CN103486443B - 一种油气泄漏检测模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

一种油气泄漏检测模拟实验系统，该实验系统由气液储罐，缓冲罐，控制阀单元，泵单元，入口传感器单元，出口传感器单元，中央处理器单元，储存器单元，安全阀，多个输送管道，泄漏阀单元主要部分组成，其特征在于，沿着流体管道的流动方向，等距离间隔分布安装有三个泄漏阀单元，其开度可以按大小等刻度调节，从10％-100％开度间隔区分档位，从而控制泄漏阀的开度大小从而模拟出不同的泄漏情况；还包括有中央处理器单元和储存器，其中所述传感器单元，泄漏阀单元通过信号控制线连接到处理器单元上，从而传感器单元将检测信号输送给处理器单元，同时处理器单元对泄漏阀单元进行控制调节。

Description

一种油气泄漏检测模拟实验系统

技术领域

本发明涉及一种用于模拟油气集输管线腐蚀穿孔、管道人为打孔、管道断裂等多种形式泄漏的油气泄漏检测模拟实验系统，属于油气输送管道系统技术领域。

背景技术

管道运输是现代五大运输方式(公路、水路、铁路、航空、管道运输)之一。相比其它的四种运输方式，管道运输具有自己独特的优势。它是一种连续运输方式，效率高，管道一般埋于地下，不受外界条件限制，一般不产生环境污染和噪声污染，运输成本低。基于此，管道运输在近几十年得到了迅速的发展。管道运输尤其适合长距离运输易燃、易爆的石油、天然气等流体物质，因此管道在石油天然气工业乃至世界经济当中发挥着越来越重要的作用。如今天然气开发规模和使用规模不断增大，天然气管网系统也日趋庞大和复杂。

但是，随着管道投入使用的时间增加，管道不可避免的会出现磨损、腐蚀等现象，加之人为破坏等原因，使得管道泄漏事故时有发生。对于石油天然气输送管道，石油产品和天然气的泄漏不仅造成宝贵自然资源的浪费、环境污染和影响油田的正常生产，危害工农业生产和人民生活，更重要的是，由于石油产品和天然气是易燃、易爆物品，甚至可能具有较强的腐蚀性。泄漏的石油产品还将直接威胁输油管道、设施的安全运行和人民生命财产安全。随着管道运行期限的延长，监测管道泄漏乃至破裂成为管道运输的主要工作之一，同时管道的泄漏检测一直是管道安全运行的一项重要内容。

目前油气管道泄漏检测技术在国外得到了广泛的应用，美国等发达国家立法规定在管道上必须采取有效的泄漏监测系统。从早期的人工巡检到目前基于现代信号处理和现代控制理论的检测方法，国内外学者积极探讨的管道泄漏检测方法多达十几种，这些方法从不同角度、不同领域对管道以及管道周围环境的各种有关信息进行分析综合，提取管道泄漏的有关特征，进行管道的泄漏程度和泄漏位置的检测。

国内管道检测技术最早从输油管道泄漏监测开始研究，由于国内管道输油历史仅40多年，监漏技术研究在九十年代刚起步。国内输油管道实时监测技术目前总体上处于引进吸收、研制开发的阶段。就国内已有的技术能力，可以在一定程度上解决石油管道的实时监视和泄漏报警问题。天津大学、清华大学、中国石油大学及中原油田、大庆油田、辽河油田，均在此方面作过一定的研究，总结起来较为成熟的技术主要包括流量平衡法、压力梯形法和负压波检测法等。

目前可知的，大多数油气管道泄漏监测方式各有利弊且技术发展相对比较成熟，不同方法所适合的监测环境(管道材质、管道长度，途径区域等)已经基本确定，每种监测方法也形成各自的检测原理和方法系统，区别上只是建设成本和精度要求上的差距。然而，腐蚀穿孔、管道人为打孔、管道断裂等多种形式造成的泄漏情况各有不同，所造成的泄漏孔大小也有区别，例如腐蚀穿孔的泄漏较为隐蔽不易察觉，而人为打孔或断裂造成的泄漏开度较大，目前较少的试验研究关注于泄漏点开度大小或／和泄漏点数量对不同检测技术的检测结果或检测精度的影响，也缺少与此相关的模拟实验装置和实验方法作为实践指导。如果能够得到泄漏点开度大小或／和泄漏点数量对不同检测技术的检测结果或定位精度的影响和规律，进而对检测技术相关参数进行优化设定以提高报警和定位精度，这对于改进管道泄漏检测方法而言具有重要的实际意义。

