
陳國元 (1970-)
男,遼寧省盤錦人,畢業(yè)于大慶石油大學(xué)機(jī)械制造自動(dòng)化專業(yè),工程師,長期從事石油化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。
摘要:本文對(duì)長輸油管道工程的泄漏檢測手段和在線模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞:泄漏檢測;模擬仿真;SCADA 系統(tǒng)
Abstract: The article introduces the leak detection method and online simulation system
for long distance Pipeline.
Key words: The Leak Detection; Simulation; SCADA
1 概述
近年來國內(nèi)外輸油管道建設(shè)發(fā)展迅猛,隨著西氣東輸管道建設(shè)的投產(chǎn)運(yùn)行,以及西部管道的運(yùn)營,石油行業(yè)掀起了管道建設(shè)的高潮。管道建設(shè)帶來了國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。也給石油建設(shè)工程帶來了生機(jī)和發(fā)展。伴隨著管道建設(shè),對(duì)管道的安全生產(chǎn)和安全運(yùn)行等方面要求的不斷提高,長輸原油管道的泄漏檢測和在線模擬仿真技術(shù)越來越成熟。以下對(duì)長輸油管道的泄漏檢測和在線模擬仿真進(jìn)行闡述。
2 原油管道漏油工況分析與計(jì)算
2.1 漏油點(diǎn)的確定計(jì)算
根據(jù)管線某處發(fā)生漏油后,漏油點(diǎn)前的流量增大,漏油點(diǎn)后的流量減小以及漏油點(diǎn)前的泵站揚(yáng)程減小,漏油點(diǎn)后的泵站揚(yáng)程增大。由首末站流量計(jì)計(jì)量的流量以及各泵站進(jìn)出站壓力表讀書,可確定出漏油點(diǎn)的站間位置。
若在C站與C+1站間發(fā)生漏油,由能量平衡方程推導(dǎo)出計(jì)算漏油點(diǎn)的位置公式。其計(jì)算公式為:設(shè)漏點(diǎn)距C+1站X公里處,則首站至漏點(diǎn)處的能量平衡方程為:

漏點(diǎn)處至末站的能量平衡方程為:

(1)+(2)式整理得:

由(3)式可得

(4)
式中
















2.2 最大漏油量計(jì)算
漏油后,漏油點(diǎn)前的各泵站進(jìn)站壓頭降低;漏油量越大,進(jìn)站壓頭越小。尤其是漏油點(diǎn)的前一站和后一站,進(jìn)站壓頭下降幅值最大。當(dāng)在某一輸量下進(jìn)站壓頭不能滿足該站泵的吸上性能要求時(shí),就會(huì)造成本站斷流,全線停輸?shù)氖鹿省_@一輸量稱為漏油過程中的最大輸油量,與其對(duì)應(yīng)的漏油量稱為最大漏油量。
若漏點(diǎn)處的動(dòng)水壓頭為HX,則漏點(diǎn)至C+1站的能量平衡方程為:

由(1)式和(5)式可得:

同理,由C站至末站能量平衡方程可得:

式中





其它符號(hào)同上。
由(6)、(7)建立非線性方程組
{

由解非線性方程組的牛頓迭代法可知,經(jīng)K+1次迭代后,得


式中


當(dāng)




