CN103836347B - 一种用于原油集输管道的泄漏监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本法发明涉及一种用于原油集输管道的泄漏监测装置及监测方法。管道泄漏监测装置包括多台分布式处理终端、一台中心接收机和一台中控机；每条管道上安装两台分布式处理终端，分别安装在首站出口与末站入口处；分布式处理终端负责数据采集、处理、传输及压力异常判断和疑似泄漏判断；中心接收机负责处理中控机与分布式处理终端的通讯任务；中控机负责对疑似泄漏进行确认判断与报警。该泄漏监测装置实时性强的疑似泄漏判断任务在分布式处理终端中处理，只有当发现疑似泄漏后才把相关数据传送给中控机，大幅降低了无线传输数据量，提高了数据通讯质量；中控机需要处理的数据量大幅减少且泄漏确认算法简单，降低了中控机的负荷，提高了其运行稳定性。

Description

一种用于原油集输管道的泄漏监测装置及监测方法

技术领域

本法发明属于油气储运领域，具体地，涉及一种用于原油集输管道的泄漏监测装置及监测方法。

背景技术

将原油从油田的各处理站汇集输送到油库的管道称为集输管道，集输管道输送的是高纯度原油，在油田内部分布广泛；近年来因腐蚀穿孔、打孔盗油等自然、人为因素所导致的管道泄漏时有发生，而原油一旦泄漏往往带来严重的后果。如果对管线开展实时监测，迅速准确地发现泄漏并判断泄漏点位置，就能采取措施及时处理，使损失降到最小，因此有重要的意义。

几种有代表性的在线管道泄漏监测方法有：质量平衡监测法、负压波监测法、分布式光纤监测法、音波监测法。其中负压波监测法因其投资少、检测实时性好等特点，在国内各大油田应用最为广泛。负压波泄漏监测方法是利用数据采集装置实时获取管道两端的压力信号，并实时进行传输、滤波和泄漏判断的一种方法。

中国发明专利200910086818.9提供了一种液体压力管道泄漏检测及泄漏定位装置，其包括：加速度传感器、发射机、接收机和上位机。加速度传感器检测管道泄漏所产生的声信号，发射机对该声信号进行调理并发送到接收机，接收机对接收到的声信号进行解调并传给上位机，上位机负责信号的处理。

中国发明专利201310169679.2提供了一种基于音波信号的输气管道泄漏检测装置及检测方法，该检测装置包括音波传感器组、信号调理器、模数转换器、数据传输媒介与中控计算机，其数据传输媒介为已有的SCADA系统。

中国发明专利200910220268.5提供了一种基于小波和模式识别的流体输送管道泄漏检测方法及装置，检测装置包括压力变送器、ARM处理器、局域网及GPS全球定位校时系统。该装置利用管道首、末站间的高速局域网，实时采集管道两端的压力数据，通过模数转换器将数据传递给ARM处理器进行泄漏判断与泄漏点定位。该检测方法是对压力信号进行分析，利用斜率法、小波理论和神经网络来排除泵操作对管道泄漏检测的影响，通过逐步完善神经网络专家库的方式降低误报警率。

以上涉及管道泄漏监测的装置或方法是从数据采集、传输、处理与泄漏识别三个方面进行阐述的，由于原油集输管道布局、管况的特殊性，在现场应用中发现现有专利及技术主要存在以下缺点：

(1)、数据传输质量低。原油集输管道管长一般在3到20公里之间且建设年代早自动化程度低，很少有现成的SCADA系统或首末站高速局域网供通讯使用，从成本角度考虑，后建的管道泄漏监测系统，只能采取无线电台的通讯方式；由于原油管道泄漏监测系统需要在线运行，实时数据传输量巨大，且受天气等外界因素的影响，常导致数据请求、发送任务无法在规定时间内完成，造成数据丢失。