发明内容

基于上述背景，本发明提出一种油气泄漏检测模拟实验系统。它可以通过模拟腐蚀穿孔、管道人为打孔、管道断裂等多种形式造成的泄漏情况，模拟油气输送在不同位置处的泄漏点在不同开度情况，进而验证油气泄漏检测技术的检测结果和检测精度，对油气泄漏检测技术的参数调整以及相应的数据分析提供帮助。

如上所述，目前油气泄漏检测技术多种多样，为简便起见，本发明仅以最为常用的负压波检测法为例展示本发明的具体操作实践，其他的检测技术如压力/流量突变法、瞬态模型法以及序贯统计法等多种泄漏检测与定位方法的验证分析将在其他申请中具体展示，也就是说，本申请的实验平台可以分析出不同的泄漏点开度大小对负压波检测法的检测精度的影响，经过简单改造即可实现对其他检测方法的验证分析。

上述负压波检测法的基本原理为：当管道上某一点发生泄漏时，该点压力突降，形成的负压力波将会以一定波速向上、下游传播。负压力波的传播速度受到液体体积弹性系数、液体密度、管材弹性模量、管径、管壁厚度以及管道约束系数等因素的影响，其参数可调整或统计得出。在上、下游分别安装压力传感器，检测压力梯度或压力波的变化可判断泄漏是否发生。而通过负压力波传到上、下游的时间差进行泄漏定位。该方法对负荷扰动具有较强的抗干扰能力，其具体的计算方法和步骤在此不做详述，其可以从相关文献中获知。

本发明的实验系统并非是用于油气管道泄漏的检测技术的开发，而是针对油气泄漏检测技术的模拟分析与对比验证，为尽可能真实地模拟出在不同泄漏开度情况下，分析出不同的泄漏情况(主要是泄漏开度大小)对油气泄漏检测技术定位精度的影响，从而为油气泄漏检测技术的参数设置及调整给出实验平台和相应的实验数据支持，为在复杂情况下提高各种油气泄漏检测技术的报警精度和定位精度提供有力的实验数据支撑，也为下一步负压波技术的改进提供借鉴。

本发明主要是采取设置多个可调节开度的泄露阀来模拟不同的开度大小，例如10％-30％的开度可模拟细小裂缝，腐蚀等轻微情况，30％-70％的开度可模拟管道人为打孔、较大腐蚀处等情况，70％-100％的开度设置可模拟管道断裂、严重破损等较重情况。