在(9)(10)(11)式中 和 按實(shí)測值計(jì)算或按正常輸量計(jì)算。
由此可知,管線發(fā)生漏油后,漏油量應(yīng)在0與



2.3 漏油后全線各泵站進(jìn)出站壓頭的變化分析
通過建立漏點(diǎn)前后,泵站與管線系統(tǒng)能量平衡方程式,可以得出如下結(jié)論:
(1)漏油后,漏點(diǎn)前各站進(jìn)出站壓頭都下降,離漏點(diǎn)越近的站下降的幅值愈大;相反,下降的幅值愈小。
(2)漏油后,漏點(diǎn)后各站進(jìn)出站壓頭也都下降,離漏點(diǎn)越近的站下降的幅值愈小;相反,下降的幅值愈大。
管線漏油不僅產(chǎn)生油品損失,同時(shí)也產(chǎn)生動(dòng)力損耗,而且污染環(huán)境。為此,對(duì)管線漏油必須嚴(yán)格監(jiān)控及時(shí)處理。
3 輸油管道泄露檢測方法綜述
管道的泄漏檢測和維修是管道工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),因?yàn)楣艿佬孤┲苯訉?dǎo)致能源浪費(fèi)和環(huán)境污染,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。所以多年來國內(nèi)外很多的研究人員一直在從事管道泄漏診斷的工作,研究出了各種檢測方法。
從原理上來看,管道泄漏檢測的方法可以分為硬件法和軟件法2大類,它們各自又包含了4種類型的方法。這些方法各具優(yōu)勢,但實(shí)際應(yīng)用的情況是復(fù)雜的,方法的有效性、簡便性和易實(shí)現(xiàn)性等問題均需要綜合考慮。
3.1 硬件法
3.1.1 溫度測試法
該方法是通過測試緊鄰管道的環(huán)境溫度的變化來進(jìn)行泄漏檢測和定位。基于此原理的紅外溫度記錄儀已經(jīng)成功的應(yīng)用在熱水管道的檢漏中。另外,傳感技術(shù)的進(jìn)步使得溫度曲線在實(shí)際測試中變得方便實(shí)用,尤其是溫度感應(yīng)電纜和光纖電纜的使用,大大改進(jìn)了數(shù)據(jù)的可靠性。
溫度測試法的局限性則表現(xiàn)在:
傳感器需要直接接觸管道進(jìn)行安裝和測量;
在傳感器安裝和復(fù)原的時(shí)候,易對(duì)管道造成損壞;
存在管壁溫度與管道水溫沒有直接關(guān)系的可能性;
長時(shí)間地讀取數(shù)據(jù)(一般24h以上)時(shí),測溫儀器極易損壞;
設(shè)備費(fèi)用高。
3.1.2 聲學(xué)測量法
通過測量流體泄漏時(shí)產(chǎn)生的噪聲來進(jìn)行管道檢漏和定位,是目前廣泛使用的方法,因?yàn)樵摲椒ň哂忻黠@的優(yōu)越性:
即便是無法直接接觸的部位,也很容易采集到聲音信號(hào);
相對(duì)于溫度傳感器和壓力傳感器獲取的信號(hào)來說,聲音信號(hào)提供了更全面、更高質(zhì)量的信息;
在線性系統(tǒng)中,聲音波形含有迭加特性。這就是說,若同時(shí)有2處泄漏產(chǎn)生,一路信號(hào)不會(huì)干擾另一路信號(hào),兩處故障可以各自獨(dú)立地檢測出來。
但是,當(dāng)泄漏產(chǎn)生的聲音信號(hào)在不同的媒體中傳播或遇管壁反射時(shí),許多與泄漏無關(guān)的聲音信號(hào)會(huì)造成所需信號(hào)波形的失真。
聲學(xué)測量法又可以分為應(yīng)力波(固體聲波)法、超聲波和發(fā)射法,其中基于應(yīng)力波原理的相關(guān)檢漏儀已廣泛投入使用。
(1)應(yīng)力波法
流體泄漏時(shí)在管壁中激發(fā)應(yīng)力波,用兩只普通的壓電式傳感器作為檢測元件,分別安裝在被測管道兩端,通過測量泄漏噪音到達(dá)傳感器的時(shí)間來估算泄漏點(diǎn)的位置。
應(yīng)力波的頻率較低,一般在0.2~10kHz。低音頻的信號(hào)從泄漏源向上、下游傳播時(shí),相對(duì)減弱的能量最低。但是,它極易受環(huán)境的干擾。基于該方法的相關(guān)檢漏儀是對(duì)低音頻信號(hào)作相關(guān)處理,從而消除背景噪音,分離出有用信號(hào)。
(2)超聲波法
泄漏噪聲中含有超聲波,測試此超聲波可以發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離處的泄漏。由于聲波的頻率決定了聲波的傳播形式,低頻信號(hào)傾向于球形傳播,在各個(gè)方向上密度是相等的,而高頻超聲信號(hào)(理論上>20kHz;實(shí)際上可定義為>16kHz)則傾向于直線傳播,這就是利用超聲波的簡單原理。
但是,由于超聲波通過大氣時(shí)傾向于直線傳播,使得超聲波有一定的接收范圍,對(duì)于地下管道,該方法不是很有效。另外,超聲波法也不適用于易燃?xì)怏w管道的泄漏檢測。
(3)聲發(fā)射法
管道中的水流由小孔泄漏,在達(dá)到一定流量時(shí),可在管壁中激發(fā)聲發(fā)射波。泄漏的聲發(fā)射信號(hào)是連續(xù)型信號(hào),其值正比于泄漏速率,而泄漏速率與泄漏信號(hào)的均方根值的平方成正比。所以,可應(yīng)用檢測RMS值來檢測泄漏。
聲發(fā)射法是一種非侵入式的測試技術(shù),響應(yīng)的是動(dòng)態(tài)事件,并且在安全方面也沒有特殊的限制。
但是,該方法的靈敏度在一定程度上受到背景噪音的限制。而且,當(dāng)有紊流存在時(shí),檢測結(jié)果的正確性也將受到影響。
3.1.3 采樣法
