法中进行分析， 经过适当 权衡和取舍， 最后选 定最优解决方案。 1 . 5 本文的主要研究工作 基于目 前大庆油田的长输管 线大都没有泄露自 动检测系统 和国内 不成熟的管道 检 测理论和系统，本文 采取兼容并 包的 方法， 即通过学习己 有的 泄露检测技术， 针对不 足，探索有自己特色的管道泄露检测系统。 硕 士 论 文石油管线泄漏检侧技术研究 目 前的管 道泄露 检测方 法包括负压波法、压力梯度法等多种方法。根据该项课题 所接触到的数据特点，本课题采用了基于相关分析的泄漏检测方法。采用双压力传感 器采集石油管道压力 数据， 根据面积变化的特征进行拐点 检测，使用双压力传感器采 集到的两组压力数据 之间的 联系 两拐点出现的时间差， 进行泄漏诊断。这种方法 增强了 检测系 统的正 常工 序操作和泄漏的 分离能力。本文主要进行了以下几个方面的 工作: 1 、 设计了一种泄 漏检 测技术。 针对目 前国内 主要采用的基于信号处理的泄漏检测 方法 负 压波法、 压力梯度法， 没有自 动辨别引发负压波原因的功能，容易产生虚 普. 所以， 研究 一种泄漏检 测方法， 使其能够有效识别负压波产生的原因，降低系统 误报率。 2 、 研究了一种 拐点检测的方 法， 对双 压力传感器采集到的 压力数据进行分析和实 验，并论证此方法的可靠性。 3 、 选用相关分 析法来识别压 力变化的原因， 并 通过 对相关对象的 选择和改 进， 进 行多 组实验，比较各 种方案的可行 性， 找到一种能够辨别负压波产生原因 的比 较好的 方法， 当调整工况 ( 比如管道降压 等)时， 减少泄漏的误报率。 4 、 尝试了一种泄漏点定位方法， 由于泄 漏定位受多种因 素的 影响， 因 此， 研究了 一种比较准确的搜索算法来实现泄漏点的精确定位. 1 . 6 木文的内容安排 本文共分6 章， 内容安排如下: 第一章 绪论， 介绍了 管道泄漏检测理论的 背景， 目 前的研究内 容和研究 方法以 及 本文 研究工作中所要解决的问 题， 最后介 绍了本 文的 主要任务及各章内 容安排。 第二章 讨论了国内主要采用的泄漏检测和定位的方法， 设计了一种采用双压力传 感器结合相关分析法的泄漏检测技术。 第三章 对压力数据进行了 滤波处理， 分析了 基于双 压力传感器的突变波形 段的 压 力曲线的 变化特征和双曲 线之间的 联系，并在此基础上 实现了 荃于 波形特征的 拐点 检 测方法。 第四 章 比 较了 基于不同 相关对象的相关分析法， 对双压力曲线 进行泄漏检 测， 并 分析了 试验结果。 给出了 采用相关分析法应该注意的 几个问 题。 第 五章 讨论了 影响 管道泄漏的因 素，尝 试了一 种比 较精确的 泄漏点 定位方法。 s 硕士论文石油管线泄漏检侧技术研究 第六章 对全文进行总结， 并对今后的 研究 方向 进行展望。 硕士论文 石油管线泄沮检侧技术研究 2输油管线泄漏检测方法研究 泄漏是石油工业安全生产 最大的 威胁。 泄漏的一般定义是这样的:由于密闭的 容 器、管道、设备等内 外两侧存在压力 差，因 此在其使用过 程中，内 部介质在不允许流 动的部位 通过孔、毛细管等缺陷渗出、 漏失或允许流动的部 位流 量超过允许量的一种 现 象 ， 叫 做泄 漏 问。 泄 漏需 要 有 泄 漏 通 道 及 存 在 压 力 差， 而 压 差 是 产生 泄 漏的 根 本 原 因。 在前一章中，对管道发展的 状况 和泄漏检测的 研究现况有了了解。