1  前言

　　國內(nèi)外對輸油管道安全運行十分重視，泄漏檢測技術(shù)發(fā)展較快，涉及面廣，種類較多，概括起來，主要采用以下兩類：(1) 利用自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、智能儀器儀表技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，構(gòu)架數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA[1]。該系統(tǒng)主要是在管道沿線安裝檢測點，通過不同的傳感器將管道工作參數(shù)進行檢測，如測量流量、溫度、壓力等，由SCADA系統(tǒng)完成相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、處理、分析和判斷，確定是否發(fā)生泄漏，該系統(tǒng)在管道建設(shè)時同步進行，應(yīng)用效果較好；(2) 基于磁通、超聲、渦流、錄像等技術(shù)的管內(nèi)檢測法，利用清管器作為載體，應(yīng)用磁通、超聲、錄像、渦流等技術(shù)提高了泄漏檢測的可靠性和靈敏度。

　　國內(nèi)外曾經(jīng)研究過的管道泄漏監(jiān)測與漏點定位的方法很多，主要有化學(xué)方法、應(yīng)力法、漏磁法、流量差監(jiān)測法、負壓波法、全線壓力分布法、全線質(zhì)量平衡法、管道瞬變模型法等，理論上均較為成熟，但在實際應(yīng)用中仍存在著不足。隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及現(xiàn)代控制理論和信號處理技術(shù)的發(fā)展，輸油管道的動態(tài)檢漏及報警技術(shù)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，而且還在不斷發(fā)展之中。

2  負壓波泄漏檢測法原理與關(guān)鍵技術(shù)[2][4]

　　近年來，國內(nèi)對于長輸管道檢漏技術(shù)的研究主要集中在應(yīng)用負壓波法檢測領(lǐng)域。常規(guī)負壓波檢測法可迅速檢測管道正常流量8%～20%以上的突發(fā)性的大量泄漏，在快速診斷法中占據(jù)重要地位。在泄漏發(fā)生時，泄漏處立即產(chǎn)生因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小出現(xiàn)的瞬時壓力降低和速度差，這個瞬時的壓力下降作用在流體介質(zhì)上就作為減壓波源通過管道和流體介質(zhì)向泄漏點的上下游以聲速傳播。當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時產(chǎn)生的減壓波就稱為負壓波，其傳播的速度在管道和輸送的流體中并不相同，在石油液體中大約為1200m/s。設(shè)置在泄漏點兩端或泵站的傳感器捕獲壓力波信號，并根據(jù)壓力波的梯度特征和壓力變化率的時間差，利用信號相關(guān)處理方法就可確定泄漏程度和泄漏位置。

　　對于投產(chǎn)后的輸油管道，如果油品的物理性質(zhì)（密度、容積彈性系數(shù)等）已知，則可以求出壓力波的傳播速度。若同一種油品的壓力波傳播速度基本保持不變，根據(jù)公式(1)，檢測到壓力波就能推算出泄漏地點。負壓波法是目前國內(nèi)應(yīng)用較多的管道泄漏檢測和漏點定位方法。

(1)

　　其中：X為泄漏點距首端測壓點的距離，米（m）；

　　L為管道站間長度，米（m）；

　　a為管輸介質(zhì)中壓力波的傳播速度，米每秒（m/s）；

　　Δt為上、下游傳感器接收壓力波的時間差，秒（s）。

　　從公式(1)可以看出負壓波定位的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

　　①  負壓波的捕獲（包括管道流態(tài)的瞬變過程）；

　?、?nbsp; 負壓波速度的確定；

　　③  上下游壓力波捕獲時間的同步；

　　④  站庫流程操作引起的誤報警。

　　輸送的油品及管道吸收能量使負壓波振蕩的物理參量特征減弱，同時泵機組的運行交變壓力噪聲、調(diào)節(jié)閥工作時壓力瞬間變化和管道沿線輸送油品進出管道時產(chǎn)生壓力變化等因素給采集泄漏信號造成很多困難。通過壓力傳感器性能的正確選擇，可以直接提高壓力波捕獲精度；忽略數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊中的延遲，將上下游現(xiàn)場壓力采集的點“虛擬”到生產(chǎn)調(diào)度中心“本地”，在分析工具看來就像在本地直接進行數(shù)據(jù)采集一樣，有力地保證了采集時間的同步；根據(jù)長輸管道線上負壓波和站庫的內(nèi)負壓波的傳播方向相反的特點，在站庫外在一定距離內(nèi)設(shè)置雙采集點進行判別，能較好地將站庫內(nèi)的操作進行排除，減少誤報率。

3  基于智能壓力傳感器PPTE的設(shè)計探討

　　PPTE（Precision Pressure Transducer Explosion-Proof，防爆型高精度壓力傳感器）利用半導(dǎo)體的硅阻效應(yīng)―在硅膜片上施加壓力將引起阻值的變化，通過內(nèi)嵌微處理的數(shù)字補償，該傳感器能較好地滿足各類用戶的定制要求。PPTE傳感器均可在全溫區(qū)和全壓略范圍內(nèi)對其數(shù)字輸出和模擬輸出進行精確定標。因此，它是一個既非常精確又標準的模擬電壓輸出裝置，也是一個完善的、具有地址的數(shù)字傳感器，并可在RS232總線上許多傳感器一起聯(lián)網(wǎng)使用。PPTE傳感器可以幫助用戶向數(shù)字測量系統(tǒng)過渡，而不用增加新的昂貴的硬件設(shè)備。PPTE傳感器的原理框圖如圖1所示。