該方法通過測試管道緊鄰環(huán)境中的蒸汽來檢測易揮發(fā)氣體管道的泄漏。基于此原理,可以平行管道安裝一種具有半透膜的敏感管。當(dāng)有泄漏存在時(shí),溢出的揮發(fā)性氣體擴(kuò)散到敏感管,在管端壓力泵的作用下,溢出氣流到終端的檢測儀,對(duì)它分析后,就可以進(jìn)行管道泄漏的診斷。
很明顯,采樣法的設(shè)備成本費(fèi)用極高,響應(yīng)時(shí)間長,應(yīng)用范圍也較窄。
3.1.4 負(fù)壓力波法
當(dāng)管道上某一點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí),該點(diǎn)壓力突降,形成的負(fù)壓力波將會(huì)以一定波速向上、下游傳播。負(fù)壓力波的傳播速度大致與聲速相等。
在上、下游分別安裝壓力傳感器,檢測壓力梯度或壓力波的變化可判斷泄漏是否發(fā)生。而通過負(fù)壓力波傳到上、下游的時(shí)間差進(jìn)行泄漏定位。
該方法對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
3.2 軟件法
3.2.1 測量流速和壓力變化的方法
管道輸入端和輸出端的流速或壓力值若有快速變化(上游流速增加、壓力降低)的現(xiàn)象,說明了泄漏的存在。
該方法的缺陷是:它僅適用于近似靜止?fàn)顟B(tài)的、壓力較低的流體泄漏檢測,而且只能檢測出較大的泄漏,并且無法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。
3.2.2 質(zhì)量平衡法
理論上,管道容量=管道流進(jìn)量-管道流出量=常量。所以,測試上、下游的流量差,當(dāng)其值超過某一閾值(常量+△V)時(shí),應(yīng)立即報(bào)警。
此方法分為2種:一種僅測試上、下游的流量差;另一種則是在測試上、下游流量差的基礎(chǔ)上,引入補(bǔ)償變量,包括壓力、溫度的變化、管道容量的波動(dòng)等。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是:在管道的壓力以及流速變化不大的情況下,也可以檢測出泄漏的存在。
但是,它需要測量流量信號(hào),而流量計(jì)的安裝和維修都很困難。另外,無法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。
3.2.3 動(dòng)態(tài)模擬法(瞬態(tài)流模擬法)
該方法要建立管道的實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型,其邊界條件由現(xiàn)場的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)提供。流體模型經(jīng)常使用的方程有質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和流體狀態(tài)方程等。模型考慮多種變量,如流體速率、溫度、壓力、比重和黏度等的變化,用來預(yù)測管道的狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際的測量值與模型的計(jì)算值之間的差異超過了某一閾值,說明有泄漏存在。
該方法不但定位精確,還可以確定泄漏發(fā)生的時(shí)間及泄漏量的大小。
動(dòng)態(tài)模擬法的缺點(diǎn)則表現(xiàn)在:
建模及計(jì)算的工作量都相當(dāng)大;
要求精確地知道輸入口和輸出口的流量、壓力和溫度值,以及中間測量點(diǎn)的壓力和溫度值,測量數(shù)據(jù)多,而且實(shí)際測量總會(huì)存在誤差和不確定性,造成較高的誤報(bào)警率;
安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用都很高。
3.2.4 壓力點(diǎn)分析法(PPA法)
PPA法是一種采用簡單的儀器在任何一檢測點(diǎn)檢測,依靠對(duì)記錄數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析來檢測氣體、液體管道泄漏的方法。PPA技術(shù)是以管道泄漏前后的壓力發(fā)生變化的大量研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。
很明顯,PPA法應(yīng)用統(tǒng)計(jì)技術(shù),需要大量的原始測量數(shù)據(jù),并且無法對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。
4 輸油管道在線模擬仿真系統(tǒng)
4.1 仿真系統(tǒng)在管道運(yùn)行管理方面的現(xiàn)實(shí)意義
管道仿真系統(tǒng)對(duì)管線監(jiān)控是提高調(diào)度管理水平的一種有力手段,而且調(diào)度人員更須知道管線在預(yù)期操作條件下(可認(rèn)為是估計(jì)或假設(shè)的優(yōu)化運(yùn)行方式)的“真實(shí)”運(yùn)行參數(shù),從而判斷所下達(dá)調(diào)度指令是否合理,為調(diào)度決策提供科學(xué)和及時(shí)的依據(jù)。安裝了先進(jìn)的管線模擬軟件后,可以對(duì)主要設(shè)備的操作進(jìn)行優(yōu)化,不僅可以降低運(yùn)營成本,預(yù)防事故發(fā)生,還可以延長大修間隔時(shí)間。同時(shí)利用其泄漏檢測功能,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏和定位,減少經(jīng)濟(jì)損失和及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。