本发明的技术方案为一种油气泄漏检测模拟实验系统，该实验系统由气液储罐，缓冲罐，控制阀单元，泵单元，入口传感器单元，出口传感器单元，中央处理器单元，储存器单元，安全阀，多个输送管道，泄漏阀单元主要部分组成，其中多个输送管道相互连接形成闭环回路连接到气液储罐的入口端和出口端上，缓冲罐流体连接到或者串联到气液储罐上，用来防止气液流入造成的压力激烈变化；在气液储罐的出口端依次连接着控制阀单元和泵单元，控制阀用来控制整个流体管道的开通和关闭，而泵单元提供流体输送的动力；在所述气液储罐的入口端和出口端附近分别安装有监测流体管道内流体压力和流体流量的传感器单元，所述传感器单元为集成式传感器单元，可分别包括动态压力传感器和流量传感器；其特征在于，沿着流体管道的流动方向，等距离间隔分布安装有三个泄漏阀单元，其开度可以按大小等刻度调节，从10％-100％开度间隔区分档位，从而控制泄漏阀的开度大小从而模拟出不同的泄漏情况；还包括有中央处理器单元和储存器，其中所述传感器单元，泄漏阀单元通过信号控制线连接到处理器单元上，从而传感器单元将检测信号输送给处理器单元，同时处理器单元对泄漏阀单元进行控制调节；上述实验系统的操作过程为，首先启动油气泄漏检测模拟实验系统测试程序，进行实验设备装置的测试，看其是否符合实验的基本要求，如果经过设备检测不符合实验条件要求，则进行再次的调整和检查，如果符合要求，则进行负压波检测法常规参数的设定，然后，选定某一泄漏阀为设定泄漏点，其余泄漏阀关闭，在设定泄漏点处的泄漏阀V1的开度可调节为10个档位，分别为10％开度，20％开度，30％开度…100％开度，在一次测试过程中依次某一选定档位；接下来，利用传感器单元来实时监测管道流体的动态压力和流量，得出相应的出口动态压力信号P_出和出口流量信号S_出，入口动态压力信号P_入和入口流量信号S_人，将上述信号进行滤波处理，假如出口流量信号S_出和入口流量信号S_入的流量差△S等于零或在可接受的阈值范围内，则表明目前依据当前的检测方式不能检测出泄漏情况，同时返回到调整泄漏阀开度步骤进行调整；如果流量差△S超出可接受的阈值范围，则表明已经检测到泄漏的发生并报警，可以进行泄漏点的定位检测；采集相关信号数据运算得出相应的泄漏点位置值L_测，并将该数值保存到存储器单元中；接下来，将该实验模拟计算值与实际的泄漏点位置值L_实值进行比较得出其差值ΔL，判断其差值ΔL是否在可接受的阈值范围内，如果不能接受，则需要进行参数调整或检测原因同时保存数值，如果可以接受，则保存相应数值并返回进行下一泄漏开度的测定。

优选的，所述动态压力传感器型号可以选择为JYB-KO-HAG型压力变送器，流量传感器型号可以选择为LWGY-40型涡轮流量传感器，温度传感器型号可以为JWB-DP型温度变送器。

优选的，所述泄漏阀单元可以为隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、蝶阀、电磁阀等类型。

附图说明

接下来，通过优选的实施例并参照以下附图对本发明的技术方案加以详细说明。

图1显示出本发明的油气泄漏检测模拟实验系统的组成示意图；

图2显示出本发明的传感器信号采集处理流程图；

图3显示出根据本发明的油气泄漏检测模拟实验系统的具体操作流程图；

图4显示出本发明的油气泄漏检测模拟实验系统的另一种组成示意图；

附图标记：

1-气液储罐，2-缓冲罐，3-控制阀单元，4-泵单元，5-入口传感器单元，6-出口传感器单元，7-中央处理器单元，8-储存器单元，9-安全阀，10-输送管道，V1、V2、V3-泄漏阀单元。

具体实施方式

图1表示本发明的油气泄漏检测模拟实验系统的组成示意图，从图1可以看出，该实验系统由气液储罐1，缓冲罐2，控制阀单元3，泵单元4，入口传感器单元5，出口传感器单元6，中央处理器单元7，储存器单元8，安全阀9，多个输送管道10，泄漏阀单元V1、V2、V3等主要部分组成，其中多个输送管道10相互连接形成闭环回路连接到气液储罐1的入口端和出口端上，缓冲罐2流体连接到或者串联到气液储罐1上，用来防止气液流入造成的压力激烈变化，气液储罐1和缓冲罐2均采用优质不锈钢材质氩弧焊焊接而成；在气液储罐1的出口端依次连接着控制阀单元3和泵单元4，控制阀3用来控制整个流体管道的开通和关闭，而泵单元4提供流体输送的动力，其可采用任意泵结构；在所述气液储罐1的入口端和出口端附近分别安装有监测流体管道内流体压力和流体流量的传感器单元5和6，所述传感器单元5，6为集成式传感器单元，可分别包括动态压力传感器和流量传感器，选择性的，其还可以包括温度传感器；动态压力传感器型号可以选择为JYB-KO-HAG型压力变送器，流量传感器型号可以选择为LWGY-40型涡轮流量传感器，温度传感器型号可以为JWB-DP型温度变送器；其特征在于，沿着流体管道10的流动方向，等距离间隔分布安装有若干泄漏阀单元V1、V2、V3(图1所示为三个)，所述泄漏阀单元可以为隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、蝶阀、电磁阀等类型，且其开度可以按大小等刻度调节(图中未示出)，例如可以有十个档位调节刻度，从10％-100％开度间隔区分档位，从而控制泄漏阀的开度大小从而模拟出不同的泄漏情况；还包括有中央处理器单元7和储存器8，其中所述传感器单元5，6，泄漏阀单元V1、V2、V3通过信号控制线连接到处理器单元7上，从而传感器单元5，6将检测信号输送给处理器单元7，同时处理器单元7对泄漏阀单元V1、V2、V3进行控制调节。