本章， 在深入 分析泄漏引发的水击过程之后，针对目 前国内 主要采用的泄 漏检测 方法一 一基于模型 的 检测方法和基于信号 处理的 泄漏检 测方法存在的优缺点，设计了一套能降低泄漏误 报率的泄漏检测系统。 2 . 1 原油输送管道泄漏过 程分析 原油输送管 道内液体的流 动状态可分为 稳定和不 稳定 两大类， 稳定 流动是管道流 动的基本状态，不稳定流动是由于稳定流动受到破坏而引起的，例如开阀和关阀、起 泵和停泵、调节阀和安全阀动作、动力故障等各种原因引起管内压力波动，同时这种 压力波动会沿管向上下游传播，引起整个管道内流体的瞬变流动。工程上的不稳定流 可能引起的管道超压、噪声、 抽空和振动，比起由稳定流分析所得的结果要严重的多。 水流的不 稳定现象称为水击。 突发 性的泄漏也是一种管 道的 流动瞬变现象。 泄 漏发生时， 也会 产生沿管道向 上、 下游传播的水击波， 并且能在管道系 统的 边界点处 ( 如泵出口、阀门、 下游储罐以 及 泄漏孔处等) 发生反射， 得以 继续传 播。由 于沿程摩阻和管线充 装作用，水击波在传 播过程中会不断衰减。管道从发生瞬变过渡到新稳态的过程就是水击波传播、反射、 叠加、衰减的过程， 所以 从理论上深 入研究不同 情况下水 击波的 传播过程及给管线压 力、流量所带来的变化，有助于理解负压波的规律，对于泄漏的判别和识别也有指导 意义p 叹 2 . 2 输油管线泄 漏检侧和定 位技术综述 泄漏检测和定位 技术从 不同 的侧重点出 发， 可以 有不同的分类方法。目 前的检 漏 方法， 根据检测对象 划分为 检测石油产品 和气体泄漏的 直接方法，检测因泄漏造成的 流量、 压力、 声音等 物理参 数发生的间 接方法。 7 硕士论文 石油管线泄汤检侧技术研究 2 . 2 . 3 . 1 基于压力梯度法的泄漏检侧 输油管道泄漏点及压力检测点的示意图如下: 图2 . 2 . 2 管道泄漏点及压力测试点示意图 图2 . 2 . 2 中， l 为管道长度， h 为泄漏点距上游站的 距离， p 1 , p 2 为管道首末端 的压力传感器，q 为信号流量。 压力梯度法是基于管道压力沿管道是线性变化的前提下来进行泄漏检测和定位 的。 当发生泄漏时， 泄漏点前的流量变大， 坡降变陡; 泄漏点后流量变小， 坡降变平， 这样， 沿线的压力梯度成折线型，交点即为泄漏点，管道上下端的压力梯度在泄漏点 处有相同的边界条件，由此不难计算出 实际泄漏位置。因此使用p 1 和p 2( 上游端两 个压力测点) 计算上游段的压力梯度， 用p 3 和p 4( 下游端两个压力测点) 计算下游 段的压力梯度。 首端压力梯度 / 末端压力梯度 z 矛 泄皿点 了 p 3 d 4 、-p 1|111!|1p 图2 . 2 . 3 定位原理示愈图 压力梯度法只需要在管道两 端安装压力测点，简单、直观;不仅可以 检测泄漏， 而且可确定泄漏点的位置。 但因 为实际中 沿管线压力梯度呈非线性分布， 压力梯度法 的 定 位精度较差;而且仪表测量对定 位结果有很大影响。 此外， 测点p 1 和p 2 . p 3 和 p 4 之间的 距离之间 影响检测的灵敏度。 所以， 压力梯度法定 位可以 作为一个辅助手段 和其他方法一起使用. 硕士论文 石油管线泄漏检侧技术研究 2 . 2 . 3 . 2 基于负压波法的泄漏检测 负 压波法 是目 前国 际 上应用较多的 管线泄漏 检 测和 漏点定 位方法3 0 1 。 当管 道上 某 处突然发生泄漏时， 泄漏处立即 产生因 流体物质损失 而引起的局部液体密度减小，出 现瞬时 压力降低和速度差，这个瞬时的 压力下降作用在流体介质上，就作为减压波源 通过管线和流体介质向泄漏点的上下游以 声速传播。