浅析基于负压波法的长输油管泄漏监测

1、浅析基于负压波法的长输油管泄漏监测         摘要:本文针对我国原油具有“三高”的特性、在长距离输送时需要加热的特点,研究了影响负压波传播速度的因素,并在此基础上提出了比较准确的先粗分后细分的搜索算法来实现泄漏点的精确定位。      关键词:长输油管道泄漏负压波法定位    管道运输在输送气体、流体、浆体等方面具有独特的优势,己成为继铁路、公路、水路、航空运输之后的第五大运输工具。由于不可避免的老化、腐蚀及打孔盗油等原因,管道泄漏时有发生

2、,严重干扰了正常生产,造成了巨大的经济损失和环境污染。所以,加强管道泄漏监测与定位技术的研究与应用,对于发现管道泄漏,打击盗油行为,保护环境,减少企业经济损失,提高企业的自动化管理水平具有非常重要的现实意义。    1负压波检侧原理及定位公式    负压力波法是一种声学方法,所谓负压力波实际是在管输介质中传播的声波。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。泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点处补充。这个瞬变的压力下降作为振动源以声速通过管道中的原油向上下游传播,相当于泄漏点处产生了

3、以一定速度传播的波。在水力学上称为负压波。负压波的传播速度在不同的输送介质中有所不同,在液体油中大约为10001200m/s。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十公里以外的上下游,由设置在管道两端的传感器拾取压力波信号。再经过检测系统的分析处理,根据泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差和管内压力波的传播速度就可以估算出泄漏位置。    在输油管道泄漏监测系统中,管道的首末两端装有两个压力传感器,分别接收管道首末端传过来的压力值。定位原理如图1所示,设管道长为L,假设A、B为装有传感器的管道首、末端,泄漏点为C,C点是管道上任意一

4、点。设负压波传播速度为v,管道内流体流速为v0,一般情况下v比v0大3个数量级以上,这样可以认为负压波从首端传到末端的时间同末端传到首端的时间相等。    假设泄漏点C产生的压力波传到首站(A点)的时间为tA,传到末站(B点)的时间为tB。    泄漏点C到A,B点的距离为L    AC、LBC,则有:0ACALtv v=?(1)0 0BC ACBL L Ltv v v v?=+(2)当输油管道出现泄漏时,其首末两个端点的压力会急剧下降,根据两个端点压力传感器所检测到的压力剧降的时间差,即可估算泄漏位置,

5、如式(4),若tA与tB的时间差为t,则有:0 0AC ACA BL L Lt t tv v v v?=?=?+(3)2 20 01()()2ACL L v v v v tv=?+?(4)假设首端泄漏,产生负压波,传到末端,有:00,A BLt tv v=+再假设末端产生泄漏,负压波传到首端,则有:0,0A BLt tv v=?两个时间差的绝对值为032 20 02,10A Bv vt t Lv v v?=>?因为由此引起的定位误差在管段长度的千分之一以下,因此可以忽略v0对v的影响。式(4)可以简化为式(5)12ACL =?L +V ?t(5)若测出t,即可由式(5)求得泄漏点C距A站

6、之间的距离。长输管道泄漏监测系统中,各种监控、测量装置都是通过对采样得到的数字量进行处理而实现各自功能的。一般来说,采样是在各装置内部时钟的控制下独立完成的。对于异地需要同步采样的设备来说,因为其装置内部的晶振频率有误差,所以管线各端装置的采样难以同步。而且后期对泄漏信号的识别、负压波到达端点的初波时刻、以及判断信号是意外泄漏还是正常生产时站内压力调节所产生的压力波动的识别,这些都要求首末端压力波形采样的时间基准同步。在实际应用中,在管道首末两端的计算机的工作需要在大范围保持时间同步,依赖的是各自计算机的系统时钟,但计算机时钟的守时性不理想,其性能较低。    本

7、文所用的实验数据均采用GPS授时得到的。GPS自动校时的信号源直接采用来自于GPS定位卫星上以原子钟为基准的时间信号,原子钟的时间与世界协调时的误差在1s内,GPS定位卫星发出的时间信号经过接受后再加上计算的延迟,仍可以保持在毫秒的精度内,同步性很强。在监测系统中,计算机接收到的只是压力传感器传过来的压力值,没有数据的传到时间,故本文在检测负压波时只能检测到负压波的下降段是从第几个数据开始的以及该波段的跨度、陡度等信息。故在检测到负压波传到管道首末两端的数据序号时,根据数据的采样频率也可计算出t。设数据的采样频率为pHZ,管道首端检测到的负压波下降的序号为S1,管道末端检测到的负压波下降的序号

8、为S2,则1 2?t =(S ?S )/P(6)2管线沿程温度变化时对定位的影响分析我国的原油不同于世界主流原油,大部分属于高凝点、高含蜡、高粘度的“三高”原油,原有物性随温度变化很大。对于“三高”原油,需加热后输入管道,提高输送温度以降低其粘度,减少摩擦阻力损失,同时保证油流的温度高于原油的凝固点以防止冻结。热油输送不同于等温输送的特点在于:输送过程中存在着热能损失和摩阻损失两方面的能量损失,随着散热损失的进行摩阻损失的情况也是变化的。在这种情况下,较小的温度变化就能引起原油粘度很大的变化,从而引起管道水利特性发生较大的变化,所以必须研究不等温原油输送管道的热能损失过程。 

9、0;  3管线沿程速度变化时负压波定位分析负压波法是一种声学方法,所谓负压波实际上是在管输介质中传播的声波。常规的负压波法泄露定位公式如式(5)所示。    该式的前提是压力波波速是一常数,但声波的传播速度与传播介质的密度、压力、比热和管道的材质都有关。考虑到管内油体的弹性、密度和管材的弹性等因素,压力波传播速度v可以写为:()1()()()gv ttk t E=+(6)其中:g重力加速度(9.8耐)sz；    E管道(钢材)的弹性系数(kgf/m2)；    管道内径(mm) &#

10、160;  管子壁厚(mm)(t)温度为t时油体的密度(kg/m3)；    (t)温度为t时油体的体积弹性系数。    据式(4),泄露定位主要是根据压力剧降的时间差t和压力波传播速度v得出的。现在考虑v不是一个常数,从泄漏点x0产生的负压波传到首、末两端的时间分别为:0001 1,()()x LA Bxt x t xv x v x=(7)对于变限积分(12),由于负压波传播速度随管道距离变化的函数表达式v(x)比较复杂,难以得到其解析解。且在方程(12)中,t=TA-TB已知,积分上下限x0是所求的未知量,不是单纯的定积分问题,因此采用数值分析上的龙贝格算法计算数值积分,用搜索方法确定泄漏点x0的位置,文中不做过多论述。    4结语    本章先给出了负压波波