图2显示出根据本发明的传感器信号采集处理流程图，如图所示，数据采集系统往往需要对多路模拟信号进行采集，为了简化电路，降低成本，一般采用公共的A／D转换器，分时对各路模拟量进行A／D转换。可以用模拟多路开关来轮流切换各模拟量与A／D转换器之间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A／D转换器，从而实现分时转换的目的。在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般是比较弱的低电平信号。程控放大器的作用是将输入信号进行放大，以便充分利用A／D转换的满量程分辨率。一般通用数据采集系统均支持多模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有较大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变。程控放大器可以实现这个要求，它的放大倍数由一组数码控制。这样在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相应的一组数码改变放大倍数，为每个通道提供最合适的放大倍数。因为中央处理器7只能处理数字信号，所以必须将模拟信号转换成数字信号，实现这一功能的器件是A／D转换器。A／D转换器是采样通道的核心，是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。数据采集模块各个器件的定时关系比较严格，如果定时不合适就会严重影响系统的精度。对于实现一次A／D转换需要按照模拟多路开关开始切换、程控放大器开始切换、A／D转换器开始转换、A／D转换器完成的顺序完成。定时电路就是按照各个器件的工作次序产生各种时序信号，而逻辑电路是依据时序信号产生各种逻辑控制信号。特别需要指出的是，上述零部件的型号选择，以及相关安装位置和安装方式为本领域内常用的公知技术，不再一一赘述。

图3显示出根据本发明的油气泄漏检测模拟实验系统的具体操作流程图，流程图中显示各个方法步骤均通过上述油气泄漏检测模拟实验系统功能模块来实现，下面将本发明的实验系统的主要操作流程介绍如下。

首先启动油气泄漏检测模拟实验系统测试程序，进行实验设备装置的测试，看其是否符合实验的基本要求，例如气压检测、管道泄漏检测，温度环境要求等等，同时包括对一些负压波检测法中静态参数进行设置。所谓静态参数，希望参数一经人为设定，在程序运行中一般不发生改变。除此之外，为了避免每次打开系统都进行重复的参数设置，要求系统在关闭以后还保留上次设置的结果。如果经过设备检测不符合实验条件要求，则进行再次的调整和检查，如果符合要求，则进行负压波检测法常规参数的设定，在这个实验系统中，负压波检测法常规参数包括管道参数、数据采集参数和数据分析参数，其中管道参数包括管道长度、管道直径、管壁厚度、管材弹性模量以及修正系数等参数。实际上，由于管道运行的参数比较多，某个参数稍有变动，或者采用的数据处理方法不同，导致测得数值的精度也不同，这些参数需要在实践安装调试前经过大量的实验过程分析得出或人为设定。然后，选定某一泄漏阀为设定泄漏点(例如设定为V1阀)，其余泄漏阀(V2，V3)关闭，在设定泄漏点处的泄漏阀V1的开度可调节为10个档位，分别为10％开度，20％开度，30％开度…100％开度，在一次测试过程中依次某一选定档位，从而分别进行测试以实现监测不同的泄漏开度对负压波检测法的检测定位精度的影响；接下来，利用传感器单元5，6来实时监测管道流体的动态压力和流量，得出相应的出口动态压力信号P_出和出口流量信号S_出，入口动态压力信号P_入和入口流量信号S_入，将上述信号进行滤波处理，同时引进流量平衡法来对管道的运行状况进行检测，准确的反映管道是处于正常运行状态还是泄漏状态，并且可以识别出负压波的产生到底是由于泄漏引起的还是由于某些其它工况的改变引起的，在本发明中，假如出口流量信号S_出和入口流量信号S_入的流量差△S等于零或在可接受的阈值范围内(此时泄漏阀开度较小)，则表明目前依据当前的检测方式不能检测出泄漏情况(例如在一次实验中，开度在5％以下情况并未检测出泄露)，同时返回到调整泄漏阀开度步骤进行调整；如果流量差△S超出可接受的阈值范围，则表明已经检测到泄漏的发生并报警，可以进行泄漏点的定位检测；依据负压波检测法的要求，采集相关信号数据运算得出相应的泄漏点位置值L_测，并将该数值保存到存储器单元中；接下来，将该实验模拟计算值与实际的泄漏点位置值L_实值进行比较得出其差值ΔL，判断其差值ΔL是否在可接受的阈值范围内，如果不能接受，则需要进行参数调整或检测原因同时保存数值，如果可以接受，则保存相应数值并返回进行下一泄漏开度的测定。此外，上述可接受阈值范围根据不同的模拟情况由具体试验或经验值确定出。