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， 其传播的速度在不同规格的管线中并不相同。 设置在泄露点两端或泵站两端的传感器拾取压力波信号，根据两端拾取压力波的梯度 特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可以确定泄露程度和泄露点位 置3 1 1 2 . 2 . 3 . 3 基于负压波的检测原理和定位公式 负压波法是根据传感器捕捉到特定的 瞬态压力降的 波形进行泄漏判断，根据负 压 波 传 播 到 上 下 游 的 时 间 差 估 算出 泄 漏 位 置 3 2 3 3 1 在输油管道泄漏检测系统中， 管道的首末两端装有两个压力传感器， 接收系统中 传过来的压力值。 定 位原理如图2 . 2 . 4 所示， 设管道长为l ， 泄漏点为x ( x点是管 道 上 任 意 一点) ， 负 压 波 传播 速 度为， ， 管 道内 流 体 流 速为v n ， 一 般v 比 y o 大3 个 数 量 级以上. 么 ( it 站)% ( 7 $ 漏点) b ( 末站) 图2 .2 .4 泄漏点的定位 在图 中 假 设 泄 漏点x 处 产生 的 压 力 波 传 到 首 站 端的 时 间 为t , ， 传到 末站 端的 时 间 为t 2 ， 则 有: t , = ( 2 . 2 . 1 ) v 一v u t 2 = l一x v +v o ( 2 . 2 . 2 ) 当 液体管 道出 现 泄漏时， 其两 个 端点 的 压 力会急 剧下降， 根据两个端点压力 传 感 11 硕士论文石油管线泄润检测技术研究 器所检测到的压力剧降的时间 差，即可估算泄漏位置， 如式( 2 . 2 . 4 ) . 山= t i 一 t 2 = ( 2 . 2 . 3 ) v -v o l一x v +v o 。事 x l - (v - v . ) 十 (v 2 - 4 ) x 胡 招 . 2 . 4 ) 其中: l -管道长度( m ) ; x-泄漏点到首端w-离( m ) ; v 管道中负压波的传播速度( m / s ) ; v o 流体速度( m / s ) : a t 首末端压力波到达时间差( s ) : 假设 首 端泄 漏产 生 负 压 波， 传 到 末 端， 有t, = 0 . t2 =一 三 - ; 再 假 设 末 端 产 生 泄 漏 v +v o 负 压波 传到首端， 则有t , =， t2 = 0 两 个 时 间 差 的 绝 对 值 为 it, - t2 l = 2 v , v 一v ov 2 一 v 02 l.因 为 二 1 0 1 ， 由 此 引 起 的 定 位 误 差 在 管 段 长 度 的1 06 0 以 下 ， 因 此 可 以 忽 略 v o 对 ， 的 影 响 . v o 式( 2 . 2 . 4 ) 可以简化为式( 2 . 2 . 5 ) = 告 . l 十 ， 夕 ( 2 . 2 . 5 ) 若测出a t ，即可由式( 2 . 2 . 5 ) 求得泄漏点x距首端之间的距离。 2 . 2 . 3 . 4 负压波法检测的缺点 负压波法的一个主要缺点是:由 于在诸如调阀、 起泵等工况变化时，波形也会产 生瞬态压力突变。 所以 当由 调阀 等引 起负 压波时，该方法会把该负压波认为是由 泄漏 引 起的， 亦即该方法没有自 动辨别引发负压波原因的 功能， 这样就会产生虚普。 