输油管道监控系统设计与开发.docx

输油管道监控系统设计与开发 3张永健 1 ,方来华 2 ,关磊 2( 1. 中石化华东石油局 ,南京 210009)( 2. 中国安全生产科学研究院 ,北京 100029)摘 要 :管道输送具有运输量大 、运费低 、能耗少 、损耗率低 、投资少等优点 ,已成为原油或油品销售及运输的重要方式之一 。管道或输油库一旦发生泄漏或火灾等事故 ,会造成输送停止 、油损失 、 污染周边环境等严重后果 。通过分析输油管道的工艺特点及危险因素 ,设计了输油管道监控系统的整体结构及各监控终端的硬件结构 ,研究了输油管道泄漏的综合分析技术方法 ,详细讨论了系 统的信息采集 、自动化控制 、动态监控 、状态分析 、信息融合 、基于 g is的输油管道管理等功能的开发内容及方法 。关键词 :危险分析 ;泄漏检测 ;监控报警 ;安全管理中图分类号 : x937文献标识码 : ad eve lopm en t an d de s ign of m on itor in g sy stem for o il tran spor ta t ion p ipe l in ezhan g yong2jian1 , fan g l a i2hua2 , guan l e i2( 1. h uadong o il b u reau, sinop ec, n an jing 210009, ch ina)( 2. ch ina a cadem y of safe ty sc ience and techno logy, b e ijing 100029, ch ina)a b stra c t: tran spo rta tion via p ip e line ha s been one of the mo st impo rtan t m ean s to se ll and tran spo rt c rude o il and itsp roduc t due to its advan tage s of la rge quan tity conveyance, low ene rgy con sump tion, low co sts, little inve stm en t, e tc. l eakage o r fire acc iden t in p ip e o r o il tank w ill lead to stop of tran spo rta tion, o il lo ss, po llu tion of environm en t and o the r haza rdou s con sequence. p roce ss cha rac te ristic s and haza rdou s fac to rs we re ana lyzed, ove ra ll configu ra tion and ha rdwa re a rch itec tu re of mon ito ring te rm ina ls we re de signed, and comp rehen sive ana lysis app roache s we re inve stiga2 ted in o il p ip e leakage. d eve lopm en t of func tion s such a s info rm a tion co llec tion, au tom a tic con tro l, dynam ic mon ito r, sta tu s ana lysis, info rm a tion fu sion, and g is ba sed o il p ip e m anagem en t we re d iscu ssed in de ta il.key word s: haza rd s ana lysis; leakage de tec tion; mon ito ring and a la rm; safe ty m anagem en t工破 坏 造 成 泄 漏 、火 灾 、爆 炸 等 事 故 频 繁 发 生 , 如2008年 5 月 16 日 , 尼日利亚推土机施工造成输油 管道 泄 漏 引 发 大 火 和 管 道 爆 炸 , 造 成 近 100 人 死亡 1 。 2007年 9月 2 日 ,陕西省延安市陕北输油管线断裂造成原油泄露事故造成饮用水水库库尾水面 被污染 。 2007 年 5 月 14 日 , 仪征至长岭沿江输油 管线怀宁县三桥镇段因盗窃管道原油案件导致百余 吨原油泄漏 ,发生重大原油泄漏事故 2 。 2000 年 7 月 24日 ,抚顺营大公路大石桥成品油输油管线发生1 引言近年来 ,国内外输油管道因盗油 、腐蚀穿孔或施收稿日期 : 2009 203215作者简介 :张永健 ,男 ,教授级高工 。3 基金项目 :国家“十一五 ”科技攻关项目 (编号 : 2007ba k22b0204 21)第 3期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术69错位泄漏 ,挖掘机在作业中引发大火事故 3 。