3.1 PPTE傳感器特點

(1)  用戶可定制的高性能智能儀表

　　通過微機RS232/485通訊接口，用戶可以發(fā)布控制指令改變該類傳感器的任何一個有效參數(shù)，所有組態(tài)的變化均可存放在傳感器內(nèi)部的EEPROM中，并可由用戶可任意設(shè)計或取消，同時還可以通過簡單的指令來根據(jù)各種不同的需要對模擬/數(shù)字輸出進行修改，如進行最大和最小模擬輸出電壓的調(diào)節(jié)以及壓力量程的壓縮等。PPTE傳感器具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，由于其內(nèi)部壓力敏感器件的重復(fù)性非常好并可利用微處理器進行數(shù)字補償，因而可獲得很高的穩(wěn)定性和精度。在-40～+85℃的溫度范圍內(nèi)，具有0.05%FS的典型精度。其檢測信號（壓力和溫度）可由用戶通過微處理器設(shè)置為數(shù)字或模擬輸出模式，或同時輸出模式。除基本單位psi（每平英寸承受的壓力）外，PPTE傳感器具有12種壓力單位可供選擇，其中包括大氣壓、巴、厘米汞柱、英尺水柱、英尺汞柱、英寸水柱等，用戶不必為單位換算進行額外的浮點運算。

(2)  智能式數(shù)據(jù)采集儀表

　　PPTE傳感器可以根據(jù)不同應(yīng)用要求和現(xiàn)場要求對采集時間、變化范圍的閾值和通訊率等設(shè)定。基于Δ-∑原理的A/D轉(zhuǎn)換器的積分時間可在8ms至12s之間選擇，這樣可以較好提高數(shù)字控制系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性和抗干擾能力。由于輸油管道中負壓波傳播速度相對穩(wěn)定、速度較快（1200m/s），在雙壓力采集時，通過高速采集和響應(yīng)，可以縮短兩采集點的距離而且能夠正常捕獲到變化的壓力波。

　　該儀表具備智能跟蹤輸入變化功能。當檢測到的壓力發(fā)生變化時（超過設(shè)定閾值），用戶可以設(shè)定使采樣速率隨之加倍（2X），以采集更多關(guān)于該參數(shù)的細節(jié)；當壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)時，儀表的采樣速率以恢復(fù)正常狀態(tài)。正是這一突出特點，當輸油管道發(fā)生泄漏時，采集頻率加快，捕獲更多的關(guān)于壓力變化的細節(jié)，以方便操作人員的準確定位和估計泄漏量的大小。同時當檢測系統(tǒng)平穩(wěn)狀態(tài)下，可以將采集頻率和通訊率都降低，以節(jié)省系統(tǒng)資源和通訊帶寬。

(3)  基于總線網(wǎng)絡(luò)和高級應(yīng)用的儀表

　　PPTE可以通過RS232/485總線聯(lián)網(wǎng)。一臺PC機最多可掛接89個PPTE傳感器，每個PPTE傳感器具有一個獨立的地址，并且用戶可以單獨對某一個傳感器或一組傳感器或網(wǎng)絡(luò)上所有的傳感器通訊。在數(shù)字通訊模式下工作時，PPTE傳感器具有更多的方法解決壓力測量中的問題，如現(xiàn)場儀表的工作狀態(tài)、通訊情況、設(shè)定閾值是否超限報警等。同時支持ASCII和Binary兩種數(shù)據(jù)格式，為泄漏定位分析軟件提供更直接的數(shù)據(jù)支持，減少應(yīng)用軟件的格式轉(zhuǎn)換。

3.2  設(shè)計構(gòu)思

　　充分利用PPTE傳感器的特性，在中石化勝利油田分公司油氣集輸總廠（以下簡稱為油氣集輸總廠）各輸油管道的上下游分別安裝雙壓力采集點，以捕獲管道泄漏產(chǎn)生的負壓波和排除站庫內(nèi)操作而產(chǎn)生的干擾。系統(tǒng)設(shè)計模式為現(xiàn)場分布式采集，調(diào)度中心集中分析處理，遠程采集儀表通過“虛擬串口”的方式進行本地化，以保證采集數(shù)據(jù)在時間上相對同步。油氣集輸總廠輸油管道的位置示意如圖2所示。

(1)  泄漏檢測與定位系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意如圖3所示。

　　現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集框圖如圖4所示。

　　調(diào)度中心泄漏檢測分析軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

(2)  基于PPTE傳感器特點的設(shè)計與應(yīng)用

①  利用動態(tài)定制PPTE壓力傳感器的工作范圍，提高數(shù)據(jù)精度。

　　根據(jù)首站、中間站原油輸送工藝的要求，將PPTE工作范圍分兩段定制，根據(jù)該傳感器的特點，在-40～+85℃的溫度范圍內(nèi)，具有0.05%FS的典型精度，具體列表如表一：
表1  管道工作壓力參數(shù)列表

　　下面以首站PPTE傳感器為例，定制工作范圍示意如圖6所示。

　　在數(shù)據(jù)保存過程，由于采樣頻率相差一倍，必須存在著兩種頻率特征，通過簡單的頻率分析即可判斷出負壓波產(chǎn)生的時間和時間差，可以根據(jù)上下游的壓力波的變化相關(guān)性可以直接判斷是否發(fā)生泄漏，并且直接定位。

(3)  應(yīng)用雙PPTE傳感器進行管道泄漏檢測與定位方法框圖如圖8所示。