(2)、中控机运行不稳定。汇集到同一油库的集输管道有多条，而现有的泄漏监测系统为集中式在线处理系统，中控机需要在一定的时间片内，依次请求多个远程管道终端的数据并完成压缩、存储、处理等任务，这些任务为串行任务，一旦某个环节出现延迟将可能影响下一个时间片任务的执行，造成系统崩溃。在实际应用中发现，除了数据通讯任务外，数据的存储任务和复杂的泄漏判断处理任务都会占用大量计算机资源易造成时间延迟，因此这种集中式实时处理系统的中控机任务负荷大、运行不稳定。

(3)、泄漏监测误报警率高。由于在管道输送过程中一些正常的停泵、调阀操作也会产生跟泄漏类似的负压波，因此如何排除泵、阀操作的影响是准确判断泄漏的关键。现有的发明、技术多采用算法复杂度高的方法来排除泵、阀操作的影响，事实上，因管道管况、泄漏点位置、泄漏量等条件不同，管道泄漏所产生的负压波形多种多样，如果仅从压力角度进行判断，难以排除泵、阀的操作影响，因此泄漏监测误报警率高。

上述缺点直接影响了负压波泄漏监测系统的性能和指标，降低了管道安全运行保障工作的效能。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于原油集输管道的泄漏监测装置及监测方法，以解决泄漏监测中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

管道泄漏监测装置，采用分布式处理系统，包括：多台分布式处理终端、一台中心接收机和一台中控机；每条管道上安装两台分布式处理终端，分别安装在首站出口与末站入口处；分布式处理终端负责数据采集、处理、传输及压力异常判断和疑似泄漏判断；中心接收机负责处理中控机与分布式处理终端的通讯任务；中控机负责对疑似泄漏进行确认判断与报警。

用于原油集输管道的泄漏监测方法，采用上述的管道泄漏监测装置，其特征在于，该泄漏监测方法采用三级判别体系：管道压力异常判断、管道疑似泄漏判断、管道泄漏确认；其中前两级在分布式处理终端处理，最后一级在中控机上处理。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：该泄漏监测装置为分布式处理系统，实时性强的疑似泄漏判断任务在分布式处理终端中处理，只有当发现疑似泄漏后才把相关数据传送给中控机，大幅降低了无线传输数据量，提高了数据通讯质量；中控机需要处理的数据量大幅减少且泄漏确认算法简单，降低了中控机的负荷，提高了其运行稳定性；该泄漏监测方法通过监测泵、阀的运行状态，直接排除因泵、阀操作所引起的压力异常情况，大幅降低了泄漏监测系统的误报警率；同时，正是因为不用过分担心误报警率高的问题，压力异常判断阈值可以设置得小一些，提高了泄漏监测系统对小泄漏的监测能力。

附图说明

图1为管道泄漏监测装置结构示意图；

图2为分布式处理终端功能模块结构示意图；

图3为中心接收机功能模块结构示意图；

图4为压力异常判断的流程示意图；

图5为PL2A端采集到的原始压力信号；

图6为PL2A端降噪后的压力信号；

图7为管道疑似泄漏判断的流程图；

图8为PL2A端采集到的泵机组电机过路电流信号；

图9为PL2A端采集到的电动阀过路电流信号；

图10为管道泄漏确认的流程图。

具体实施方式

如图1所示，管道泄漏监测装置，采用分布式处理系统，包括：多台分布式处理终端、一台中心接收机和一台中控机；每条管道上需安装两台分布式处理终端，分别安装在首站出口与末站入口处(末站一般为油库所在地)，分布式处理终端负责数据采集、处理、传输及压力异常判断和疑似泄漏判断；中心接收机负责处理中控机与分布式处理终端的通讯任务，中心接收机一般架设在油库监控室的室外塔架上；中控机负责对疑似泄漏进行确认判断与报警，中控机一般设置在油库的监控室内。

如图2所示，分布式处理终端，包括：压力传感器、泵机组过路电流传感器、电动阀过路电流传感器、信号调理模块、模数转换模块、控制与处理模块、数据存储模块、GPS模块、屏显模块、远程无线通讯模块；其中：

压力传感器的输出端与信号调理模块连接，压力传感器用于采集管道的实时压力信号，压力传感器采用介入式安装在管道上，压力传感器的量程为：-0.1-10MPa，输出4-20mA模拟电流信号；