而这 种工况的变化时有发生， 随着系统的虚警率的 提高， 所带来的 人力和物力的损耗是不 堪设想的。所以，本文研究内 容的关键是如何有效地解决虚等。 硕士论文石油曾线泄肠检汤技术研究 2 . 3 问题的提出 过去， 人们有一种误区， 认为管道泄漏了能否报苦是关键问题。其实，泄漏报警 并非难事， 难的是没有泄漏别报替。如今， 人们常常为了 泄露时能报普， 搞得不泄露 时也报普。 经常性的 虚苦不仅损失大量的 人力和物力， 而且容易造成工作人员思想上 的忽视，以 至于真正泄漏时， 工作人员当作是虚警， 不予及时采取抢修工作，其造成 的 经济损失不堪设想. 所以，能够正确报替，是世界上所有的动态管道泄漏检测系统 都在设法解决的问题，这已经成了衡量系统性能的关键指标。之所以困难，是因为不 知道什么是泄漏。 所以说， 管道泄漏的 关键技术问 题是系统能否正确的识别出 什么是 泄漏。 上一节中介绍过，波形在正常情况下是稳定的，当发生泄漏后，波形会经历一个 “ 大幅度” ， 大跨度” ， “ 大陡 度” 的 压力突变， 这个压力突变就是用于系 统报誉的依 据。但是在发生诸如开阀、关阀、起泵、 停泵等一系列工况变化时，波形也会产生瞬 态压力突变。 ( k p a ) ( k p 人) sil “ “ 几 .砂队 铆翻 2v 2 1 0 一 . 1 0加匆 图2 . 3 . 1 调泵引起的负 压波 可见，仅依靠传感器对负压波的 捕捉是不够的 进行识别， _ 这样当调整工况时系统会产生虚替。 1 0 2 0 3 0 4 0 ( s ) 图2 . 3 . 2 泄 漏引 起的负压波 ， 传感器无法对负压波产生的原因 2 . 4 一种基于双压力传感器的 泄漏检测系统 长输管道泄露检测一般要经过诊断、 测距、定位三个步骤。首先要能 够迅速发现 管道出 现泄露， 然后是能够粗略指出 泄漏点的方位， 最后在现场精确地确定泄漏点。 在传 统的 负 压波泄 漏检测系统中 ， 管 道的 首 末两 端装 有两个压力传感器， 接收系 统中传过来的 压力值。当管道上某处突然发生泄漏时，由 于管道内 外的 压差， 泄漏点 的流体迅速流失， 在泄漏处产生瞬态压力突降。由 于管道的 波导作用， 经过若干时间 后， 包含有泄漏信息的负压波分别传播到数公里以 外的上下游，设置在管道两端的 传 硕士论文石油管线泄拐检侧技术研究 感器拾取压力波信号。 人 嘴 站)c 超漏点) . 味 站) 图2 . 4 . 1 传统压力传感 器的 安装示意圈 图2 . 4 . 1 是一般情况下压力传感器的 安装示意图。 在管线两端分别安装高灵敏度 压力传感器p l , p 2 ， 通过计算机数据采集系统采集两端的压力， 并进行数据处理分析， 如压力波形的时间 对齐， 千扰噪声的 排出， 泄漏点的 判断等。当两压力点间某一点发 生泄露时， 必然会引起两端压力的降 低， 降幅与泄漏量相关， 泄露量越大压力降 越大。 无论在调泵和调阀 等正常操作时， 还是在管道发生泄漏时， 波形都会经历从稳定 态到不稳定态， 再到稳定态这样一个过程， 其间 会经历一个较大的 振幅。 从图2 . 3 . 1 和2 . 3 . 2 可以 看出，由 泄漏引 起的负压波有个反 射过程， 泄漏引发的水击波的余波会 产生反弹; 而调泵引 起的负压波， 从图中看出 调泵引 发的负压波在l l 段和l 3 段都很 平， 在l 2 段数据序列也发生了 大“ 幅度分 、 大“ 陡度”、 大“ 面积. 