4.2 在線模擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用
模擬仿真系統(tǒng)作為輸油管道控制和管理的工具,應(yīng)完成準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)管道的過去、解釋管道當(dāng)前發(fā)生的事件、預(yù)測管道的未來等任務(wù)。采用的軟件是專用于管道的實(shí)時(shí)模擬仿真軟件,為操作調(diào)度人員提供調(diào)度和操作參考,并可為操作員的培訓(xùn)提供平臺(tái),以保證管道安全、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。該系統(tǒng)將在北京調(diào)度控制中心和廊坊備用調(diào)控中心的一臺(tái)專用的服務(wù)器中運(yùn)行。本工程中采用一套在線模擬仿真軟件,它通過接口直接獲取SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算將結(jié)果輸出到SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中,為調(diào)度及操作人員和SCADA系統(tǒng)提供所需的數(shù)據(jù)。
通常模擬仿真軟件由核心軟件和各種應(yīng)用軟件模塊組成。用戶可根據(jù)需求購買應(yīng)用軟件模塊加載到該軟件中,以便開發(fā)在線實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。模擬仿真軟件與SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫互連,按固定周期從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中采集實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù),此周期作為模擬仿真軟件的基本循環(huán)時(shí)間。數(shù)據(jù)更新掃描時(shí)間為15s。
模擬仿真軟件根據(jù)管道的實(shí)際情況組態(tài)形成管道的模型。根據(jù)需要計(jì)算所得出的結(jié)果,如管線的泄漏報(bào)警、清管器在管道中的位置、各個(gè)調(diào)節(jié)回路的設(shè)定點(diǎn)等,將由仿真軟件寫入到SCADA軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中,并在操作員工作站上顯示,作為操作員對(duì)管道運(yùn)行調(diào)度的參考。
線模擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用模塊
(1)儀表分析
儀表分析模塊用于連續(xù)監(jiān)視儀表的狀態(tài)和精確度的偏差。基本條件是取決于動(dòng)態(tài)模型所整定的參數(shù)。根據(jù)對(duì)已安裝的儀表的狀態(tài)分析的情況確定儀表的維修時(shí)間及維護(hù)計(jì)劃。對(duì)于儀表的精確度或者零漂出現(xiàn)偏差時(shí),應(yīng)立刻通知給操作員。
根據(jù)質(zhì)量平衡、壓力的動(dòng)態(tài)分布和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,將根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型計(jì)算的流量和壓力結(jié)果與管道沿線各點(diǎn)的實(shí)際測量值比較,實(shí)時(shí)在線監(jiān)視管道是否發(fā)生泄漏并定位,以避免泄漏引起的危害(人身安全、火災(zāi)、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失等)。
基礎(chǔ)門檻值:泄漏檢測基礎(chǔ)的門檻值應(yīng)根據(jù)以下的內(nèi)容確定:儀表的精確度、重復(fù)性和數(shù)據(jù)的分辨率,以及管道和輸送的介質(zhì)特性。
動(dòng)態(tài)門檻值:依據(jù)由SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中獲取的數(shù)據(jù)的質(zhì)量和預(yù)處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整其數(shù)值。依據(jù)在運(yùn)行的過程中由于管道水利工況的變化程度和非計(jì)劃的手動(dòng)操作引起變化計(jì)算調(diào)整動(dòng)態(tài)門檻值。
泄漏報(bào)警:如果在一時(shí)間周期范圍內(nèi)泄漏量超過泄漏門檻值,泄漏報(bào)警應(yīng)該在下個(gè)計(jì)算周期內(nèi)發(fā)布。如果超過門檻值,維持1.25倍時(shí)間周期或大幅度超過門檻值在1.10倍時(shí)間周期內(nèi),則應(yīng)發(fā)布報(bào)警、警告。