泵机组过路电流传感器采用开合式的电流传感器，泵机组过路电流传感器夹在泵机组的动力电源线上，采集过路电流；当泵机组启动或停止时，泵机组电机过路电流会发生变化，泵机组过路电流传感器的量程为：0-200A，输出为4-20mA模拟电流信号，泵机组过路电流传感器的输出端与信号调理模块连接，由于在集输管道末站无泵机组，泵机组过路电流传感器接地；

电动阀过路电流传感器采用开合式的电流传感器，电动阀过路电流传感器夹在电动阀的动力电源线上，采集过路电流；当泵启动、停止和阀门开度变化时，电动阀过路电流会发生变化，电动阀过路电流传感器的量程为：0-200A，输出为4-20mA模拟电流信号，电动阀过路电流传感器的输出端与信号调理模块连接；

信号调理模块对压力传感器采集到的压力信号、泵机组过路电流传感器采集到的泵机组过路电流信号、电动阀过路电流传感器采集到的电动阀过路电流信号分别进行放大处理，分别输出0～10V模拟电压信号，信号调理模块的输出端连接模数转换模块；

模数转换模块采用16位4通道100kps转换器，模数转换模块把信号调理模块传送来的模拟信号转换成数字信号，模数转换模块的输出端与控制与处理模块连接；

控制与处理模块选用ARM9处理器，采用WinCE6嵌入式操作系统和嵌入式数据库，用来控制数据的采集、存储与传输，并实现压力实时降噪处理、压力下降异常判断、疑似泄漏判断功能；

数据存储模块采用64M SDRAM芯片和256M NAND-Flash芯片的组合形式，数据存储模块通过电路连接到控制与处理模块，用于提供程序运行空间与数据存储；

远程无线通讯模块通过电路连接到控制与处理模块，发射功率25W，工作频段350MHz，通讯速率为4800bps，提供处理终端与中心接收机双向通讯的媒介；

GPS模块采用SIRF3模组GPS接收器并带MMCX外置天线，GPS模块通过电路连接到控制与处理模块，用于定时矫正嵌入式操作系统的时间和为即将发送的数据包提供时间标签；

屏显模块采用TFT液晶屏，屏显模块通过电路连接到控制与处理模块，用于显示实时数据和设置压力异常判断算法的相关参数。

如图3所示，中心接收机，包括：远程无线通讯模块、数据存储模块、中控机通讯接口、通讯控制模块；其中：

通讯控制模块选用ARM9处理器，采用WinCE6嵌入式操作系统和嵌入式数据库，实现与中控机的双向通信、控制无线通讯和数据缓存的功能；

远程无线通讯模块的发射功率为25W，工作频段350MHz，信道间隔25Hz，通讯速率为4800bps，远程无线通讯模块通过电路连接到通讯控制模块，用于与各分布式终端双向通讯；

数据存储模块采用64M SDRAM芯片和256M NAND-Flash芯片的组合形式，数据存储模块通过电路连接到通讯控制模块，数据存储模块用于提供程序运行空间与数据存储；

中控机通讯接口采用RS485接口，数据存储模块一端通过电路连接到通讯控制模块、另一端通过工控电缆与中控机相连，为接收机与主控双向实时通信提供通道。

中控机为该管道泄漏监测装置的中枢，也是与现场人员信息交互的平台，一般安装在油库的监控室，工作环境较好，可选用具有内置扬声器功能和RS485接口的普通商用计算机，可采用Windows系列操作系统和SQL Server数据库，实现对分布式处理终端的数据通讯控制、管道泄漏的确认、管道泄漏声光报警功能。

用于原油集输管道的泄漏监测方法，采用上述管道泄漏监测装置，该泄漏监测方法采用三级判别体系：管道压力异常判断、管道疑似泄漏判断、管道泄漏确认；其中前两级在分布式处理终端处理，最后一级在中控机上处理；假设管道编号为“PL2”，其首站的处理终端标签为“PL2A”，末站的处理终端标签为“PL2B”，具体监测方法如下：

