CN108036201B - 一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，该方法设置系统监测终端、数据采集单元及通讯单元、现场仪表及监测系统软件。现场仪表包括流量计及压力变送器，在出站流量计出口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米，在进站流量计前进口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米；在进出、站安装数据采集单元，数据采集单元实时采集站点双压力、流量数据，进行预处理；在进、出站安装通讯单元将数据采集单元处理后数据封包并传送至系统监测终端；该方法可准确判断站场操作变化，进而屏蔽或准确提示站场动作引起的报警，提高泄漏监测系统的稳定性、准确度。

Description

一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法

技术领域

本发明涉及一种输油管道泄漏监测方法，具体为一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，属于输油管道监测方法应用技术领域。

背景技术

目前当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，使管道内液体流出，泄漏处的压力突降，泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充，在管道内突然形成负压波动。负压波从泄漏点向管道上、下端传播。同时管道内流量平衡被打破，产生输差，两端瞬时流量发生变化，输出端流量上升、接收端流量下降。可得出泄漏时必然变化如下，且该变化条件具有唯一性，可准确判断泄漏：1)、输出站压力下降。2)、接收站压力下降。3)、输出站瞬时流量上升。4)、接收站瞬时流量下降。5)、产生输差。

目前采用的单压力和流量模式存在很多不足之处，如该类管道具输入、输出站均有压力、流量，泄漏时产生的条件变化，可准确判断泄漏发生，对于一般性站内操作可判断，并屏蔽或给出准确提示。但对于接收站走联通、或联通阀门不严、流量计单流阀功能损坏造成的倒流等变化趋势同泄漏趋势一致的站内变化，无法屏蔽或给出准确提示，需经过压力变化定位后，进行排除，但由于压力变化情况复杂可能造成误报警情况。采用单站流量计管道分析，该类管道两站均有压力条件，只一站具备流量条件，泄漏时可进行判断条件如下：(1)、输出站压力。(2)、接收站压力。(3)、单站流量。上述泄漏时条件变化不具备唯一性，当接收站开大进口阀门时(或汇管其他管道降低排量)，也会产生泄漏变化趋势：输出站瞬时流量上升，两站压力下降。系统无法屏蔽或给出准确提示，需经过压力变化定位后，进行排除，但由于压力变化情况复杂频繁造成误报警情况。仅依据上述条件无法准确判断引起泄漏条件变化来源，而引发报警，需根据定位结果并同其他站点核实，来排除站点操作引起的报警，这样一来降低了系统的可靠性，增加不必要工作量。传统单压力变送器和流量模式无法准确判断站内操作或站场工艺条件变化而引起的报警，不能屏蔽或准确提示站场动作引起的报警，造成泄漏监测系统的稳定性差、准确度低，因此，针对上述问题提出一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，该方法设置系统监测终端、数据采集单元及通讯单元、现场仪表及监测系统软件；现场仪表包括流量计及压力变送器，在出站流量计出口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米，在进站流量计前进口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米；在进出、站安装数据采集单元，数据采集单元实时采集站点双压力、流量数据，进行预处理；在进、出站安装通讯单元将数据采集单元处理后数据封包并传送至系统监测终端；系统监测终端将进、出的数据进行存储、分析判断及报警定位人际交互。

所述泄漏监测系统软件接收通讯单元传输数据，进行数据存储、显示、计算分析并提供人际交互，对泄漏等异常情况给出报警提示及定位信息，监测系统软件对进、出站双压力及流量各条件分别判断，包括以下步骤：

1)当判断两站压力均为远站端压力变送器先下降而后近站端压力下降，可判定下降来源为站间扰动时，等待流量判断条件，如输出站瞬时流量上升，接收站瞬时流量下降，输出、接收站产生输差，则可判定为站间管道泄漏，给出报警提示，并通过两站间压力变化时间差通过公式计算泄漏位置；

2)当判断两站压力变化为一站近站端先下降、而后远站端下降，另一站为远站端压力先下降、而后近站端压力再下降，等待流量判断条件，若输出站瞬时流量上升，接收站瞬时流量下降，输出、接收站产生输差，则可判定为站点内倒联通流程，给出站点内操作提示。

所述负压波法包括以下步骤：

步骤A、当液体输送管道发生泄漏时，泄漏处由于管道内外的压差，使泄漏处的压力突降，泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充，在管道内产生负压波动，这一过程从泄漏点向上、下游传播，并以指数律衰减，逐渐归于平静，这种压降和正常压力波动不同，具有比较陡峭的前沿；

步骤B、管道两端的压力传感器接收管道的瞬变压力信息，而判断泄漏的发生，通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上游、下游两端的时间差和管道内的压力波的传播速度计算出泄漏点的位置；

