淺析基于負壓波法的長輸油管泄漏監(jiān)測

1、淺析基于負壓波法的長輸油管泄漏監(jiān)測         摘要:本文針對我國原油具有“三高”的特性、在長距離輸送時需要加熱的特點,研究了影響負壓波傳播速度的因素,并在此基礎上提出了比較準確的先粗分后細分的搜索算法來實現(xiàn)泄漏點的精確定位。      關鍵詞:長輸油管道泄漏負壓波法定位    管道運輸在輸送氣體、流體、漿體等方面具有獨特的優(yōu)勢,己成為繼鐵路、公路、水路、航空運輸之后的第五大運輸工具。由于不可避免的老化、腐蝕及打孔盜油等原因,管道泄漏時有發(fā)生

2、,嚴重干擾了正常生產,造成了巨大的經濟損失和環(huán)境污染。所以,加強管道泄漏監(jiān)測與定位技術的研究與應用,對于發(fā)現(xiàn)管道泄漏,打擊盜油行為,保護環(huán)境,減少企業(yè)經濟損失,提高企業(yè)的自動化管理水平具有非常重要的現(xiàn)實意義。    1負壓波檢側原理及定位公式    負壓力波法是一種聲學方法,所謂負壓力波實際是在管輸介質中傳播的聲波。當管道上某處突然發(fā)生泄漏時,由于管道內外的壓差,泄漏點的流體迅速流失,在泄漏處產生瞬態(tài)壓力突降。泄漏點兩邊的液體由于壓差而向泄漏點處補充。這個瞬變的壓力下降作為振動源以聲速通過管道中的原油向上下游傳播,相當于泄漏點處產生了

3、以一定速度傳播的波。在水力學上稱為負壓波。負壓波的傳播速度在不同的輸送介質中有所不同,在液體油中大約為10001200m/s。由于管道的波導作用,經過若干時間后,包含有泄漏信息的負壓波分別傳播到數(shù)十公里以外的上下游,由設置在管道兩端的傳感器拾取壓力波信號。再經過檢測系統(tǒng)的分析處理,根據(jù)泄漏產生的負壓波傳播到上下游的時間差和管內壓力波的傳播速度就可以估算出泄漏位置。    在輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中,管道的首末兩端裝有兩個壓力傳感器,分別接收管道首末端傳過來的壓力值。定位原理如圖1所示,設管道長為L,假設A、B為裝有傳感器的管道首、末端,泄漏點為C,C點是管道上任意一

4、點。設負壓波傳播速度為v,管道內流體流速為v0,一般情況下v比v0大3個數(shù)量級以上,這樣可以認為負壓波從首端傳到末端的時間同末端傳到首端的時間相等。    假設泄漏點C產生的壓力波傳到首站(A點)的時間為tA,傳到末站(B點)的時間為tB。    泄漏點C到A,B點的距離為L    AC、LBC,則有:0ACALtv v=?(1)0 0BC ACBL L Ltv v v v?=+(2)當輸油管道出現(xiàn)泄漏時,其首末兩個端點的壓力會急劇下降,根據(jù)兩個端點壓力傳感器所檢測到的壓力劇降的時間差,即可估算泄漏位置,

5、如式(4),若tA與tB的時間差為t,則有:0 0AC ACA BL L Lt t tv v v v?=?=?+(3)2 20 01()()2ACL L v v v v tv=?+?(4)假設首端泄漏,產生負壓波,傳到末端,有:00,A BLt tv v=+再假設末端產生泄漏,負壓波傳到首端,則有:0,0A BLt tv v=?兩個時間差的絕對值為032 20 02,10A Bv vt t Lv v v?=>?因為由此引起的定位誤差在管段長度的千分之一以下,因此可以忽略v0對v的影響。式(4)可以簡化為式(5)12ACL =?L +V ?t(5)若測出t,即可由式(5)求得泄漏點C距A站