输油管道发生的事故严重干扰了正常生产 ,造成了巨大 经济损失 、人员伤亡和环境破坏 。由于输油作业系统是由输送管道及输油站的罐区 、泵房 、阀组及监测仪表 、控制设备等组成的大型复杂综合系统 ,尤其是 输油管道分布广 、线路长 、环境条件复杂 ,仅依靠管 道安全管理人员的人工巡查 ,效率十分低下 ,无法有效保障管道输送安全性和稳定性 。因此 ,如何建立 经济 、合理的监控系统实施有效监控与管理 ,是石油 化工管道输送亟待解决的问题 ,也是一个难点问题 。充分利用现代通讯技术 、控制技术 、计算机及安 全管理等技术 ,建立输油管道监控系统 ,可及时发现和处理出现的异常情况 ,有效提高输油作业的安全 保障能力 ,提升自动化控制水平 、业务管理水平 ,节 约运营成本 ,改进工作效率 ,提高企业经济效益与竞 争力 。可靠性和稳定性 。输油管道的空间跨度大 ,管道监控装置要布置在较大的空间跨度上 ,对数据的传输必须 满足这一空间要求 。需要采集输油管参数 (如压力 、流量 、温度等 )的采集点数量多 ,数据能返回监控中心便于进行综合分析 ,此外 ,整个监控系统的造价不能 过高 ,需控制成本问题 。对管道输送系统中泄漏事故 的监控 ,目前根据不同的监测原理 ,监测技术可分为流量 、压力 、化学 、声学 、统计 、光学 、模型监测等 。所 用监测的常规方法有负压波法 、漏噪声探测法 、热红 外成像 、压力梯度法 、应力波检测法等 5 。管道泄漏 监测技术主要解决泄漏报警和泄漏点定位问题 。这 些方法都是泄漏发生时或发生后进行检测 ,不能预报警 ,存在着定位准确度低 、距离短等缺点 。为克服这 些缺点 ,可采用以软件方法为主 ,硬件方法为辅的软 硬件结合方法进行输油管道监控 。充分利用计算机 技术 、控制理论 、信号处理 、人工智能等学科的理论 、 技术与方法 ,开发配套软件实时监测输油管道状态 ,实现在线监控 ,及时给出预警 、报警信号 ,将自适应控 制等方法应用于检测和定位算法中 。2 系统问题描述引起输油系统发生泄漏或火灾等事故的主要原因包括 :第 3方破坏 ,如偷窃油品 ; 环境引发腐蚀及 开裂 ,如管体 、电焊管焊区选择性内腐蚀 ,土壤 、水 、溶解气体 、杂散电流的外腐蚀 ;机械损伤造成管体缺 陷如施工前和施工中损伤 ,第 3方活动损伤 ;失稳变 形破坏如土壤移动 、地层下陷 、断层剪切 、水流冲刷 、 自然灾害等引起失稳变形 ; 操作失误等 4 。输油管 道系统危险分析可如图 1所示 。3 监控系统及终端结构设计监控系统主要由输油站集 、输送管道 、卸油区等多个现场监控终端及控制中心端组成 。对于输油站 等近端监控点 ,控制中心通过有线方式与现场端实 现通讯 ,对于输油管道 、卸油等远端点采用 gpr s或 wlan 等无线方式实现数据传输 。总体结构示意图如图 2 所示 。输油站的现场温度 、压力 、流量等传感 器将信号传输给现场 i/o 设备 , 由 plc 进行处理 、 计算并输出相应的控制命令给现场执行器 ,实现对 阀门的开关和泵的启停等控制 ,同时 ,将处理后的数 据信息发送到控制中心 ,对现场视频图像通过网络视频服务器进行信号转换以 tcp / ip 形式传输给控 制中心 。对于管道监控 ,在平原地区 ,可采用远程终 端单元 ( r tu ) 如嵌入式控制器作为现场监 控端 设 备 ,其硬件结构如图 3 ,其中 r s485 /232 可与现场智 能仪表等相连 ,以太网接口用于将转换后参数信息通过无线发射天线发射给控制中心 , gps用于监控 点的定位和时间同步 , a /d 或 d /a 接口用于接收现 场传感器信号的转换与处理 。若建筑物或其他障碍 物较多 ,不适合架设无线发射台 ,则采用基于 gpr s图 1 输油管道系统危险因素分析由于输油管道所处环境复杂 ,监控设备应较高的70中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 5卷的数据终端单元 (d tu ) ,其硬件结构如图 4 ,其中 。这两种终端主要采集管道运行工艺参数 ,如管道进 出端的温度 、压力 、流量 、全球定位系统时钟信息等数据 。嵌入式控制器所采用 arm 微处理器具有高性能 、低功耗 、内部集成丰富的外设资源 、工作性能 稳定 、指令执行速度快 、效率高等特点 。采用嵌入式 控制器时 ,需要架设无线发射天线与控制中心进行通讯 ,无线传输距离可以达到几十公里 ,可传输视频 图像等 大容 量 数据 。d tu 终端 可以 利 用 gpr s 网 络 ,其具有覆盖范围广 、接入时间短 、传输速率高 、永 远在线和按流量计费等优点 ,适用于频繁传送小数 据量的应用和非频繁传送的大量数据 ,比较适合于野外复杂环境下管道相关参数的传输 。控制中心设置有多台工业控制计算机 ,服务器和显示大屏 ,通过切换 ,可以将计算机内所有信息切 换到显示大屏上进行显示 。