的下降， 但它下 降的 较泄漏引发的负压波要平缓，而且下降 之后没有出 现波形反弹。 传统的识别系统 就是 根据这种负压波信息的 不同， 采用模式识别等方法进行判别， 但这些方法要求对 波形的定义非常的准确，所以虚等率高。 在此基础上， 本文设计了一种泄漏检测的 安 装系统。 在传统的泄漏检测安装系统上采用双压力传感器， 分别安装在加压器端和管道入 口 处。如图2 . 4 . 2 所示，是某油库a 到油 库b 的压力传感器安装示意图: 油库b油库么 图2 . 4 . 2 双压力传感器的安装示意图 在油 库a 的 加压 器端 和距离管口 一 定 位置各 安 装一 个压力 传感器a l ( 近端) 、 a 2 ( 远端) ， 传感器将采 集到的 数据一并 传 给p c 机。 其中 ， 加压器主 要是 用来调阀 等 操 1 4 硕士论文石油管线泄漏检洲技术研究 作的。 传统的泄漏检测系统是根据传感器采集到的流量值的 变化、 管道压力值的 变化来 进行泄漏判断。 本文采用的 双压力传感器主要是用来计算时差的， 其理论依据是:由 于a 1 和a 2 拾取的压力波信号来自 同 一条波形，仅存在时间差， 所以 波形特征是基本 相同的， 在界面上显示时仅存在坐标轴的 平移现象。 如果a 2 端到b 2 端之间发生了 泄 漏， 那么传感器a 2 将比a 1 先采集到特征波形:如果波形突变是由于调阀引起的， a 1 将先于a 2 采集到特征波形。 本文采用双压力传感器对油库 a进行了调泵等操作情况下的数据采集，其中图 2 . 4 . 3是启泵状态下的压力数据序列波形图。 从图可以 看出， 采用双压力传感器采集 到的 双压力曲 线波形的变化趋势是基本一致的， 验证了 采用双压力传感器进行泄漏判 断的可行性。 二日 ， 口.1，. 一脚 呀 为. 一 一宁一 一一， 嘴一 一一 言- 一 一 才- - - - 一 言一- 一一 t - 一件 - - 一 we . . ,d 图2 .4 3 启泵状态下的波形图 在管线泄漏检测技术中，采用双压力传感器是克服工艺条件干扰最有效的办法之 一，如何能够通过双压力传感器排除千扰， 两个压力传感器间的距离选择很关键，距 离过短无法获得足够的时间差， 距离过长将失去试验的 意义。 通过在油库a 作现场试 验，当2 个压力传感器的距离为2 0 0 米时，数据分析效果不够理想。因此此次试验将 扩大2 个压力传感器的距离。 可近似确定为6 0 0 米，经现场勘察油库a ,油库b出 库 附近有足够长的直管段可安装压力传感器。 采用双压力传感器可以根据两端数据压力波的拐点出现的先后次序进行泄漏判 断，但从图2 . 4 . 3 可以发现， a 1 端和a 2 端的压力曲 线时间间隔很小，由于两拐点之 间间 距极小 和实际 运行过程中压力数据的复杂性， 本文考虑采用相关分析法来实 现。 2 . 5 小结 本章对原油泄漏过程进行了 分析， 在此基础上， 着重讨论了目 前国内 主要采用的 1 5 硕士论文石油管线泄润检侧技术研究 泄漏检测方法 负 压波法。当管 道上某处突然发生泄漏时，在泄漏处将形成一个负 压波，上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力降的波形后就可以进行泄漏判断。但 这方法存在不足，即分辨不出负压 波的 产生是因 为泄漏产生的还是因为管况变化引起 的， 容易产生虚普。 针对这一点， 本文在原有泄漏安装系统的基础上采用了双压力传 感器， 只需根据拐点的先后顺序就可以判断负压波产生的原因。 