下面结合具体的实验数据例进行具体的介绍：以管道长度501m，直径0.32m，壁厚3.5mm，泄漏阀最大开度可造成的泄漏孔径为0.40m，管道出口端压力0.5MPa，入口端压力0.3MPa，泄漏阀V1,V2，V3位置距管道出口端距离为125.5m、250.5m和375.5m，压力监测点分别位于距离管道两末端各0.5m处，管道内流体为水，周围环境温度均为300K，经过实验系统的检测得出下表中的结果：

表1V1为泄漏点时的部分数据结果(节选某一组结果)

泄漏阀V1开度	泄漏阀实际位置	泄漏实验模拟定位	精度误差
				10％	125.5m	133.4m	6.29％
20％	125.5m	131.3m	4.62％
				...	...	...	...
50％	125.5m	129.7m	3.35％
				60％	125.5m	128.4m	2.31％
...	...	...	...
				90％	125.5m	123.9m	1.27％
100％	125.5m	124.8m	0.56％

表2V2为泄漏点时的部分数据结果(节选某一组结果)

泄漏阀V2开度	泄漏阀实际位置	泄漏实验模拟定位	精度误差
				10％	250.5m	268.5m	7.19％
20％	250.5m	263.7m	5.27％
				...	...	...	...
50％	250.5m	259.3m	3.51％
				60％	250.5m	257.1m	2.63％
...	...	...	...
				90％	250.5m	253.2m	1.08％
100％	250.5m	248.3m	0.88％

表3V3为泄漏点时的部分数据结果(节选某一组结果)

泄漏阀V3开度	泄漏阀实际位置	泄漏实验模拟定位	精度误差
				10％	375.5m	411.5m	9.59％
20％	375.5m	404.7m	7.78％
				...	...	...	...
50％	375.5m	392.3m	4.47％
				60％	375.5m	388.3m	3.41％
...	...	...	...
				90％	375.5m	372.2m	1.88％
100％	375.5m	370.3m	1.38％

以上仅是节选出一组数据，由于实验条件限制，结果或许并不理想，但这并不影响得出一些实验规律，根据以上数据分析可基本确定出：泄漏阀靠近出口端时，出口端的压力下降幅值较大，流量增加较多，入口端压力下降幅值较小，流量下降的幅值也较小，泄漏点靠近入口端时，出口端的压力下降幅值较小，流量增加也较小，入口端压力下降幅值较大，流量下降的幅值也较大，泄漏阀开度越大，距离出口端越近，泄漏量越大，定位误差越小；泄漏阀开度越小，距离出口端越远，定位误差也越大。以上结论仅是示例性说明，同时还可以判断出泄漏阀开度和位置与泄漏点的定位精度的其他规律，这将在具体实验过程中得到进一步的展示，同时其他的油气泄漏检测技术也可以通过该实验系统稍加改造实现，将在其他发明申请中得到进一步的说明。