工控机完成数据 、视频 等信息的显示 、管理和查询等功能 ,服务器用于备份 重要的信息 ,并对外发布网络信息 。4 系统功能设计与开发411 管道泄漏监测与定位本系统将采用物质平衡法 、负压波法等多种监 测方法进行综合分析 。物质平衡法是根据管道介质 流动质量守恒原理 ,综合考虑管壁 、介质密度 、允许误差限 、泄漏检测灵敏度和可靠性等影响因素 ,根据管道端点所采集的流量 、压力和温度数据 ,确定管段 内是否有介质泄漏 。该法测漏灵敏度高 ,设备简单 ,安装方便 ,造价较低 , 但 缺 点是 不能 发 现泄 漏点 的 位置 。由于管道中是否存在泄漏 、泄漏量的大小及泄漏位置的不同对管道两端的压力 、流量和温度有不 同的影响 ,故可依据此建立管道泄漏瞬变流动动力 学模型 ,分析介质泄漏量及泄漏位置对管道两端点 压力 、流量和温度的影响及响应规律 。采用负压波 检测法进行泄漏定位 ,其原理是当管道中发生泄漏 时所产生的扰动总是向管道两个端点传播 ,当该过 程传播到管道端点时 ,将在管道两端点产生影响 ,使 其运行参数发生变化 。随着泄漏发生位置的不同 , 管道端点的响应时间也不同 。根据所测量到的管道 泄漏扰动波首次传播到两个端点的时刻和时间差 , 即可由压力波向下游和上游传播的速度计算出管道 泄漏的地点 。泄漏定位公式如下 6 :图 2 系统总体结构示意 - vl + ( + v)t x0 =( 1 )2图 3 现场终端 rtu结构t = t1 - t2其中 , x0 为管 道 泄漏 点距 首站 的 距离 , 为 压 力波传递速度 , l 为管道长度 , v为介质的流速 , 为上下游压力传感器接收到压力波的时间差 。在管道的起始端和末端分别装配上高精度压力 变送器 、温度变送器和流量计等仪表 ,对现场信号进 行采集 。温度 、压力信号通过传感器以 4 - 20ma 的 标准信号传送到监控终端 ,流量脉冲信号通过磁电图 4 gprs d tu 结构图第 3期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术71式脉冲信号发生器传送到信号处理器 。 gps为监控系统提供经过精确校正的标准时间 ,以确保管道两 端时间 、数据采集的同步性 。负压波检测法响应速度快和定位精度高 ,但易受管道运行工况影响 ,采用瞬态负压波法和物质平 衡法相藕合的方法进行泄漏检测和分析 ,只有在压 力拐点 、输差增大同时出现的情况下 ,系统才做进一步的分析处理 ,可降低误报率 ,提高系统报警的准确 性 。负压波检测法响应速度快和定位精度高 ,但易 受管道运行工况影响 ,采用瞬态负压波法和物质平 衡法相藕合的方法进行泄漏检测和分析 ,只有在压 力拐点 、输差增大同时出现的情况下 ,系统才做进一步的分析处理 , 可降 低 误报 率 , 提高 系统 报 警的 准 确性 。4 12 系统综合功能的开发系统将完成输油管道系统的参数监控 、视频监 视 、事 故 监 控 预 警 、安 全 管 理 与 分 析 等 功 能 , 具 体如下 。41211 关键监控点的信息采集 完成主要输送管道的压力 、温度 ,储罐的液位 、温度和压力 ,热交换区温度 、压力 、气温 ,炉膛温度 、 烟道温度等实时数据的采集 、传输 ,对原油外输流量计 、燃油流量计进行自动计数采集 、累计量计算 ; 在 关键的工 位 设 置 视 频 摄 像 头 , 完 成 现 场 视 频 信 号 采集 。41212 自动化控制 、显示与报警 实时显示各监控点的运行值 ,查看实时趋势和历史趋势 ,完成基本的生产管理流程的自动化操作 , 如热力越站 、水力越站等自动运行 ,热媒炉的启停控 制 、系统联锁 、炉效实时分析 ,外输泵机组电参数 、泵 状态实时和监视等 。出现异常状态 ,如在管道发生 泄漏时 ,出发声光报警 ,计算出泄漏点的位置 ,显示始末时间 、时间差 、距离等相关信息 ,根据输油管道 g is系统中的地理走向图 ,用明显的闪烁动画显示 泄漏报警位置 ,提供管道距离对照表以确定报警点 准确位置 ,同时打印报警数据 ,计算出泄漏点产生的 泄漏量 。41213 实时监控 、状态分析 、数据查询 、统计等 来自现场的数据自动的存入实时数据库和历史数据库 ,根据所获取的实时数据 ,结合流程模型 、安 全信息知识库 ,实时分析每个监控工位的运行状态 ,依据所设定控制策略完成相应状态的控制和处理 ;在主机上实现数据 查询 、智 能处 理 、统 计分 析和 管 理 、运行趋势的分析 、综合报表和技术图表输出 ,完成设备管理 、数据归档记录和系统日志 ,记录故障及停机时间分析 ;可打印管道压力等参数监测值 ,统计 输油量 、计量等各类报表 ; 可实现站区出入口 、储罐 区等关键区域的视频监控和录像 ,所有视频图像及参数数据等信息均可通过切换在监控中心的大屏幕 上显示 7 。