步骤C、负压波的传播规律跟管道内的声音、水击波相同，其速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性；

步骤D、系统根据压力响应的时间差、管道长度、压力传播速度，建立基本的数学理论模型；

步骤E、系统根据管道物理参数、被输介质的理化性质以及温度衰减等因素对压力波的传递速度造成的衰减变化，进行了必要的补偿和修正，根据公式可计算出泄漏点位置，其中，管道长度L、压力波传递速度V、流速V’，t1－t2为首、末站压力反应时间差，瞬时传播速度是介质粘度、密度、管道管径、弹性模量的函数。

优选的，所述步骤E采用小波变换或相关分析、基于随机变量之间差异程度的信息测度检测等方法对压力信号进行处理。

优选的，所述步骤C中的负压波的速度为1000～1200m/s，频率范围0.2～20kHz。

优选的，所述流量趋势法为：管道在正常运行状态下，管道输入和输出流量基本趋于稳定，当发生泄漏时管道内流量平衡被打破，输出流量多于接收流量产生输差，同时两端瞬时流量发生相应变化，输出端流量上升、接收端流量下降，该变化趋势可作为泄漏判断条件；该条件不具备唯一性，在末端开联通部分介质不通过流量计时，一端或两端无流量计时，末端动作阀门产生该趋势变化，采用双压力法解决。

优选的，所述系统监测终端包括终端处理系统连接通讯单元，且所述通讯单元连接数据采集RTU；所述数据采集RTU连接隔离栅、智能总线转换器和专用信号处理器，且其中一个隔离栅连接管道泄漏动态检测仪，且管道泄漏动态检测仪连接远端压力；另一个隔离栅连接管道泄漏动态检测仪，且管道泄漏动态检测仪连接近端压力；所述智能总线转换器连接智能流量变送器，且所述智能流量变送器连接流量，且流量的另一端连接流量计自带变送器，且所述流量计自带变送器连接专用信号处理器。

本发明的有益效果是：本发明具有高精准度、高灵敏度，能实时反映管道内压力的真实变化数据，采集设备及软件具有较高的A/D转换精度、采样处理速度。以确保能够清晰准确的采集到毫秒级压力变化。GPS时间标记确保数据不受通讯延时、错误等影响，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明整体结构流程图；

图2为本发明的实施例监控系统图；

图3为本发明的实施例监控系统折线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3所示，一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，该方法设置系统监测终端、数据采集单元及通讯单元、现场仪表及监测系统软件；现场仪表包括流量计及压力变送器，在出站流量计出口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米，在进站流量计前进口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米；在进出、站安装数据采集单元，数据采集单元实时采集站点双压力、流量数据，进行预处理；在进、出站安装通讯单元将数据采集单元处理后数据封包并传送至系统监测终端；系统监测终端将进、出的数据进行存储、分析判断及报警定位人际交互。

所述泄漏监测系统软件接收通讯单元传输数据，进行数据存储、显示、计算分析并提供人际交互，对泄漏等异常情况给出报警提示及定位信息，监测系统软件对进、出站双压力及流量各条件分别判断，包括以下步骤：

1)当判断两站压力均为远站端压力变送器先下降而后近站端压力下降，可判定下降来源为站间扰动时，等待流量判断条件，如输出站瞬时流量上升，接收站瞬时流量下降，输出、接收站产生输差，则可判定为站间管道泄漏，给出报警提示，并通过两站间压力变化时间差通过公式计算泄漏位置；

2)当判断两站压力变化为一站近站端先下降、而后远站端下降，另一站为远站端压力先下降、而后近站端压力再下降，等待流量判断条件，若输出站瞬时流量上升，接收站瞬时流量下降，输出、接收站产生输差，则可判定为站点内倒联通流程，给出站点内操作提示。

所述负压波法包括以下步骤：

步骤A、当液体输送管道发生泄漏时，泄漏处由于管道内外的压差，使泄漏处的压力突降，泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充，在管道内产生负压波动，这一过程从泄漏点向上、下游传播，并以指数律衰减，逐渐归于平静，这种压降和正常压力波动不同，具有比较陡峭的前沿；

步骤B、管道两端的压力传感器接收管道的瞬变压力信息，而判断泄漏的发生，通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上游、下游两端的时间差和管道内的压力波的传播速度计算出泄漏点的位置；

步骤C、负压波的传播规律跟管道内的声音、水击波相同，其速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性；

步骤D、系统根据压力响应的时间差、管道长度、压力传播速度，建立基本的数学理论模型；

步骤E、系统根据管道物理参数、被输介质的理化性质以及温度衰减等因素对压力波的传递速度造成的衰减变化，进行了必要的补偿和修正，根据公式可计算出泄漏点位置，其中，管道长度L、压力波传递速度V、流速V’，t1－t2为首、末站压力反应时间差，瞬时传播速度是介质粘度、密度、管道管径、弹性模量的函数。