同时可以指出的是，图1所示仅是为了描述方面，其管道布置位置可以为任何合适的走向，例如来回绕圈成形等，同时图4还给出了本发明的另一种改进实验系统，其与图1的区别仅在于，所述的泄漏阀单元V1、V2、V3分别包括三个相互紧邻的阀门件，其共同组成泄漏阀单元，这样可以避免使用具有等级阀门刻度的阀门组件，在控制泄漏点开度时可以任意打开任意个数的阀门件即可实现对泄漏点开度的调节，增加了实验系统的可行性，其余方面与本申请的前述描述相同。

本发明不限于上面的应用，各种可能的修改在从属权利要求的范围中，对于上述的具体实施方式的其它修改也可以被制造。因此，需要明白的是本发明不限于公开的具体实施方式和其修改及其它实施方式意图包括在所附的权利要求中。虽然在此使用了具体术语，但是它们仅仅用在一般和叙述情况下而非限制的目的。

Claims (3)

1.一种油气泄漏检测模拟实验系统，该实验系统由气液储罐，缓冲罐，控制阀单元，泵单元，入口传感器单元，出口传感器单元，中央处理器单元，储存器单元，安全阀，多个输送管道，泄漏阀单元组成，其中多个输送管道相互连接形成闭环回路连接到气液储罐的入口端和出口端上，缓冲罐流体连接到气液储罐上，用来防止气液流入造成的压力激烈变化；在气液储罐的出口端依次连接着控制阀单元和泵单元，控制阀用来控制整个流体管道的开通和关闭，而泵单元提供流体输送的动力；在所述气液储罐的入口端和出口端附近分别安装有监测流体管道内流体压力和流体流量的传感器单元，所述传感器单元为集成式传感器单元，包括动态压力传感器和流量传感器；其特征在于，沿着流体管道的流动方向，等距离间隔分布安装有三个泄漏阀单元，其开度按大小等刻度调节，从10％-100％开度十个档位，从而控制泄漏阀的开度大小模拟出不同的泄漏情况；其中所述传感器单元，泄漏阀单元通过信号控制线连接到处理器单元上，从而传感器单元将检测信号输送给处理器单元，同时处理器单元对泄漏阀单元进行控制调节；上述实验系统的操作过程为，首先启动油气泄漏检测模拟实验系统测试程序，进行实验设备装置的测试，看其是否符合实验的基本要求，如果经过设备检测不符合实验条件要求，则进行再次的调整和检查，如果符合要求，则进行负压波检测法常规参数的设定，然后，选定某一泄漏阀为设定泄漏点，其余泄漏阀关闭，在设定泄漏点处的泄漏阀的开度可调节为10个档位，分别为10％开度，20％开度，30％开度…100％开度，在一次测试过程中依次选定某一档位；利用传感器单元来实时监测管道流体的动态压力和流量，得出相应的出口动态压力信号P_出和出口流量信号S_出，入口动态压力信号P_入和入口流量信号S_入，将上述信号进行滤波处理，假如出口流量信号S_出和入口流量信号S_入的流量差△S等于零或在可接受的阈值范围内，则表明目前依据当前的检测方式不能检测出泄漏情况，同时返回到调整泄漏阀开度步骤进行调整；如果流量差△S超出可接受的阈值范围，则表明已经检测到泄漏的发生并报警，进行泄漏点的定位检测；采集相关信号数据运算得出相应的泄漏点位置值L_测，并将该数值保存到存储器单元中；接下来，将该实验模拟计算值与实际的泄漏点位置值L_实值进行比较得出其差值△L，判断其差值△L是否在可接受的阈值范围内，如果不能接受，则需要检测原因同时保存数值，如果可以接受，则保存相应数值并返回进行下一泄漏开度的测定。

2.如权利要求1所述的一种油气泄漏检测模拟实验系统，其特征在于，所述动态压力传感器型号选择为JYB-KO-HAG型压力变送器，流量传感器型号选择为LWGY-40型涡轮流量传感器。

3.如权利要求1所述的一种油气泄漏检测模拟实验系统，其特征在于，所述的泄漏阀单元分别包括三个相互紧邻的阀门件，其共同组成泄漏阀单元。