41214 信息融合 、系统分析及数据挖掘 建立安全关键性工艺流程的模型 ,并在这些模型的基础上 ,编制生产流程的安全控制策略 ,根据实时数据库中所处理的实时数据 ,结合安全信息知识 库 ,对整体系统安全状态自动进行分析 ,对分析后的 结果给出相应的处理方法 ; 某些监控点由于单一的 传感器信息采集量不足 ,且易受周围环境等干扰因 素的影响 ,难以保证检测信息的准确性和可靠性 ,采 用信息融合技术 ,将多个传感器所获得的空间或时 间上互补和冗余的观测信息 ,依据神经网络融合算 法加以自动分析 ,综合处理信息 ;利用各种传感器在 性能上的差异和互补性弥补单一传感器的缺陷 ,实 现安全相关信息融 合 ; 以实 时数 据 库 、多媒 体数 据 库 、关系数据库中的信息为对象 ,利用基于人工智能 技术及方法所构建的数据挖掘技术 ,完成安全相关 信息的关联分析 、聚类分析和偏差分析等任务 ,实现 各类安全相关信息的统计分析 、复合查询 、可视化和 图表输出 ,对信息进行动态分析和深入挖掘 ;预测可 能发生事故类型 、故障原因等重要信息 ,为事故的预 警报警以及人员 、设备等安全管理提供指导 。41215 基于 g is的输油管道管理 完成管道资料管理如各段的建设日期 、施工单位 、维修记录等 ; 实现管线 、输油站 、穿跨越 、管道附属设施信息的管理 ; 实现事故快速查询定位如地名 定位 、输油站定位 。实现在每条管线上任意了解各 处站场 、穿跨越 、管道 、站间 、管道三桩等设施的信 息 ;在地图上实现分别单独调出管道与水系 ,管道与 铁路 、公路等有关资料 ,使管道的穿越附属设施在图中一目了然 ;在图上方便地修改管线走向及各种管 道设施 ;设置输油站号及管道两侧附近村镇查询功 能 ,实现在不同窗口下任意输入站名 、桩号 、村镇名 进行查询 。可完成管道地理信息管理 ,对管道经过72中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 5卷t20080516 _15488463. sh tm l, 2008新安晚报 . 仪 (征 ) - 长 (岭 )输油管线发生重大原油泄 漏事故 , 2007. 5. 14x inan even ing n ew s, m a jo r o il sp ills of yi2chang p ip e2line, h ttp: / / new s. 163. com / 07 / 0514 /11 /3ef0164a000120gu. h tm l, 2007. 5. 14辽 沈 晚 报 . 我 国 最 大 的 成 品 油 输 油 管 线 发 生 泄 漏 .2000. 7. 24l iao shen even ing n ew s, ch inas l a rge st r efined o ilp ip e line l eak, h ttp: / / new s. sina. com. cn / ch ina /2000 207224 /110557. h tm l, 2000李平 全 . 油 气 输 送 管 道 失 效 事 故 及 典 型 案 例 . 焊 管 ,2005 ( 7 )l i p ing2quan. o il p ip e line fa ilu re a cc iden ts and typ ica lca se s j . w e lded tube, 2005 ( 7)胡长岭 , 孙宝权 , 张家田 . 输油管道漏失监测技术发 展综述 . 石油工业技术监督 , 2007 ( 2 )h u chang2ling, sun bao2quan, zhang jia2tian. p ip e line l eak mon ito ring techno logy d eve lopm en t summ a ry. o il indu stry techn ica l sup e rvision, 2007 ( 2)胡玉波 . 管道泄漏监测在成品油管道输送 中的应用 .设备管理与维修 . 2008 ( 12 )h u yu2bo, the app lica tion of p ip e line l eak mon ito ring techno logy in r efined o il p ip e line tran spo rt, equ ipm en t m a in tenance a nd m anagem en t, 2008 ( 12 )方来华 ,吴宗之 ,刘骥 , 等 . 油气集输站安全监控预警及管理信息系统的开发 . 2008 ( 2 )fang l a i2hua, w u zong2zh i, l iu j i, e t a l. the d eve lop 2 m en t of safe ty ea rly w a rn ing and m anagem en t info rm a2 tion system of ga s ga the ring sta tion, ch ina safe ty sc i2 ence jou rna l, 2008. 2余东亮 ,等 . 基于 g is的输油管道泄漏诊断系统 ,管道技术与设备 , 2006 ( 10)yu