所述步骤E采用小波变换或相关分析、基于随机变量之间差异程度的信息测度检测等方法对压力信号进行处理。

所述步骤C中的负压波的速度为1000～1200m/s，频率范围0.2～20kHz。

所述流量趋势法为：管道在正常运行状态下，管道输入和输出流量基本趋于稳定，当发生泄漏时管道内流量平衡被打破，输出流量多于接收流量产生输差，同时两端瞬时流量发生相应变化，输出端流量上升、接收端流量下降，该变化趋势可作为泄漏判断条件；该条件不具备唯一性，在末端开联通部分介质不通过流量计时，一端或两端无流量计时，末端动作阀门产生该趋势变化，采用双压力法解决。

所述系统监测终端包括终端处理系统连接通讯单元，且所述通讯单元连接数据采集RTU；所述数据采集RTU连接隔离栅、智能总线转换器和专用信号处理器，且其中一个隔离栅连接管道泄漏动态检测仪，且管道泄漏动态检测仪连接远端压力；另一个隔离栅连接管道泄漏动态检测仪，且管道泄漏动态检测仪连接近端压力；所述智能总线转换器连接智能流量变送器，且所述智能流量变送器连接流量，且流量的另一端连接流量计自带变送器，且所述流量计自带变送器连接专用信号处理器。

本发明监测终端组成：监测终端设置在管理站点或管理单位调控中心，由计算机、机柜、相关附件组成。功能：为泄漏监测系统软件提供人机交互载体，实现人机交互功能。数据采集单元组成：设置在输出、接收站值班室(机柜间)，由数据采集设备及数据采集处理软件组成。数据采集设备包括可编程控制器、24位高精度A/D转换单元、高速计数测频单元、RS485\RS232数字接口单元、RJ45网络接口单元及配套供电电源、专业信号处理器、浪涌保护设备等组成。功能：采用2500HZ采样速率，高速采集现场压力、流量信号，并进行预处理。系统内置GPS时钟，确保为每次数据采样提供准确的时间标记，该标记包括在数据包中。通讯单元组成：设置在进、出站值班室(机柜间)，由通讯设备及相应通讯管理软件组成。通讯方式灵活，可利用无线数传电台、网络、3G/4G移动网络进行数据通讯，可采取单一通讯或多种方式混合使用。功能：将数据采集单元预处理后的数据进行封包，并高速传输至系统监测终端。通讯单元实时高效，收发时间小于50ms，并具有多重校验、纠错功能，严重通讯错误时具有数据暂存及重发功能。现场仪表设置组成：1)压力信号：在出站流量计(如无流量计则在泵出口汇管)出口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米，在进站流量计(如无流量计则在来油管道汇管)前进口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米。压力、流量通过信号电缆连接至数据采集设备，压力变送器提供4-20mA电流输出信号。2)、流量信号：由现场流量计提供，流量计不包括在该系统中。注：1、要求压力变送器反应时间≤1ms，压力变送器同步(一致)性≥98％。功能：接收管道内介质的压力、流量变换，转换为电流、频率脉冲或数字信号，提供高精准度、高灵敏度的压力、流量的变化数据给数据采集单元；泄漏监测软件组成：监测系统软件安装在监测终端计算机上，由时钟同步单元、数据存储单元、数据显示单元、曲线显示单元、历史数据回溯单元、曲线操作单元、权限管理单元、安全检测单元、压力数据分析单元、流量数据分析单元、综合分析判断单元、泄漏报警单元、定位单元、电子地图单元、故障自检单元、通讯接口单元、web发布单元等组成。

实施例一：

当应用大庆油田采油九厂，其中，管道概况，如图2-3所示，龙一联(首站)至杏西联(末站)外输油管道管径ф219mm全长23Km，日输原油1000m3，采用连续输油方式。1、首站(龙一联)：外输流量出口处安装的压力变送器一台(P1)，末站方向20米处安装压力变送器一台(P2),信号电缆引至首站数据采集单元；2、末站(杏西联)：五条来油管道汇管进口处安装压力变送器一台(P4)，首站方向20米处安装压力变送器一台(P3)，信号电缆引至末站数据采集单元；3、首、末站：分别安装数据采集装置一套、数据采集预处理软件一套(下位机)；4、首站：安装集输油管道泄漏监测系统终端一套，系统专业应用软件一套；5、首、末站：安装无线通讯单元一套。系统界面上显示：运行界面上部分的红色曲线为首站压力(P2)曲线，蓝色曲线为末站压力(P3)曲线，(P1)(P4)压力变送器在本系统中只作为扰动信号来自方向判断，无需在本系统界面中出现(一则不需要、二则界面清晰明了)，界面中部的红色为首站流量曲线，蓝色为末站流量曲线；下部分的黄色曲线为首、末站流量输差曲线。系统界面示意图：2016年7月20日管道发生泄漏：系统历史记录及数据显示，0时58分35秒泄漏开始，59分26秒系统报警，至时12分36秒关阀泄漏结束，泄漏历时14分01秒，平均瞬时泄漏排量约为18.10m3/h，泄漏总量约为4.22m3，系统定位在距龙一联15.57公里处。