虛假報(bào)警:應(yīng)采取各種技術(shù)以防止假泄漏報(bào)警,應(yīng)采用數(shù)據(jù)分析方法向操作員確認(rèn)泄漏警告和報(bào)警的概率等級(jí)。如果數(shù)據(jù)分析不能確定泄漏可信度等級(jí),則泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)增加門檻值。如果計(jì)算門檻值,在確定的時(shí)間期內(nèi)不能檢測出泄漏大小,則泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)向操作人員發(fā)出一份報(bào)告。
泄漏檢測報(bào)警信息:當(dāng)檢測到泄漏時(shí),應(yīng)向操作人員提供如下的內(nèi)容:
泄漏報(bào)警;
泄漏量的大小;
泄漏的可信度,一般的情況下可信度分為三級(jí):高、中、低。
泄漏定位信息:當(dāng)檢測到泄漏時(shí),應(yīng)向操作人員提供如下的內(nèi)容:
泄漏的位置位于:
Xkm ≤ 泄漏的位置 ≤ Ykm,位于Zkm。
可信度級(jí)別。
管道模型在計(jì)算中采用了一些參數(shù),如其中之一的摩擦系數(shù)(主要由管道的粗糙度和實(shí)際管道內(nèi)徑?jīng)Q定),系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)管道截面的壓降和流量自動(dòng)計(jì)算這些參數(shù),如摩擦系數(shù)增加即相當(dāng)于壓降增大,從而導(dǎo)致管道的效率下降。該分析結(jié)果可提醒操作員,由他們決定是否修改系統(tǒng)參數(shù)以適應(yīng)管道效率的下降或發(fā)送清管器清理管道。
(2)清管器跟蹤
提供有關(guān)清管器的位置和到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)的時(shí)間,作為調(diào)度人員下達(dá)操作命令的依據(jù)。
(3)過程預(yù)測
使調(diào)度人員可根據(jù)在不同的工況和條件下的計(jì)算結(jié)果,對(duì)管道進(jìn)行操作以確保管道在安全、穩(wěn)定、高效的狀態(tài)下運(yùn)行。預(yù)測模型與實(shí)時(shí)模型具有同樣的配置標(biāo)準(zhǔn),包括管線和設(shè)備模型,報(bào)告和報(bào)警能力。它是一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)態(tài)模型,能模擬所有類型操作條件,如:
壓力和流量設(shè)定點(diǎn)的改變;
設(shè)備狀態(tài)改變,輸油機(jī)停止/起動(dòng),閥門開/關(guān),等;
產(chǎn)品參數(shù)改變。
過程預(yù)測可為調(diào)度人員提供下列過程分析結(jié)果:
操作計(jì)劃及順序;
實(shí)際操作前可行的操作策略;
在危險(xiǎn)情況發(fā)生前,采取的預(yù)防措施;
維修的效果;
在管道進(jìn)出量發(fā)生變化時(shí),產(chǎn)生的因果關(guān)系;
危害的后果;
與設(shè)計(jì),操作和維護(hù)有關(guān)的其他問題。
(4) 模擬培訓(xùn)
該功能可用于對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn),并可利用它模擬的管道實(shí)際工況,考核操作人員是否掌握了操作和處理問題的技能。模擬培訓(xùn)是一個(gè)按實(shí)際管道模型和設(shè)備模型組成的離線系統(tǒng)。應(yīng)對(duì)管道操作人員進(jìn)行如下的培訓(xùn):
管道安全運(yùn)行操作;
管道性能的優(yōu)化;
異常情況的適當(dāng)反映;
在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)操作;
完整系統(tǒng)的有效監(jiān)測;
故障排除;
管道水力工況;
SCADA系統(tǒng)的模擬培訓(xùn)。
(5) 管道運(yùn)行模擬
管道運(yùn)行模擬可根據(jù)預(yù)計(jì)的運(yùn)行工況和實(shí)際的工況模擬管道的靜態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行工況。它以基礎(chǔ)實(shí)時(shí)模型為基礎(chǔ),模擬現(xiàn)場實(shí)際安裝的各種設(shè)備(如輸油泵機(jī)組、各種類型的閥門、調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)回路等),提供在各種運(yùn)行工況下管道運(yùn)行的數(shù)據(jù)和結(jié)果,為調(diào)度人員制定操作運(yùn)行方案提供參考依據(jù)。
5 結(jié)束語
通過以上敘述,我們了解了長輸原油管道的泄漏檢測和在線模擬仿真,希望通過這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用和技術(shù)的不斷完善,不斷的提高長輸油管道的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全管理的水平。
參考文獻(xiàn)
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