管道压力异常判断，如图4所示，具体步骤如下：

(1)、将压力传感器所采集到的PL2A端管道压力信号送入信号调理模块进行放大处理，然后送入模数转换模块，转换为数字信号；将泵机组过路电流传感器所采集到的PL2A端泵机组过路电流信号送入信号调理模块进行放大处理，然后送入模数转换模块，转换为数字信号；将电动阀过路电流传感器所采集到的PL2A端电动阀过路电流信号送入信号调理模块进行放大处理，然后送入模数转换模块，转换为数字信号；

(2)、将压力信号、泵机组过路电流信号、电动阀过路电流信号分别存储到数据存储模块中的数据库，该数据库只保存当前10分钟的历史数据，当新数据存入后需同时删除数据库中10分钟以前的数据；

(3)、利用双边阈值降噪方法对数据库中的原始压力数据进行降噪处理；双边阈值降噪方法为：假设原始数据为r_t，降噪后为x_t，降噪公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_t=r_t-x_{t-1}& \\ x_t=r_t& \mathrm{if}(d_t<p_{\min })\mathrm{or}(d_t>p_{\max })\\ x_t=x_{t-1}& \mathrm{else}\end{array}\right.$

式中d_t为当前原始值与前一个时刻降噪值的差，p_min、p_max分别为d_t的最大、最小允许波动阈值，由于每条管道、管端的噪声水平不同，需要根据实际情况来设置此波动阈值。对如图5所示PL2A端管况下的原始压力数据进行降噪所采用最大允许波动阈值为：p_max＝0.007MPa，最小允许波动阈值为：p_min＝-0.002MPa，降噪后的PL2A端管道压力数据见图6所示，可见已消除掉大部分噪声，同时保留了压力波的变化趋势。

(4)、利用连续下降阈值法对降噪后信号判断压力下降异常；连续下降阈值方法为：假设待分析压力信号为x_t，其差分信号就为d_t＝x_t-x_t-1，那么计算连续n个d_i均小于0的个数记为s，如果s大于设定的阈值p，即判该段压力信号下降异常，其中参数n和阈值p需要根据实际管况来设置。对PL2A端管况预先设置连续下降参数n＝3，阈值参数p＝20，统计图6所示PL2A端管道降噪压力数据的连续下降段个数为s＝33，s＞p，因此判定该管道PL2压力下降异常。

管道疑似泄漏判断，如图7所示，具体步骤如下：

(1)、当判断出压力下降异常后，从数据库取出PL2A端泵机组过路电流10分钟历史数据，见图8所示，并从数据库取出PL2A端电动阀过路电流10分钟历史数据，见图9所示；

(2)、利用二值法判断PL2A端是否存在泵机组或电动阀操作；二值判断法为：假设电流值为i_t，假设所得到的判断结果为y，那么遍历i_t各项，如果既存在大于0又存在等于0的项，则取y＝1，否则取y＝0，式中y＝1表示在这10分钟内存在泵机组或电动阀操作，y＝0表示在这10分钟内没有工况操作；对图8所示PL2A端泵机组过路电流进行判断，判断结果为PL2A端无泵机组操作，对图9所示PL2A端电动阀过路电流进行判断，判断结果为PL2A端无电动阀操作，将PL2A端工况操作标志信息记为“PUMP-0、VALV-0”；

(3)、如果这期间PL2A端存在泵机组或电动阀操作，该判定该压力异常由工况操作所引起，进而排除管道PL2发生泄漏的可能，否则判定该管道PL2发生疑似泄漏；

(4)、如果判定PL2管道发生疑似泄漏，那么将数据库中的原始压力数据、工况操作标志信息、GPS时间标签和分布式处理终端标签“PL2A”打包后发送给中心接收机。

管道泄漏确认，如图10所示，具体步骤如下：

(1)、中心接收机将接收到的数据包传给中控机，中控机解码此数据包的处理终端标签“PL2A”；

(2)、中控机通过中心接收机向同管道另外一端的分布式处理终端PL2B发送数据请求，请求接收PL2B端原始压力数据、工况操作标志信息、GPS时间信息；

(3)、中控机通过中心接收机接收PL2B端数据，并解码PL2B端泵、阀工况操作标志信息；

(4)、中控机判断如果PL2B端存在工况操作，那么就取消PL2A端的管道疑似泄漏判断，否则确认管道PL2发生泄漏并声光报警。

Claims (3)