6、之間的距離。長輸管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中,各種監(jiān)控、測量裝置都是通過對采樣得到的數(shù)字量進行處理而實現(xiàn)各自功能的。一般來說,采樣是在各裝置內部時鐘的控制下獨立完成的。對于異地需要同步采樣的設備來說,因為其裝置內部的晶振頻率有誤差,所以管線各端裝置的采樣難以同步。而且后期對泄漏信號的識別、負壓波到達端點的初波時刻、以及判斷信號是意外泄漏還是正常生產時站內壓力調節(jié)所產生的壓力波動的識別,這些都要求首末端壓力波形采樣的時間基準同步。在實際應用中,在管道首末兩端的計算機的工作需要在大范圍保持時間同步,依賴的是各自計算機的系統(tǒng)時鐘,但計算機時鐘的守時性不理想,其性能較低。    本

7、文所用的實驗數(shù)據(jù)均采用GPS授時得到的。GPS自動校時的信號源直接采用來自于GPS定位衛(wèi)星上以原子鐘為基準的時間信號,原子鐘的時間與世界協(xié)調時的誤差在1s內,GPS定位衛(wèi)星發(fā)出的時間信號經過接受后再加上計算的延遲,仍可以保持在毫秒的精度內,同步性很強。在監(jiān)測系統(tǒng)中,計算機接收到的只是壓力傳感器傳過來的壓力值,沒有數(shù)據(jù)的傳到時間,故本文在檢測負壓波時只能檢測到負壓波的下降段是從第幾個數(shù)據(jù)開始的以及該波段的跨度、陡度等信息。故在檢測到負壓波傳到管道首末兩端的數(shù)據(jù)序號時,根據(jù)數(shù)據(jù)的采樣頻率也可計算出t。設數(shù)據(jù)的采樣頻率為pHZ,管道首端檢測到的負壓波下降的序號為S1,管道末端檢測到的負壓波下降的序號

8、為S2,則1 2?t =(S ?S )/P(6)2管線沿程溫度變化時對定位的影響分析我國的原油不同于世界主流原油,大部分屬于高凝點、高含蠟、高粘度的“三高”原油,原有物性隨溫度變化很大。對于“三高”原油,需加熱后輸入管道,提高輸送溫度以降低其粘度,減少摩擦阻力損失,同時保證油流的溫度高于原油的凝固點以防止凍結。熱油輸送不同于等溫輸送的特點在于:輸送過程中存在著熱能損失和摩阻損失兩方面的能量損失,隨著散熱損失的進行摩阻損失的情況也是變化的。在這種情況下,較小的溫度變化就能引起原油粘度很大的變化,從而引起管道水利特性發(fā)生較大的變化,所以必須研究不等溫原油輸送管道的熱能損失過程。 

9、0;  3管線沿程速度變化時負壓波定位分析負壓波法是一種聲學方法,所謂負壓波實際上是在管輸介質中傳播的聲波。常規(guī)的負壓波法泄露定位公式如式(5)所示。    該式的前提是壓力波波速是一常數(shù),但聲波的傳播速度與傳播介質的密度、壓力、比熱和管道的材質都有關?？紤]到管內油體的彈性、密度和管材的彈性等因素,壓力波傳播速度v可以寫為:()1()()()gv ttk t E=+(6)其中:g重力加速度(9.8耐)sz；    E管道(鋼材)的彈性系數(shù)(kgf/m2)；    管道內徑(mm) &#

10、160;  管子壁厚(mm)(t)溫度為t時油體的密度(kg/m3)；    (t)溫度為t時油體的體積彈性系數(shù)。    據(jù)式(4),泄露定位主要是根據(jù)壓力劇降的時間差t和壓力波傳播速度v得出的?，F(xiàn)在考慮v不是一個常數(shù),從泄漏點x0產生的負壓波傳到首、末兩端的時間分別為:0001 1,()()x LA Bxt x t xv x v x=(7)對于變限積分(12),由于負壓波傳播速度隨管道距離變化的函數(shù)表達式v(x)比較復雜,難以得到其解析解。且在方程(12)中,t=TA-TB已知,積分上下限x0是所求的未知量,不是單純的定積分問題,因此采用數(shù)值分析上的龍貝格算法計算數(shù)值積分,用搜索方法確定泄漏點x0的位置,文中不做過多論述。    4結語    本章先給出了負壓波波