通过实施例可以方便检测到具体位置发生油泄漏，从而方便快速维修，降低安全隐患，减少经济损失及环境污染。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，其特征在于：该方法设置系统监测终端、数据采集单元及通讯单元、现场仪表及监测系统软件；现场仪表包括流量计及压力变送器，在出站流量计出口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米，在进站流量计前进口管道安装两台压力变送器，且压力变送器间管道长度大于等于20米；在进、 出站安装数据采集单元，数据采集单元实时采集站点双压力、流量数据，进行预处理；在进、出站安装通讯单元将数据采集单元处理后数据封包并传送至系统监测终端；系统监测终端将进、出站 的数据进行存储、分析判断及报警定位人际交互；

所述泄漏监测系统软件接收通讯单元传输数据，进行数据存储、显示、计算分析并提供人际交互，对泄漏等异常情况给出报警提示及定位信息，监测系统软件对进、出站双压力及流量各条件分别判断，包括以下步骤：

1)当判断两站压力均为远站端压力变送器先下降而后近站端压力下降，可判定下降来源为站间扰动时，等待流量判断条件，如输出站瞬时流量上升，接收站瞬时流量下降，输出、接收站产生输差，则可判定为站间管道泄漏，给出报警提示，并通过两站间压力变化时间差通过公式计算泄漏位置；

2)当判断两站压力变化为一站近站端先下降、而后远站端下降，另一站为远站端压力先下降、而后近站端压力再下降，等待流量判断条件，若输出站瞬时流量上升，接收站瞬时流量下降，输出、接收站产生输差，则可判定为站点内倒联通流程，给出站点内操作提示；

所述负压波法包括以下步骤：

步骤A、当液体输送管道发生泄漏时，泄漏处由于管道内外的压差，使泄漏处的压力突降，泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充，在管道内产生负压波动，这一过程从泄漏点向上、下游传播，并以指数律衰减，逐渐归于平静，这种压降和正常压力波动不同，具有比较陡峭的前沿；

步骤B、管道两端的压力传感器接收管道的瞬变压力信息，而判断泄漏的发生，通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上游、下游两端的时间差和管道内的压力波的传播速度计算出泄漏点的位置；

步骤C、负压波的传播规律跟管道内的声音、水击波相同，其速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性；

步骤D、系统根据压力响应的时间差、管道长度、压力传播速度，建立基本的数学理论模型；

步骤E、系统根据管道物理参数、被输介质的理化性质以及温度衰减等因素对压力波的传递速度造成的衰减变化，进行了必要的补偿和修正，根据公式可计算出泄漏点位置，其中，管道长度L、压力波传递速度V、流速V’，t1－t2为首、末站压力反应时间差，瞬时传播速度是介质粘度、密度、管道管径、弹性模量的函数。

2.根据权利要求1所述的一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，其特征在于：所述步骤E采用小波变换或相关分析、基于随机变量之间差异程度的信息测度检测等方法对压力信号进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，其特征在于：所述步骤C中的负压波的速度为1000～1200m/s，频率范围0.2～20kHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，其特征在于：所述流量趋势法为：管道在正常运行状态下，管道输入和输出流量基本趋于稳定，当发生泄漏时管道内流量平衡被打破，输出流量多于接收流量产生输差，同时两端瞬时流量发生相应变化，输出端流量上升、接收端流量下降，该变化趋势可作为泄漏判断条件；该条件不具备唯一性，在末端开联通部分介质不通过流量计时，一端或两端无流量计时，末端动作阀门产生该趋势变化，采用双压力法解决。

5.根据权利要求1所述的一种基于负压波法和流量趋势法的输油管道泄漏监测方法，其特征在于：所述系统监测终端包括终端处理系统连接通讯单元，且所述通讯单元连接数据采集RTU；所述数据采集RTU连接隔离栅、智能总线转换器和专用信号处理器，且其中一个隔离栅连接管道泄漏动态检测仪，且管道泄漏动态检测仪连接远端压力；另一个隔离栅连接管道泄漏动态检测仪，且管道泄漏动态检测仪连接近端压力；所述智能总线转换器连接智能流量变送器，且所述智能流量变送器连接流量，且流量的另一端连接流量计自带变送器，且所述流量计自带变送器连接专用信号处理器。