1.一种管道泄漏监测装置，采用分布式处理系统，包括：多台分布式处理终端、一台中心接收机和一台中控机；其特征在于：每条管道上安装两台分布式处理终端，分别安装在首站出口与末站入口；分布式处理终端负责数据采集、处理、传输及压力异常判断和疑似泄漏判断；中心接收机负责处理中控机与分布式处理终端的通讯任务；中控机负责对疑似泄漏进行确认判断与报警；

分布式处理终端，包括：压力传感器、泵机组过路电流传感器、电动阀过路电流传感器、信号调理模块、模数转换模块、控制与处理模块、数据存储模块、GPS模块、屏显模块、远程无线通讯模块；其中：压力传感器的输出端与信号调理模块连接；泵机组过路电流传感器夹在泵机组的动力电源线上，泵机组过路电流传感器的输出端与信号调理模块连接；电动阀过路电流传感器夹在电动阀的动力电源线上，电动阀过路电流传感器的输出端与信号调理模块连接；信号调理模块的输出端连接模数转换模块；模数转换模块的输出端与控制与处理模块连接；数据存储模块通过电路连接到控制与处理模块，远程无线通讯模块通过电路连接到控制与处理模块，GPS模块通过电路连接到控制与处理模块，屏显模块通过电路连接到控制与处理模块；

中心接收机，包括：远程无线通讯模块、数据存储模块、中控机通讯接口、通讯控制模块；其中：远程无线通讯模块通过电路连接到通讯控制模块，数据存储模块通过电路连接到通讯控制模块，数据存储模块一端通过电路连接到通讯控制模块、另一端通过工控电缆与中控机相连；

压力传感器采用介入式安装在管道上，压力传感器的量程为：-0.1-10MPa，输出4-20mA模拟电流信号；泵机组过路电流传感器采用开合式的电流传感器，泵机组过路电流传感器的量程为：0-200A，输出为4-20mA模拟电流信号；电动阀过路电流传感器采用开合式的电流传感器，电动阀过路电流传感器的量程为：0-200A，输出为4-20mA模拟电流信号；信号调理模块对压力传感器采集到的压力信号、泵机组过路电流传感器采集到的泵机组过路电流信号、电动阀过路电流传感器采集到的电动阀过路电流信号分别进行放大处理，分别输出0～10V模拟电压信号，模数转换模块采用16位4通道100kps转换器；控制与处理模块选用ARM9处理器，采用WinCE6嵌入式操作系统和嵌入式数据库，用来控制数据的采集、存储与传输，并实现压力实时降噪处理、压力下降异常判断、疑似泄漏判断功能；分布式处理终端中的远程无线通讯模块的发射功率25W，工作频段350MHz，通讯速率为4800bps；分布式处理终端中的数据存储模块采用64M SDRAM芯片和256M NAND-Flash芯片的组合形式；GPS模块采用SIRF3模组GPS接收器并带MMCX外置天线；屏显模块采用TFT液晶屏；

末站为油库所在地，中心接收机架设在油库监控室的室外塔架上，中控机设置在油库的监控室内；

中控机选用具有内置扬声器功能和RS485接口的普通商用计算机，采用Windows系列操作系统和SQL Server数据库，实现对分布式处理终端的数据通讯控制、管道泄漏的确认、管道泄漏声光报警功能。

2.根据权利要求1所述的管道泄漏监测装置，其特征在于，通讯控制模块选用ARM9处理器，采用WinCE6嵌入式操作系统和嵌入式数据库；中心接收机中的远程无线通讯模块的发射功率为25W，工作频段350MHz，信道间隔25Hz，通讯速率为4800bps；中心接收机中的数据存储模块采用64MSDRAM芯片和256M NAND-Flash芯片的组合形式；中控机通讯接口采用RS485接口。