由于拐点间隔时差小， 光靠人眼检测界面波形是不可取的.针对这一缺点，本文将采用相关分析的知识来确 认管道中产生的负压波是有何种原因引起的。 硕士论文 石油管线泄漏检侧技术研究 个加法与减法。 3 . 2 拐点检侧方 法的研究 采用相关分析法， 对波形上每 个点一 一进行分析， 时间复杂 度会非 常的高。如果 先找到一条 波形曲 线拐点的 大概位置，然后根据相关分 析法找 到另一条曲 线拐点相应 位置， 再 进行泄漏诊断，就 可以 减少很多计算量。 当管 道压力发 生突变时，波形特征 会发生很大的 变化， 应用波形的 特征值得改变， 就能够比 较容易 找到拐点出 现的大概 位置。 3 . 2 . 1 波 及其特征的定义 对消除干扰的数据序列n 2 ( i ) 进行如下元素定义: ( 1 ) 波形: 在n 2 ( i ) 的 数据序列中， 若一段数 据序列1 代表着原始数据序列中的一 个上升 沿、 下降沿或稳定态， 则定义i 为 一个波形。 ( 2 ) 极 性: 对于波形i ， 若1 为 上升沿， 则称该 波形为正极性， 若为下降 沿， 则称 该波形 具有负 极性。 ( 3 ) 幅 度:幅度为一个波形中 数据的 最大和最小 值之差， 主要用来 表示上升沿或 下降 沿的行程，n= m a z ( i ( i ) ) - m i n ( i ( i ) ) . ( 4 ) 跨度: 对于波形i ， 跨度是 波形i 共含数据个数， 代表此上升 沿、 下降沿或平 稳段 所包含的点的个数。 ( s )峭 度: 对波形i ， 峭度p 二 n i k，等于幅度除以 跨度， 主要用来表示 上升沿 或下降沿的陡峭程度。 (6 ) 面 积 : ， = 之 i i (i) i， 代 表 着 波 形 ， 包 含 的 面 积 . 儿 这样， 对于任意一个波，就可以 用这五 个简单的 量来表述该 波的 信息. 3 . 2 . 2 基于双压力传感器的 压力曲 线分析 在第二章中介绍了采用双压力传感 器进行泄漏 检测的 原理 根据异常波形的 拐 点 时差进行泄漏判断。由于两 个压力 传感器采集到 的信号 来自 同 一次石油传输， 所以 双压力曲 线在外形上是 基本一 致的。 如图3 . 2 . 1 是 对现场进行调频 操作 后的 压力曲 线 硕士论文 石油管线泄漏检侧技术研究 波形图 井= - 图3 . 2 . 1 调频状态下的 波形图 从图3 . 2 . 1 可见， 当管道压力由 于泄露或调泵等原因发生突变时， 两波形曲 线之 间会有基本一致的 变化趋势。 由 于两个传感器之间相隔一定距离， 而原油在输送过程 中存在管道摩擦阻力， 所以离管道入口 处相对较近的a 1 端的压力值整体相比a 2 端要 大些。 但在现场的实验过程中也发现， 当工况变化只引起较小的压力变化时， 两曲 线 并没有发生一致的变化。如图3 . 2 . 2 所示，当调频幅度不满足一定值时，a 1 端的曲 线发生了改变而a 2 的传感器却没有采集到这个突变信号。这主要是由于调泵和调阀 本身速度一般比 管道爆裂慢，并 且调泵、 调阀多发生在管 道首端，所以a 1 对小的 压 力变化比 较敏感， 而油流沿管道朝另一端流动过程中由 于摩擦阻力使压力不断下降， 使得石油传到相隔6 0 0 米远的a 2 端时， 传感器a 2 无法采集到特征波形。 图3 . 2 . 2 工况变化状态下的 特殊波形图 而在发生泄漏的过程中管道爆裂一般比 较快， 传感器a 2 和b 2 之间间 距约5 0 千 米， 在沿程管道摩擦阻力下如果a 2