3.一种用于原油集输管道的泄漏监测方法，采用权利要求1-2之一所述的管道泄漏监测装置，其特征在于，该泄漏监测方法采用三级判别体系：管道压力异常判断、管道疑似泄漏判断、管道泄漏确认；其中前两级在分布式处理终端处理，最后一级在中控机上处理；

假设管道编号为“PL2”，其首站的处理终端标签为“PL2A”，末站的处理终端标签为“PL2B”，具体监测方法如下：

管道压力异常判断，具体步骤如下：

(1)、将压力传感器所采集到的PL2A端管道压力信号送入信号调理模块进行放大处理，然后送入模数转换模块，转换为数字信号；将泵机组过路电流传感器所采集到的PL2A端泵机组过路电流信号送入信号调理模块进行放大处理，然后送入模数转换模块，转换为数字信号；将电动阀过路电流传感器所采集到的PL2A端电动阀过路电流信号送入信号调理模块进行放大处理，然后送入模数转换模块，转换为数字信号；

(2)、将压力信号、泵机组过路电流信号、电动阀过路电流信号分别存储到数据存储模块中的数据库，该数据库只保存当前10分钟的历史数据，当新数据存入后需同时删除数据库中10分钟以前的数据；

(3)、利用双边阈值降噪方法对数据库中的原始压力数据进行降噪处理；双边阈值降噪方法为：假设原始数据为r_t，降噪后为x_t，降噪公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_t=r_t-x_{t-1}& \\ x_t=r_t& \mathrm{if}(d_t<p_{\min })\mathrm{or}(d_t>p_{\max })\\ x_t=x_{t-1}& \mathrm{else}\end{array}\right.$

式中d_t为当前原始值与前一个时刻降噪值的差，p_min、p_max分别为d_t的最大、最小允许波动阈值，由于每条管道、管端的噪声水平不同，需要根据实际情况来设置此波动阈值；

(4)、利用连续下降阈值法对降噪后信号判断压力下降异常；连续下降阈值方法为：假设待分析压力信号为x_t，其差分信号就为d_t＝x_t-x_t-1，那么计算连续n个d_t均小于0的个数记为s，如果s大于设定的阈值p，即判该段压力信号下降异常，其中参数n和阈值p需要根据实际管况来设置；

管道疑似泄漏判断，具体步骤如下：

(1)、当判断出压力下降异常后，从数据库取出PL2A端泵机组过路电流10分钟历史数据，并从数据库取出PL2A端电动阀过路电流10分钟历史数据；

(2)、利用二值法判断PL2A端是否存在泵机组或电动阀操作；二值判断法为：假设电流值为i_t，假设所得到的判断结果为y，那么遍历i_t各项，如果既存在大于0又存在等于0的项，则取y＝1，否则取y＝0，式中y＝1表示在这10分钟内存在泵机组或电动阀操作，y＝0表示在这10分钟内没有工况操作；

(3)、如果这期间PL2A端存在泵机组或电动阀操作，该判定该压力异常由工况操作所引起，进而排除管道PL2发生泄漏的可能，否则判定该管道PL2发生疑似泄漏；

(4)、如果判定PL2管道发生疑似泄漏，那么将数据库中的原始压力数据、工况操作标志信息、GPS时间标签和分布式处理终端标签“PL2A”打包后发送给中心接收机；

管道泄漏确认，具体步骤如下：

(1)、中心接收机将接收到的数据包传给中控机，中控机解码此数据包的处理终端标签“PL2A”；

(2)、中控机通过中心接收机向同管道另外一端的分布式处理终端PL2B发送数据请求，请求接收PL2B端原始压力数据、工况操作标志信息、GPS时间信息；

(3)、中控机通过中心接收机接收PL2B端数据，并解码PL2B端泵、阀工况操作标志信息；

(4)、中控机判断如果PL2B端存在工况操作，那么就取消PL2A端的管道疑似泄漏判断，否则确认管道PL2发生泄漏并声光报警。